703-Biomassa_para_producao_de_energia___Colloquium_SAEBrasil_Energia_Verde

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Aproveitamento da Biomassa da 
Cana para a Produção de Energia 
Fernando JG Landgraf 
Diretor de Inovação do IPT 
 Instituição centenária, vinculada 
ao Governo do Estado de São 
Paulo. 
 
 Provê soluções tecnológicas para 
empresas e instituições públicas e 
privadas. 
 
 Em 2011 teve faturamento anual 
de R$88 milhões. 
 
 Agroindústria é parceiro 
importante. 
Vemos biomassa como grande oportunidade 
 
Em 2010, 
a safra de cana produziu 120 Mt de bagaço e palha secos 
 
 
Em 2011 faltou bagaço 
 
 
 
Como estaremos em 2020? 
As oportunidades 
 Uma usina sucroalcooleira de 4Mt cana tem que lidar com 800.000 t 
biomassa seca/ano. 
 
 Já existem usos bem estabelecidos, mas é importante avaliar alternativas 
para as novas usinas: 
 Rota bioquímica para produzir etanol a partir do bagaço: a hidrólise 
enzimática e 
 Rota termoquímica para produzir gás e dele energia elétrica, vapor, 
biocombustíveis e monômeros. 
• Essas duas rotas concorrem na pesquisa, mas podem vir a ser usadas 
conjuntamente 
 
DoE Biomass Multiyear Program 
IPT atua nas duas: 
 
Tem projetos de 
hidrólise enzimática 
Tem projetos de 
gaseificação 
Google Scholar mostra a competição 
(outubro de 2011) 
Enzymatic 
hydrolysis 
Biomass 
gasification 
Desde 2006 Todas páginas 62.000 16300 
Em portugues 9.400 813 
Brasil tem investido muito mais na hidrólise enzimática do que na gaseificação 
 
Não confundir gaseificação com biogas (de biodigestor) 
Processamentos da biomassa 
 Processos bioquímicos 
 
 Processos termoquímicos 
 Combustão total 
 Torrefação (240oC) 
 Pirólise rápida (400o C) 
 Carvoejamento (500o C) 
 Gaseificação a 900oC 
• Leito fixo ou leito fluidizado 
 Gaseificação a 1200o C (fluxo de arraste) 
 
Em cada um desses, 
dezenas de alternativas 
O que é a gaseificação de biomassa 
É queimar o bagaço e a palha com pouco oxigênio, de forma autotérmica 
de maneira a obter um gás contendo principalmente CO + H2 
 
Esse gás é reativo, 
 
 Pode ser queimado numa turbina para gerar EE 
 
 Pode ser reagido (syngas) e transformar-se em 
• Biocombustíveis: biodiesel, metanol etc 
• Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio 
Alternativas tecnológicas da gaseificação 
dependem da alimentação 
Se for líquido ou pó fino: 
Num maçarico confinado 
Se for sólido: 
Numa cama de areia 
Fluxo de 
arraste 
Leito fluidizado (modelo Siemens) 
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fluidized_Bed_Reactor_Graphic.svg
Principais processos de gaseificação 
 
Escolha depende de: 
 
 
Qual a escala mais 
adequada? 
 
Quais os produtos 
desejados? 
150 kt/ano 1500 kt/ano 
A aposta do IPT: a gaseificação por fluxo de arraste 
Razões da escolha 
 Maior versatilidade de produtos: vapor, energia elétrica, gás, 
biocombustíveis, monômeros. 
 
 Gás exige menos limpeza do que o leito fluidizado, por não ter 
alcatrão. 
 
 GFA pode processar todo bagaço e palha de uma usina de 4Mtpa: 
800.000t/ano. 
 
 Tem potencial de viabilidade econômica em grande escala. 
 
 Processo é comercial, pelo menos para carvão mineral. 
 
Haverá bagaço e palha para isso? 
 Só nos green fields, nas novas usinas. 
 
 Como o desenvolvimento das tecnologias só maturará em 7-10 
anos, falamos de 2020. 
 
