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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA - UEM BIOPROCESSOS INDUSTRIAIS ESTUDO E AVALIAÇÃO CRÍTICA SOBRE O BIOPROCESSAMENTO DO ETANOL Acadêmico: Gustavo Junqueira Valias Meira Filho RA: 117480 Prof.: José Eduardo Olivo Maringá - PR Agosto de 2023 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 1 2. IMPORTÂNCIA DA BIOELETRICIDADE 2 2.1. Geração de Energia Elétrica Geral Brasileira 2 2.2. Contribuição Energética do Setor Sucroalcooleiro 3 2.3. Bioeletricidade e seus Benefícios 5 2.4. Caracterização da Cana-de-Açúcar 6 3. PRODUÇÕES SUCROALCOOLEIRAS 7 3.1. Produção do Etanol de Primeira Geração 7 3.2. Subprodutos da Produção do E1G 8 4. COGERAÇÃO ENERGÉTICA DOS EXCEDENTES SUCROALCOOLEIROS 9 4.1. Aproveitamento da Palha para Cogeração 9 4.2. Cogeração de Energia e Produção de Etanol de Segunda Geração 10 4.3. Termodinâmica Aplicada à Cogeração Energética 11 5. AVALIAÇÃO ECONÔMICA 13 5.1. Geração Termelétrica nos Estados Produtores de Cana-de-Açúcar 13 5.2. Economia Aplicada à Geração de Energia Elétrica 14 REFERÊNCIAS 16 1. INTRODUÇÃO A sustentabilidade é um dos pontos-chave na carreira de qualquer engenheiro, se não o ponto de maior destaque. Isso porque o mercado necessita que seus empreendimentos deem lucro hoje mas também amanhã. Quando nos referimos à sustentabilidade, é do senso comum que devemos preservar o meio ambiente. Mas não só isso, como também as máquinas e equipamentos, a vida útil dos processos, as atualizações tecnológicas e afins. O mercado sucroalcooleiro é líder quando se trata de processos biotecnológicos. Uma base fundamental para a humanidade e seu desenvolvimento. Contudo, muito se discutiu ao longo do tempo sobre os resíduos descartáveis que ele gerava. Dentre esses resíduos, é possível citar a palha e o bagaço. Hoje, com o desenvolvimento da engenharia, entende-se o bagaço e a palha não mais como subprodutos, mas sim como novas oportunidades para cogeração energética, ou seja, para aumentarmos a eficiência geral dos processamentos sucroalcooleiros. O presente trabalho tem como objetivo apresentar aspectos fundamentais acerca da cogeração energética dos então considerados subprodutos da cana-de-açúcar e quais suas perspectivas futuras e passadas. 1 2. IMPORTÂNCIA DA BIOELETRICIDADE 2.1. Geração de Energia Elétrica Geral Brasileira A geração de energia é o alicerce fundamental da modernidade humana, já que ela fundamenta praticamente todas as nossas tecnologias desenvolvidas no último século. Com isso, um foco primordial é em mecanismos para gerar essa energia e reduzir impactos diversos no processo, como custeio, poluição ambiental, dificuldades operacionais, entre outros. Acima de tudo, é importante saber como avaliar a energia, seu uso e mensuração de geração. A unidade convencional para a aplicação em energia elétrica industrial é o Watt. [2] No Brasil, 90% da geração de energia elétrica se caracteriza como hidrotérmico de grande porte (usinas hidrelétricas) e atua sob concessão. Contudo, nos últimos anos, a geração de energia elétrica se desenvolveu muito (e foi intensificada, também) nos setores termelétricos (que inclui as usinas e destilarias de bagaço de cana) e fontes não convencionais. [2] Tabela 1 - Tipo de geração elétrica e seu desenvolvimento de 2001 até 2009. [2] O setor termelétrico cresceu 11,67% e a geração eólica cresceu 52,12% no período de 2001 até 2009. Isso decorre bastante da crise de 2001 (redução de água em reservatórios das hidrelétricas por decréscimo da taxa pluvial e acréscimo do consumo de energia acima da capacidade). Contudo, ainda há muita participação da energia oriunda de matriz fóssil empregada em âmbito nacional. A exemplificar, 2 em 2010 a energia de gás natural, carvão mineral e petróleo somavam mais de 16% em contrapartida ao uso da biomassa que era de apenas 6,4% (majoritariamente de origem do bagaço de cana). [2] [5] Tabela 