Post on 22-Apr-2015
PROCESOS BIOLÓGICOS DE CONVERSÃO: BIOETANOL E BIOGÁS
Rotas de Conversão Energética da Biomassa
Usos do Biogás
BIOMETANO – UPGRADING DO BIOGÁS PARA O GÁS NATURAL
ESPECIFICAÇÃO DO BIOGÁS, DO BIOMETANO E DA REDE DE GÁS
Principais Tecnologias para a Remoção de Impurezas do Biogás
TENDENCIAS EM DESENVOLVIMENTO
• Utilização de cultivos energéticos.• Maior Produção de Biogás pela Microbiologia.• Biodigestores de alto rendimento no tratamento de águas.• Injeção do biogás à rede de gás.• Uso do Biogás como combustível.
Produção de Energia Elétrica e Térmica:• Grado de Eficiência de até 42%.• Coeficiente de Usina do 90%.• Maturidade tecnológica.• Grande variedade de oferta.
Importante:• Serviço e manutenção.• Experiência do Fabricante.
STANDARD ATUAL : COGERAÇÃO
9
Esquema geral dos processos de obtenção do etanol em função da matéria-prima utilizada.
10
Avaliação Termodinâmica e Econômica de Alternativas de Diversificação da
Produção no Setor Sucroalcooleiro Brasileiro
11
Motivação:
• Utilização integral da cana de açúcar em aspectos
energéticos e de produtos de alto valor agregado.
• Uso racional de terras de pastagens, com liberação de pastos
por modificações na dieta do gado.
•Produção de biocombustíveis de 2ª geração
13
O Setor Sucroalcooleiro Brasileiro
Atualmente cerca de 430 usinas (UNICA, 2013):• Usinas de açúcar: 5% do setor• Destilarias Autônomas (somente álcool): 32% do setor• Usinas de açúcar e álcool: 63% do setor
O Destino dos resíduos no contexto de usinas de açúcar e álcool
•Palha: • Atualmente: queima no campo• Futuro: Lei nº 11.241 proíbe queima de palha• Potencial: Combustível para cogeração.
•Bagaço: •Atualmente: Sistema de cogeração; •Potencial: Produção de etanol, butanol e Metanol (rota bioquímica ou termoquímica).
•Vinhaça: •Atualmente: Fertirrigação•Potencial: Biodigestão (biogás); Propagação de leveduras.
14Figura 4. Diagrama simplificado do processo produtivo de leveduras a partir da vinhaça
Produção de leveduras Candida Utilis para alimento animal a partir da vinhaça residual
Vinhaça: meio de propagação de leveduras
15
ESTUDOS DE CASO
16
• 2 Grupos: GRUPO I – DESTILARIAS AUTÔNOMAS
Estudo de Caso Ia - Destilaria autônoma convencional com cogeração.
Todo o caldo extraído é utilizado para produção de Etanol.
Figura 5. Esquema geral do caso Ia.
17
Estudo de Caso Ib
Destilaria autônoma com produção de etanol de 2ª geração e cogeração utilizando palha e lignina
Todo o caldo extraído é utilizado para produção de Etanol. O bagaço excedente é utilizado na produção de Etanol de 2ª geração.
Figura 6. Esquema geral do Caso Ib.
18
Estudo de Caso Ic
Destilaria autônoma produzindo álcool de 1ª e 2ª geração, com utilização da vinhaça para produção de leveduras de alimentação animal e cogeração utilizando o bagaço, a palha e a lignina.
A vinhaça é utilizada para produzir leveduras para alimento animal na proporção 1t/65 m³ de vinhaça..
Figura 7. Esquema geral do Caso Ic.
19
GRUPO II – USINAS DE AÇÚCAR E ÁLCOOL COM DESTILARIA ANEXA
Estudo de Caso IIa - Planta convencional de açúcar e álcool com cogeração.
50% do caldo extraído é utilizado para produção de Etanol e 50% para a produção de açúcar.
Figura 8. Esquema geral do caso IIa.
20
Estudo de Caso IIb
Planta de açúcar e álcool de 1ª e 2ª geração utilizando o bagaço para produção de etanol e cogeração utilizando palha e lignina
50% do caldo extraído é utilizado para produção de Etanol e 50% para a produção de açúcar. O bagaço excedente é utilizado na produção de Etanol de 2ª geração.
Figura 9. Esquema geral do Caso IIb.
21
Estudo de Caso IIc
Usina de açúcar e álcool de 1ª e 2ª geração, com utilização da vinhaça para produção de leveduras de alimentação animal e cogeração utilizando o bagaço, a palha e a lignina.