 Mas quanto crescerá o setor? 
Crescimento da colheita brasileira de cana 
0
100
200
300
400
500
600
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
C
o
lh
e
it
a 
ca
n
a 
(M
t/
an
o
) 
ano 
5% a.a. 
colheita de cana 
(dados Unica) 
 
Tomando uma perspectiva longa, taxa de crescimento anual média é 5% 
Potencial para plantas de gaseificação 
na década de 2020: as novas usinas 
550 Mt em 10 anos 
140 novas usinas 
5%a.a. 
UNICA 
BNDES 
140 novas usinas é um bom universo a ser atacado pela nova tecnologia 
Situação atual de Gaseificação de Biomassa 
 Inexiste uma planta comercial de gaseificação de biomassa no 
mundo 
 Várias plantas pilotos sem continuidade 
 Desafios tecnológicos 
 China: investimentos em plantas de gaseificação de carvão 
 Tecnologias importadas 
 As plantas de gaseificação exigem altos investimentos 
 Economia de escala é relevante 
 Desafios em financiamento de projetos de P&D e de implantação 
comercial 
Plantas piloto de GFA de biomassa no mundo 
Projeto Chemrec, 
Suécia 
Projeto Choren, Alemanha 
65.000t madeira/ano 
Projeto BioTfuel, 
França 
 
Rota termoquímica do carvão 
Plantas em construção na China 
 Shenhua Shell 1Mt carvão/ano oil products 
 Shenhua GE 600kt carvão/ano PP+PE 
 Shenhua Siemens 500 kt carvão /ano PP 
GE 
Quando podemos começar? 
 Gaseificar carvão é comercial, 
 
 Biomassa é o desafio: 
Alguns Desafios Tecnológicos da Gaseificação de 
Bagaço 
 Desenvolvimento de novos processos de pré-tratamento de 
bagaço com reduzido consumo de energia 
 Materiais resistentes ao desgaste abrasivo 
 
 Melhorar a confiabilidade operacional de gaseificador 
 Refratários 
 Sistema de alimentação 
 Controle da remoção de cinzas 
 
 Desenvolver catalizadores para otimizar a produção de 
biocombustíveis e outros produtos em grande escala a partir de 
syngas 
 
EVTE de Planta de 323 MWth 
(400 mil ton de bagaço/palha seca e 8 meses de safra) 
Etapas 
Investimento em 
equipamentos (M US$2011) 
Pretratamento 30 
Gaseificação 40 - 75 
Limpeza e 
condicionamento de 
gás 40 - 75 
Unidade FT (Fischer 
Tropsch) 50 - 80 
ASU (Air separation 
unit) 30 - 75 
Unidade termoelétrica 
de geração 50 
TCI (Total Capital Investment): 
Equipamento + 
 outside battery limits 
400 a 700 M US$2011 
Fontes: Boerrigter (2006); Faaij 
(2006); Swanson et al. (2010) 
Parâmetros Técnicos do EVTE 
 Eficiência energética (diesel FT/bagaço seco) de longo prazo: 55% 
(Faaij, 2006) 
 
 Long term capital investment costs do Faaij (2006): 
 540 Euro/KWth input capacity 
 
 PCI do bagaço seco: 17 GJ/ton 
 
 PCI de diesel (FT fuel): 41 GJ/m3 
 
 Fator de escala recomendado por Boerrigter (2006) 
 
Parâmetros Econômicos do EVTE 
 Vida econômica da planta 10 anos 
 
 Imposto brasileiro para biocombustível: 20% 
 
 Custo de distribuição e marketing de combustível: 7% do 
preço de combustível 
 
 Duração da safra: 8 meses 
 
 Custos de operação & manutenção anual / Total Capital 
Investment = 0,04 
 
Planta de Gaseificação (323 MWth) 
Produção de FT Fuel: VPL e ROI 
Custo de bagaço 
(US$/ton) 
Taxa de 
desconto 
TCI (M 
US$2010) 
Preço de 
combustivel Brasil 
2020-2030 
(US$/litro) 
30 0,08 388 
50 0,10 487 1,48 
70 0,12 647 2,11 
CENÁRIOS DOS PARÂMETROS 
VPL (M US$) ROI 
Cenário otimista 358 185% 
Cenário 
esperado 41 20% 
Cenário 
pessimista -53 -23% 
Promessas demais no mercado 
 No mundo, dezenas de empresas oferecem sistemas de torrefação, 
de pirólise e mesmo de gaseificação. 
 