2 - Participação das fontes na carga de energia de 2005 a 2010. [2] É de se notar que a intenção dada pelo Brasil à geração de energia foi bastante significativa ao longo dos anos, contudo. A criação de órgãos responsáveis para fiscalização e incentivo impulsionou isso, tais como a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), o Mercado Atacadista de Energia (MAE) e a Câmara de Gestão da Crise Energética (CGCE – criada devido à crise de 2001). [5] O caráter crescente é, também, descentralizador, abrindo maior espaço para a produção a partir de geradores de energia elétrica independentes das concessionárias e uso mais intensivo das fontes renováveis. [5] Os tipos de produtores, em si, qualificam-se como sendo de autoprodução (pessoa física, jurídica ou consórcio que geram energia elétrica para consumo próprio) ou como Produtor Independente de Energia (PIE – pessoa jurídica ou consórcio autorizado à comercialização de energia elétrica). Ambos possuem papel crucial na expansão energética brasileira. [4] 2.2. Contribuição Energética do Setor Sucroalcooleiro O setor sucroalcooleiro é o destinado à produção de etanol e vem se destacando cada vez mais no mercado. Em 2008, a agroindústria sucroalcooleira brasileira era detentora de 3.000 MW de potência instalada – entretanto não utilizada em sua totalidade, sendo grande parte da energia consumida pela própria usina. [5] 3 Em 2009, cerca de somente 10% das usinas comercializavam os excedentes energéticos para o mercado, sendo que a vasta maioria não se sentia estimulada a investir em novos equipamentos para garantir essa receita lucrativa. [5] Alguns outros fatores exógenos ocorreram para que o mercado ficasse desestimulado à comercialização dos excedentes de energia da biomassa do bagaço de cana. Um dos fatores é a crise de 2008 (crise subprime ) que tornou a energia eólica competitiva no Brasil (já que o país possui grande potencial para esse ramo energético) e prejudicou o mercado da biomassa. Não menos importante, fatores como a regulamentação e o preço dos combustíveis também afetaram o mercado sucroalcooleiro, já que o congelamento do preço da gasolina por um grande período de tempo tornou a produção de etanol nada competitiva. [3] Figura 3 - Evolução dos preços de petróleo bruto internacional, gasolina nacional e etanol nacional entre 2004 e 2015 (US$/l). [3] Contudo, existem fatores que estão revertendo esse cenário. O primeiro que se pode mencionar é a expansão das áreas plantadas de cana-de-açúcar (o que gera um aumento produtivo), assim como novas tecnologias para o aproveitamento da palha. Além disso, o fato de ser possível a produção de etanol de primeira e segunda geração permite a utilização de uma única matéria-prima para um aproveitamento amplo. [4] [5] A pressão atual por fontes mais sustentáveis também colocam o setor sucroalcooleiro no radar do mercado, tal que esse tipo de geração de energia contribui para a diminuição do aquecimento global e do efeito estufa, além de que, de forma inevitável, é um agente do mercado de créditos de carbono. NÃo só isso4 como é um agente estimulante de pesquisas de inovação tecnológica acerca de sustentabilidade e eficiência energética assim como é um gerador de empregos rurais. [4] A produção de etanol foi de 0,6 Mm 3 em 1975 e disparou para 18 Mm 3 na safra de 2006/2007. Esse aumento progressivo torna o etanol cada vez mais competitivo no mercado, com uma tendência crescente. Ademais, o Brasil se destaca no setor sucroalcooleiro de cana-de-açúcar, chamando a atenção de países como EUA, Japão e países da Europa. [4] Figura 4 - Estimativa de expansão da produção nacional de cana-de-açúcar. [4] É importante salientar que a utilização do bagaço de cana-de-açúcar na produção de etanol é uma grande vantagem competitiva em relação à outros geradores como a beterraba, já que o rendimento da cana para o etanol de primeira geração brasileiro é