Figura 10. Esquema geral do Caso IIc.
22
Cenários de Melhoria analisados nos casos base (Ia e IIa)
1. Redução do consumo específico de vapor nos processos
O consumo específico de vapor nos processos foi reduzido gradualmente em até 20%.
2. Incremento nos parâmetros de pressão e temperatura no sistema de cogeração
De acordo com a tabela 1, caracterizando os cenários C1 a C4
Cenário Parâmetros da Caldeira
Pressão (bar) Temperatura (°C)
C1 42 420
C2 65 490
C3 85 510
C4 120 530
Tabela 1. Parâmetros utilizados para simulação de cada cenário.
24
RESULTADOS
25
Gráfico 1. Bagaço excedente do caso Ia.
C1 C2 C3 C40%
5%
10%
15%
Destilaria Autônoma - Etanol de 1ª Geração
CenáriosB
ag
aç
o E
xc
ed
en
te
(t/h
)
Gráfico 2. Bagaço excedente do caso Ia, com adição de palha ao sistema de cogeração.
C1 C2 C3 C422%24%26%28%30%
Destilaria Autônoma - Etanol de 1ª Geração
Cenários
Ba
ga
ço
Ex
ce
de
nte
(t/
h)
26
Gráfico 3. bagaço excedente do caso II.
C1 C2 C3 C4
-6%
-4%
-2%
0%
2%
Usina com Destilaria Anexa - Caso II
CenáriosBa
ga
ço
Ex
ce
de
nte
(t
/h)
C1 C2 C3 C40%
5%
10%
15%
20%
Usina com Destilaria Anexa - Açúcar e Etanol de 1ª Geração
Cenários
Ba
ga
ço
Ex
ce
de
nte
(t/
h)
Gráfico 4. bagaço excedente do caso II com adição da palha ao sistema de cogeração.
27
Gráfico 5. Geração de eletricidade excedente do estudo de caso Ia, com adição de palha.
Gráfico 6. Geração de eletricidade excedente do estudo de caso IIa, com adição de palha.
380 361 342 323 30425.00
45.00
65.00
85.00
105.00
Destilaria Autônoma - Caso Ia
C1
C2
C3
C4
Consumo específico de vapor (kg/tc)G
era
çã
o d
e E
letr
icid
ad
e
Ex
ce
de
nte
(k
Wh
/tc
)
500 475 450 425 40025.00
45.00
65.00
85.00
105.00
Usina com Destilaria Anexa - Caso II
C1
C2
C3
C4
Consumo específico de vapor (kg/tc)
Ge
raç
ão
de
Ele
tric
ida
de
E
xc
ed
en
te (
kW
h/t
c)
28
Análise da produção de alimento animal a partir da vinhaça produzida.
Gráfico 7. Capacidade da planta de leveduras e consequente possibilidade de expansão do canavial
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1500%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
Capacidade de plantas de levedura de vinhaça (t/dia)
Ex
pa
ns
ão
do
ca
na
via
l (%
)
29
Análise da possibilidade de expansão do canavial devida à substituição de uma proporção maior de
levedura por capim
Gráfico 8. Taxa de substituição do capim por leveduras e consequente possibilidade de expansão do canavial
11.25
1.51.75
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Taxa de substituição
Ex
pa
ns
ão
do
ca
na
via
l ori
gin
al
30
Engenharia-de-Energ i a
Análise da quantidade de cabeças de gado alimentadas por ano com adição de leveduras
na dieta do gado
Gráfico 9. Cabeças de gado alimentadas em consequência da substituição de capim por levedura
50 60 70 80 90 1000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Tamanho de plantas de levedura de vinhaça (t/dia)
Ca
be
ça
s d
e g
ad
o a
lime
nta
da
s p
or
an
o
31
Engenharia-de-Energ i a
Tabela 3. Indicadores dos estudos de caso
RESULTADOS AGRUPADOS
Consumo específico de vapor [kg/tc]Iexc
[kWh/tc]n
[%]P
[GJ/ha]Etanol 2G
[l/h]L
[ha]
GRUPO I
Caso Ia 304 68,5 29,7 178,1
Caso Ib 337 83,9 35,0 209,9 8000
Caso Ic 384 82,2 34,8 208,8 8186 7.500
GRUPO II
Caso IIa 400 82,1 33,3 199,8
Caso IIb 465 82,3 34,7 207,4 3711
Caso IIc 507 76,8 35,5 213,0 4569 7.500
37,2% - Planta de Etanol 1G
62,8% - Planta de Cogeração
Exergia destruída - CASO Ia
56,45% Exergia destruída
38,57%Etanol 1G
4,98% Eletricidade Caso Ia
32
RESULTADOS - ANÁLISE EXERGÉTICA
Casos do grupo I
Figuras 11a, b e c- representações gráficas de exergia para o caso Ia.