 Poucas tem dados técnicos esclarecedores a mostrar, difícil confiar. 
Rendimento energético! 
 
 Pouquíssimas tem plantas em operação contínua. 
 
 Muitas operaram apenas dias ou poucos meses, e estão 
“vendendo” tecnologia. 
 
 Oportunidade: Projeto Biosyngas 
Construir e operar uma usina piloto de 
gaseificação de biomassa por fluxo de arraste, 
focada em bagaço de cana de açúcar, de forma a 
adquirir o conhecimento necessário para projetar 
uma usina industrial com Capex de US360M, para 
400.000t/ano 
 
Tecnologia escolhida de Gaseificação 
 Gaseificação por fluxo de arraste 
 Capacidade de 500kg de biomassa / hora 
 Gaseificador “flex”: pó ou óleo como insumo 
 Com oxigênio 
 Recuperação de calor 
 Tmax = 1300°C 
 
 Especificações do gás de síntese: 
 80% de CO+H2 
 < 0,5% CH4 
 <1g alcatrão / Nm3 
 < 0,5% N2 
Gargalos tecnológicos mais relevantes 
1. Sistemas de secagem da biomassa 
2. Sistemas de pré-tratamento de biomassa 
 Torrefação 
 Pirólise rápida 
3.Sistema de remoção de cinzas pré-gaseificação. 
4. Sistema de alimentação do combustível; 
5. Revestimento da câmara de gaseificação; 
6. Utilização ou não de recuperador de calor; 
7. Sistema de remoção de cinzas; 
8. Sistemas de monitoramento, controle e segurança. 
9. Sistemas de limpeza de gases 
10. Sustentabilidade ambiental 
 
 
 
 
 
 
 
Ponto crítico: as cinzas da biomassa 
 Como remover continuamente as cinzas de dentro do gaseificador? 
 
 Qual o teor de cinzas da biomassa? 
 
 Quanto é “cinza botânica” e quanto é “terra”? 
 
 Que variáveis afetam “cinza botânica”? E a “terra”? 
 
 Projeto temático sendo estruturado pela Esalq 
 participam Poli-USP, Unicamp, IPT. Há vagas... 
 
 
Parceiros 
Parceiros 
Financiamento 
Apoio 
Fluxograma do processo 
Secagem 
Torrefação 
Pirólise 
Gaseificação 
SHIFT Limpeza 
Syngas 
Oxigênio 0,4 - 0,7 t/h 
Água 
(Syngas) 
0,25-0,35 t/h 
CO + H2 
Bagaço 
úmido (50 %) 
 
0,35 - 0,45 t/h 
1,1 - 1,3 t/h 
CO2 
0,2 – 0,3 t/h 
BME 
[H2/CO 2:1] 
~100 kW* 
* Não contabilizados energia consumida nas etapas de secagem, moagem, torrefação e pirólise 
Água em recirculação no sistema 30 m³/h 
 