economicamente favorável no cenário nacional e que a quantidade de bagaço descartado é muito considerável visto sua possibilidade. [2] Um levantamento de dezembro de 2009 indica que um aproveitamento total da safra de cana-de-açúcar poderia duplicar a participação total do setor sucroalcooleiro na contribuição energética nacional. [2] 2.3. Bioeletricidade e seus Benefícios A bioeletricidade da cana tem um potencial de produzir o equivalente a duas usinas de itaipú por no até 2024, e isso enquanto ela economiza significativamente os reservatórios nacionais. Assim como já é de senso comum de que ela está atrelada ao conceito de sustentabilidade já que é uma alternativa viável para a substituição do combustível fóssil. [3] A comercialização do excedente energético de matriz do bagaço de cana é viável e um bom negócio para as empresas, contribuindo para a matriz energética 5 brasileira e aumentando a rentabilidade das usinas – isso tudo enquanto ainda é uma fonte de energia limpa. Mesmo com a emissão de CO 2 , essa emissão representa somente 6% do que é produzido pela queima de óleo combustível. Demais benefícios já foram citados no tópico 2.2. [3] 2.4. Caracterização da Cana-de-Açúcar A cana-de-açúcar é uma fonte sacarídica e, por consequência do bagaço, celulósica de produção de etanol. O ciclo produtivo dela envolve o preparo do solo, o plantio e prevenção de pragas. As formas de colheita são várias, podendo ser semi-mecanizadas e mecanizadas com colheita da cana queimada ou da cana crua. [1] [4] Figura 5 - Ilustração representativa da cana-de-açúcar. [7] A palha é a denominação para o resíduo da colheita da cana crua (a mais viável), podendo obter 119 kg de palha seca para cada tonelada de cana moída – o que representa bastante perda energética já que seu poder calorífico é 70% maior que o do bagaço. [4] Já o bagaço e o vinhoto são resíduos do processamento da cana-de-açúcar, sendo o bagaço oriundo da moagem da cana e utilizado, de forma prática, para a alimentação de caldeiras como combustível. O índice de produção de bagaço seco é estimado em 160 kg por tonelada de cana moída e poder calorífico na ordem de 7.500 kJ/kg. [4] 6 3. PRODUÇÕES SUCROALCOOLEIRAS 3.1. Produção do Etanol de Primeira Geração O etanol de primeira geração (E1G) da cana-de-açúcar é representado no fluxograma a seguir. Figura 6 - Fluxograma da produção de E1G a partir da cana-de-açúcar. [6] As etapas são relativamente simples considerando a biodisponibilidade de fácil acesso à glicose da cana-de-açúcar. Como não há necessidade de hidrólise catalítica enzimática como em matérias-primas amiláceas, o processo fermentativo é facilitado. [1] Com isso, as etapas – resumidamente – que se seguem são: colheita e tratamento da cana para extração do caldo, adequação do caldo para a fermentação, fermentação com leveduras originando gás carbônico e etanol, destilação do etanol para sua purificação e, eventualmente, desidratação completa do etanol. [1] 7 3.2. Subprodutos da Produção do E1G Por ser um processo comum em âmbito nacional e com subprodutos mercadologicamente relevantes, não é difícil encontrar um destino adequado para cada um deles. O bagaço, como já mencionado, é um resíduo extremamente relevante da produção de E1G. Ele nada mais é do que o restante da cana que não foi utilizada na produção do mosto, constituído basicamente de fibras – ou seja, material celulósico. [1] O bagaço de cana representa o maior resíduo agroindustrial do país e, por isso, além do E2G, há outras destinações para ele, como na indústria de papel e celulose, cerâmicas e retíficas de pneus. Além disso, o bagaço que não é usado como combustível em refinarias possui um grande potencial para ser usado como alimento de ruminantes – que é uma aplicação extremamente importante em áreas cuja alimentação é faltosa. [4] Ele é geralmente lançado nas caldeiras de forma a gerar a energia que faz funcionar a própria usina e ainda