Aproveitamento da Biomassa da Cana para a Produção de Energia

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)
Desde 2006
Enzymatic
hydrolysis
Biomass
gasification
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
Em cada um desses,
o
 Torrefação (240 C)
dezenas de alternativas
 Pirólise rápida (400o C)
 Carvoejamento (500o C)
 Gaseificação a 900oC
• Leito fixo ou leito fluidizado
 Gaseificação a 1200o C (fluxo de arraste)
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
(modelo Siemens)
Leito fluidizado
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
Colheita cana (Mt/ano)
600
colheita de cana
(dados Unica)
500
5% a.a.
400
300
200
Tomando uma perspectiva longa, taxa de crescimento anual média é 5%
100
0
1985
1990
1995
2000
ano
2005
2010
2015
Potencial para plantas de gaseificação
na década de 2020: as novas usinas
UNICA
BNDES
550 Mt em 10 anos
140 novas usinas
5%a.a.
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 Choren, Alemanha
65.000t madeira/ano
Projeto Chemrec,
Suécia
Projeto BioTfuel,
França
Rota termoquímica do carvão
Plantas em construção na China
 Shenhua Shell
 Shenhua
GE
 Shenhua Siemens
GE
1Mt carvão/ano oil products
600kt carvão/ano
PP+PE
500 kt carvão /ano
PP
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$2011
Fontes: Boerrigter (2006); Faaij
(2006); Swanson et al. (2010)
Parâmetros Técnicos do EVTE
 Eficiência energética (diesel FT/bagaço seco) de longo prazo: 55%
(Faaij, 2006)
 Long term capital investment costs do Faaij (2006):
540 Euro/KWth input capacity
 PCI do bagaço seco: 17 GJ/ton
 PCI de diesel (FT fuel): 41 GJ/m3
 Fator de escala recomendado por Boerrigter (2006)
Parâmetros Econômicos do EVTE
 Vida econômica da planta 10 anos
 Imposto brasileiro para biocombustível: 20%
 Custo de distribuição e marketing de combustível: 7% do
preço de combustível
 Duração da safra: 8 meses
 Custos de operação & manutenção anual / Total Capital
Investment = 0,04
Planta de Gaseificação (323 MWth)
Produção de FT Fuel: VPL e ROI
CENÁRIOS DOS PARÂMETROS
Custo de bagaço
(US$/ton)
30
50
70
Taxa de
desconto
0,08
0,10
0,12
Preço de
combustivel Brasil
TCI (M 2020-2030
US$2010) (US$/litro)
388
487
1,48
647
2,11
Cenário otimista
Cenário
esperado
Cenário
pessimista
VPL (M US$)
ROI
358
185%
41
20%
-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.
2.
Sistemas de secagem da biomassa
Sistemas de pré-tratamento de biomassa
 Torrefação
 Pirólise rápida
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Sistema de remoção de cinzas pré-gaseificação.
Sistema de alimentação do combustível;
Revestimento da câmara de gaseificação;
Utilização ou não de recuperador de calor;
Sistema de remoção de cinzas;
Sistemas de monitoramento, controle e segurança.
Sistemas de limpeza de gases
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...
Apoio
Parceiros
Financiamento
Parceiros
Torrefação
Fluxograma do processo
Secagem
Pirólise
SHIFT
Gaseificação
Limpeza
Syngas
Bagaço
úmido (50 %)
1,1 - 1,3 t/h
Balanço
de massa
CO + H2
0,25-0,35 t/h
BME
Oxigênio
0,2 – 0,3 t/h
(Syngas)
[H2/CO 2:1]
Água
0,4 - 0,7 t/h
CO2
0,35 - 0,45 t/h
~100 kW*
Água em recirculação no sistema
Make-up de água
Consumo de GLP
30 m³/h
2 m³/h
45 kg /t bagaço (dados torrefação)
* Não contabilizados energia consumida nas etapas de secagem, moagem, torrefação e pirólise
Local da Planta Piloto: Piracicaba/Estado de São Paulo
Cosan
Dedini
CTC
Esalq
Licença de Instalação - Emitida
Resultado da Consulta
Nº da SD Data da SD - 24/11/2011
21016661
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
Município - PIRACICABA
AREIÃO
CNPJNº do Processo - 21/01456/11
Objeto da Solicitação -LICENÇA PRÉVIA E DE INSTALAÇÃO
Nº Documento Situação - Emitida
Desde 07/02/2012
21000905
Cronograma proposto
PROJETO BIOSYNGAS - CRONOGRAMA FÍSICO
2011
1°
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
2012
2°
1°
2013
2°
1°
2014
2°
1°
2015
2°
1°
2016
2°
1°
2°
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
Programa Biosyngas do IPT
Perspectivas de sustentabilidade de etanol no Brasil
Glaucia Mendes Souza, Fapesp
Fernando Landgraf,
IPT
Luiz A. Horta Nogueira,
Universidade Federal de Itajubá
IKFT’s experience in the development of pyrolysis
technologies
Development of low temperature thermal conversion in
the sugar industry
Eckhard Dinjus,
Karlsruhe Institute of Technology
Phil Hobson,
Queensland Univ. of Technology
Development of an opposed multi-burner gasification
technology
ETC’s experience in the development of biomass
gasification process
Zhijie Zhou, East China University of
Science and Technology
Rikard Gebart, Energy Technology Centre
(ETC)
TPS’s experience in the development and operation of
biomass gasification plant
TU Bergakademie’s experience in the development of
pilot gasification plant
Uhde’s experience in the design and operation of pilot
gasification plant
Lars Walheim, Waldheim Consulting
Bernd Meyer, TU Bergakademie Freiberg
Norbert Ullrich, ThyssenKrupp Uhde
GmbH
Contatos
Dr. Fernando Landgraf
Diretor de inovação - IPT
[email protected]
+55 (11) 3767-4466
Dr. Gerhard Ett
Gerente de Gaseificação - IPT
[email protected]
+55 (11) 3767-4455