Make-up de água 2 m³/h 
 
Consumo de GLP 45 kg /t bagaço (dados torrefação) 
Balanço 
de massa 
Local da Planta Piloto: Piracicaba/Estado de São Paulo 
Esalq 
CTC 
Dedini 
Cosan 
Licença de Instalação - Emitida 
Resultado da Consulta 
Nº da SD - 
21016661 
Data da SD - 24/11/2011 
Razão Social - INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS DO ESTADO DE SÃO PAULO S.A. 
IPT 
Logradouro - RODOVIA LAÉRCIO CORTE - SP 147 
Nº Complemento - KM 142+50 METROS 
Bairro - VILA 
AREIÃO 
Município - PIRACICABA 
CNPJ- Nº do Processo - 21/01456/11 
Objeto da Solicitação -LICENÇA PRÉVIA E DE INSTALAÇÃO 
Nº Documento -
21000905 
Situação - Emitida Desde 07/02/2012 
http://silis.cetesb.sp.gov.br/conaut.php?p=21000905&i=36
Cronograma proposto 
PROJETO BIOSYNGAS - CRONOGRAMA FÍSICO 
 2011 2012 2013 2014 2015 2016 
 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 1° 2° 
Gerenciamento técnico do projeto 
Definição de termos de PI 
Definição de regras de governança 
Assinatura de contratos 
Projeto Conceitual 
Projeto básico 
Projeto executivo da Planta Piloto 
Implantação do sistema de pré-tratamento 
Implantação do sistema de limpeza de gases 
Utilidades 
Central de Instrumentação e Controle 
Obras civis da planta piloto 
Construção do gaseificador 
Acoplamento dos Equipamentos 
Testes a frio 
Testes a quente 
Testes de longa duração (3.000 h não 
contínuas) 
Estudos viabilidade econômica 
Orçamento 
ITENS VALOR (R$ Milhões) 
Equipamentos 38.2 
Instalações 3.6 
Despesas com Viagens 1.2 
Materiais de consumo 3.3 
Recursos humanos (IPT, CTC, companies) 11.4 
Serviços de terceiros 20.4 
Custos administrativos 2.9 
Contingências 5.7 
TOTAL 86.8 
Quer saber mais? Save the date 
 Coloquem na sua agenda: 17/09/2012 
 
 Workshop sobre Gaseificação de Biomassa 
 
 Na Fapesp, em S. Paulo 
 
 Organizado pelo IPT 
 
 Parte das comemorações de 50 anos da Fapesp. 
Evento: C&T de Gaseificação 
 Objetivos: 
 Definir temas de P&D em gaseificação de bagaço 
 Promover P&D em gaseificação na comunidade de C&T no ESP 
 
 Público alvo: academia e indústria de equipamentos 
 
 Palestrantes convidados: 
 Acadêmicos nacionais e do exterior (Europa, EUA e China) 
 Pesquisadores industriais (fabricantes de gaseificadores de biomassa e 
carvão) 
 Gestores de plantas pilotos do exterior 
 
 
 
Palestrantes 
Palestra Palestrante e Instituição 
 
Relevância da rota termoquímica no BIOEN Glaucia Mendes Souza, Fapesp 
Programa Biosyngas do IPT Fernando Landgraf, IPT 
Perspectivas de sustentabilidade de etanol no Brasil Luiz A. Horta Nogueira, 
Universidade Federal de Itajubá 
 
IKFT’s experience in the development of pyrolysis 
technologies 
Eckhard Dinjus, 
Karlsruhe Institute of Technology 
Development of low temperature thermal conversion in 
the sugar industry 
Phil Hobson, 
Queensland Univ. of Technology 
 
Development of an opposed multi-burner gasification 
technology 
Zhijie Zhou, East China University of 
Science and Technology 
ETC’s experience in the development of biomass 
gasification process 
Rikard Gebart, Energy Technology Centre 
(ETC) 
 
TPS’s experience in the development and operation of 
biomass gasification plant 
Lars Walheim, Waldheim Consulting 
TU Bergakademie’s experience in the development of 
pilot gasification plant 
Bernd Meyer, TU Bergakademie Freiberg 
Uhde’s experience in the design and operation of pilot 
gasification plant 
Norbert Ullrich, ThyssenKrupp Uhde 
GmbH 
 
 
 
 Contatos 
 Dr. Fernando Landgraf 
 Diretor de inovação - IPT 
 landgraf@ipt.br 
 +55 (11) 3767-4466 
 
 Dr. Gerhard Ett 
 Gerente de Gaseificação - IPT 
 gett@ipt.br 
 +55 (11) 3767-4455