pode gerar excedentes energéticos. Ele se torna economicamente favorável, portanto, mas há geração de fuligem e cinzas no processo. O etanol de segunda geração (E2G) é a segunda opção que há para a utilização rentável dessa matéria-prima. [1] A vinhaça é o subproduto gerado nas torres de destilação constituído basicamente de 6% de material orgânico putrescível e fortemente consumidor de oxigênio. Essas características fornecem a ele a habilidade de ser tratado e lançado na natureza sem muitos prejuízos ambientais, sendo amplamente usado como fertilizante e como matéria-prima na produção de biogás. [1] O CO 2 é um subproduto da fermentação alcoólica que é gerado quase nas mesmas proporções do etanol, Ele pode ser lavado e secado é destinado para vários usos. Por fim, as leveduras restantes da fermentação possuem bastante material proteico em sua constituição e são agregadas em rações para melhor a qualidade nutritiva delas. [1] 8 4. COGERAÇÃO ENERGÉTICA DOS EXCEDENTES SUCROALCOOLEIROS 4.1. Aproveitamento da Palha para Cogeração O material vegetal excedente da cana é constituído por três componentes principais, presentes em maior quantidade, a lignina, a celulose e a hemicelulose. A celulose é o principal objeto de interesse pela sua constituição de monômeros de dextrose significativas. Para isso, há a necessidade de um tratamento adequado de hidrólise catalítica que pode ser realizado de inúmeras formas. [1] Figura 7 - Estrutura de materiais lignocelulósicos. [1] A palha é tradicionalmente usada com adubo em lavouras, sendo que ela, os colmos e ponteios da cana são processados em conjunto na colheita mecânica e são separadas posteriormente para descarte do palhiço. A utilização da palha junto com o bagaço para a produção de E2G, entretanto, está cada vez mais presente, já que isso aumenta a quantidade de excedentes energéticos para o comércio. [5] A melhor mecanização da colheita da cana aumentou a quantidade de palha e resíduos minerais que vão parar na indústria e para evitar complicações na fermentação sacarídica, existe o Sistema de Limpeza de Cana a Seco (SLCS).Esse sistema evita que o açúcar seja perdido no processo de lavagem da cana, podendo ser operado como uma sopragem (removendo partículas vegetais) ou por ação mecânica (removendo minérios). [5] 9 4.2. Cogeração de Energia e Produção de Etanol de Segunda Geração Cogeração é o nome que se dá a processos de produção combinada de calor útil e potência a partir da energia existente em uma única matéria-prima mas que ocorre em formas diferentes e em série de aplicação. Em si, à da Segunda Lei da Termodinâmica, uma parte da matéria-prima que seria descartada é utilizada em outro processo, também para a geração de energia. [4] [5] A cogeração tem como vantagens o aumento da eficiência energética e produtiva global da indústria, além da redução de gastos em energia, mais sustentabilidade ambiental e energética, redução de gastos e melhor adequação de oferta e demanda. [4] [5] A cogeração no setor sucroalcooleiro começou a ser implementada a partir da crise energética de 2001 e se mostrou uma virada de jogo a partir do momento que os empresários e engenheiros pararam de visualizar o bagaço e a palha como rejeito e passaram a enxergá-los como oportunidade. [4] A forma mais comum de cogeração de energia do bagaço e da palha é pela queima desses materiais em caldeiras. A palha muitas vezes não é de fácil aplicação em caldeiras já que suas fibras são muito longas, mas a partir da SLCS e de um picador é possível misturá-la ao bagaço para sua combustão conjunta. [4] [5] A geração de vapor é realizada em caldeiras aquatubulares que pode ser em leito fixo (antigas e ineficientes) ou em suspensão (modernas e eficientes). Esse vapor é redirecionado para turbinas e, finalmente, supre as necessidades térmicas e eletromecânicas da usina sucroalcooleira. [4] O álcool de segunda geração é outra forma de cogeração energética já que ele parte do pressuposto que a matéria-prima principal (a cana) originou rejeitos agrícolas lignocelulósicos que pode, da mesma forma, ser processado até originar etanol. A produção de E2G, em termos simplificados, segue o seguinte escopo: pré-tratamento do material lignocelulósico, hidrólise enzimática para a liberação de açúcares fermentescíveis, fermentação alcoólica por leveduras (podendo ser geneticamente modificadas para metabolização de pentoses também ou outros microrganismos), destilação e desidratação. [1] 10 4.3. Termodinâmica Aplicada à Cogeração Energética A cogeração energética atrelada à produção de potência e calor pode ser classificada como bottoming ou como topping . A primeira se refere ao aproveitamento do calor rejeitado dos processos industriais de geração de vapor e o segundo garante o aproveitamento do calor para atender aos requisitos térmicos do processo. [5] Figura 8 - Configuração bottoming e topping . [5] O ciclo Rankine é um processo que representa mudança de fases em quatro etapas distintas, sendo usado em calor oriundo de combustíveis para geração de vapor em caldeiras ou geradores de vapor. O ciclo Brayton é um ciclo ideal para turbina a gás simples em que o fluido sempre é um vapor cujo parâmetro listado relevante é a relação entre a pressão e a temperatura de queima. [5] É possível obter um ciclo combinado, sendo a junção dos dois últimos ciclos, processo no qual a entalpia excedente dos gases de exaustão da turbina de gás é aproveitada para gerar vapor na caldeira, que se expande em uma turbina e produz energia útil. [5] O ciclo Otto é um ciclo de ignição por centelha com compressão isentrópica do ar, e a energia é fornecida a um pistão em movimento. Já o ciclo Diesel compõe um sistema de motores de ignição por compressão. As centrais que se utilizam desse tipo de ciclo são justificadas pela demanda insuficiente para justificar a instalação de uma usina termelétrica a vapor. O gás natural é usado no ciclo Otto, mas em alguns casos é possível adaptar a câmara de combustão para o ciclo Diesel [5] 11 Foram realizados estudos de casos termo-econômicos acerca do aproveitamento da cogeração energética do etanol de cana-de-açúcar e a conclusão final obtida foi: a geração de energia aumenta com a introdução da palha na indústria, aumentando, consequentemente, a energia de exportação – sendo o processo de queima manual a prática menos eficiente obtida; a maior perda de produção de álcool ocorre quando a eficiência de ventilação das colhedoras é baixa; uma maior superávit lucrativo é obtido quando há presença de uma SLCS e quando há palha envolvida na indústria; o aumento da mecanização da colheita aumenta todos os índices positivos analisados. [5] Figura 9 - Rentabilidade da energia excedente exportada no Caso 1 (Base cana queimada). [5] 12 5. AVALIAÇÃO ECONÔMICA 5.1. Geração Termelétrica nos Estados Produtores de Cana-de-Açúcar Quando avalia-se o território nacional, a região centro-sul se destaca bastante na média da cana moída, entretanto, a quantidade de bagaço produzida é equiparada tanto nessa região quanto na região norte-nordeste. A destinação do bagaço combustível é mostrado na tabela a seguir. [2] Figura 10 - Destinação do bagaço combustível por estado. [2] O período de funcionamento médio das unidades de produção nos estados produtores envolve as condições de clima, paradas técnicas e localização. Em períodos de baixo aporte pluviométrico, a colheita é facilitada assim como o tráfego de máquinas e rendimento da sacarose – o período médio de funcionamento da região norte-nordeste é maior. [2] Metade da safra nacional é produzida em usinas com maquinário atualizado e produzem energia excedente para comercialização, sendo a maioria da região centro-sul. Considerando o período de 2009/2010, a região centro-sul gerou mais de duas vezes a quantidade de energia da região norte-nordeste. [2] 13 5.2. Economia Aplicada à Geração de Energia Elétrica Novas engenharias, projetos e tecnologias estão sendo requisitados no mercado considerando a grande necessidade de certezas e aprimoramentos constantes, além de passos a favor da sustentabilidade. O objetivo principal de qualquer empresa é maximizar os lucros, então faz-se necessário um projeto de investimento nas indústrias, ou seja, um investimento em um novo projeto com o intuito de retornar um lucro maior no futuro. [4] Quanto mais delongado for o retorno sobre o investimento (ROI), menos interessante ele se torna para as indústrias e mais incertezas ele carrega com sigo ao longo do tempo. Com isso, estratégias econômicas e projetistas são necessárias para encontrar um ponto de equilíbrio contábil (PEC) adequado. [4] Dentre os principais indicadores econômicos é possível citar o valor de presente líquido (VPL), a taxa interna de retorno (TIR), o payback, e o custo de energia (COE). [4] Quando se trata da geração de energia elétrica, os principais custos envolvidos são: infraestrutura geral e administrativa; máquinas e equipamentos, assim como edificações e instalações (depreciação),que leva em consideração a vida útil de cada parte; custos relacionados ao capital humano e intelectual; e gastos com comissões. A recuperação disso se torna a problemática principal quando se trata da precificação de bens e serviços. [4] O bagaço de cana não representa um subproduto das usinas, mas sim uma terceira forma de alavancar os negócios aos olhos da economia, além do açúcar e do álcool. Dependendo da tecnologia atual da usina, os gastos envolvidos para implementar um sistema de cogeração de E2G pode ser maior ou menor. Uma análise econômica feita em quatro indústrias de São Paulo em 2009 (Cerradinho, Santa Isabel, Santa Cândida e Catanduva) mostrou um payback descontado de em média cinco anos para a implementação do sistema de cogeração e VPL positivo, tornando economicamente viável e com retornos favoráveis, além de ser possível investir em mercado de crédito de carbono. [4] Existe a perspectiva de crescimento contínuo dos mercados de produtos convencionais da cana-de-açúcar, como o açúcar e o álcool etílico, e, se o país for capaz de ocupar o espaço oferecido, haverá um crescimento anual do bagaço disponível para queima e geração elétrica. As projeções para a exportação tanto do 14 açúcar quanto do etanol estão em margem crescente com o decorrer dos anos, e a perspectiva é que continue assim. [2] 15 REFERÊNCIAS [1] LIMA, U. A., et al. Biotecnologia Industrial: Processos Fermentativos e Enzimáticos. 2 ed. São Paulo: Blucher, 2019. [2] FILHO, A. B. A Geração Termoelétrica com a Queima do Bagaço de Cana-de-Açúcar no Brasil: Análise do Desempenho da Safra 2009-2010. Conab, 2011. [3] DOCTORS, R. D. B. Uma Análise Micro e Macroeconômica sobre Comercialização de Energia a Partir do Bagaço de Cana no Brasil. Orientador: Dimitri Szerman. 2016. 53. Monografia de Conclusão de Curso – Economia, Departamento de Economia. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 2019. [4] FILHO, P. L. D. Análise de Custos na Geração de Energia com Bagaço de Cana-de-Açúcar: um Estudo de Caso em Quatro Usinas de São Paulo. Orientadora: Virginia Parente. 2009. 175. Dissertação do Programa de Pós-Graduação em Energia. Universidade de São Paulo, São Paulo. 2009. [5] JÚNIOR, R. A. R. Análise da Viabilidade do Aproveitamento da Palha da Cana de Açúcar para Cogeração de Energia numa Usina Sucroalcooleira. Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos. 2009. 165. Dissertação de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Universidade Estadual Paulista, Ilha Solteira. 2009. [6] MELO, L. C. P. Bioetanol Combustível: Uma Oportunidade para o Brasil. Brasília, DF: CGEE, 2019. [7] MORAES, I. O., et al . Biotecnologia na produção de alimentos. 2 ed. São Paulo: Blucher, 2021. 16
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