33
Figuras 16a, b e c- representações gráficas de exergia para o caso IIc.
56,40% Exergia destruída
19,90%Açúcar
15,70%Etanol 1G
3,40% Etanol 2G3,40% Eletricidade
1,20% Leveduras
8,9% - Planta de Açúcar10,9% - Planta de
Etanol 1G
6,0% - Planta de Etanol 2G
5,5% - Planta de Lev-eduras
68,8% - Planta de Cogeração
Exergia destruída - CASO IIc
RESULTADOS - ANÁLISE EXERGÉTICACasos do Grupo II
34
Tabela 4. Resultados agrupados da análise exergética
n exergética
[%] Açúcar [%] Etanol [%] Eletricidade [%]Etanol 2G
[%] Leveduras [%]
GRUPO I
Caso Ia 43,6 - 38,6 5,0 - -
Caso Ib 40,9 - 32,0 4,4 4,5 -
Caso Ic 42,4 - 31,9 3,5 5,8 1,2
GRUPO II
Caso IIa 45,1 22,2 17,6 5,3 - -
Caso IIb 43,1 20,4 16,1 4,5 2,1 -
Caso IIc 43,6 19,9 15,7 3,4 3,4 1,2
Unused Section Space 1
Unused Section Space 2
Analise Termodinâmica da Produção de Biobutanol em uma Biorefinaria Brasileira
Introdução
Resultados Conclusões
MetodologiaCenários de Integração
36
Integração dos processos
Preparação, limpeza e extração de caldo
Sistema de cogeração
Cana-de-açúcar
Vapor
Bagaço 298 kg/tc
Tratamento
Fermentação
Hidrolise enzimática
Pré-tratamento
Destilação
Destilação
Fermentação
Concentração e esterilização
Desidratação
Caldo
Bioetanol Anidro 78 l/tc
Vinho
Mosto
Bioetanol Hidratado 83,1 l/tc
Biobutanol 17 l/tc Acetona 4,7 l/tc
Torta Lignina 176 kg/tc
Licor
H. Glicose
Hidrolisado de pentose 121 kg/tc
Palha 140 kg/tc
Caldo
Vinhaça 4,2 t/tc
193,7 kg/tc
98,7 kg/tc
140,3 kg/tc
103,3 kg/tc
347 kg/tc
40 kg/tc
29,7 kg/tcBioetanol Hidratado 1,2 l/tc
37
RESULTADOS
38
bioetanolbiobutanol
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
21.1 26.6
21.4
54.7
energia contida consumo de energia
MJ/
l
1,012,05
Consumo de energia renovável
39
Utilização da biomassa
Sistema de cogeração
25%50%
45%
55%
50%
75%62% Biobutanol 8% Filtros5% Start-up
Campo
Disposição
Bagaço 298 kg/tc
Palha 140 kg/tc
Torta de lignina 176 kg/tc
Análise Técnico-Econômica de Sistemas BIG-GTCC na Indústria Sucroalcooleira
Estudos de caso - Sistemas BIG-GTCC Modelados
Estudos de caso• Caso 1
– Destilaria autônoma com 380 kg vapor/ton cana;• Caso 2
– Destilaria autônoma com 380 kg vapor/ton cana;– Planta de etanol celulósico 686 kg vapor / ton bagaço;
• Caso 3– Destilaria anexa com 420 kg vapor / ton cana;
• Caso 4– Destilaria anexa com 420 kg vapor/ton cana;– Planta de etanol celulósico 686 kg vapor / ton bagaço;
Análise termodinâmica
• Balanços de massa e energia• Cálculo de indicadores de desempenho de
primeira lei• Balanço de exergia• Cálculo de indicadores de desempenho de
segunda lei
46
RESULTADOS
Quadro resumo
Caso
em
estudo
Produção
de etanol
[litros/h]
Produção
de açúcar
[ton/h]
Eletricidade
excedente
[MW]
Índice de
eletricidade
excedente
(Ie. exec)
[kWh/ton
cana]
Função de
produtividade
(ϧ) [%]
Eficiência
exergétic
a [%]
Caso 1 42.500 - 46,32 92,62 46,31 48%
Caso 2 48.716 - 33,26 66,52 50,28 52%
Caso 3 22.500 33,5 44,53 89,06 47,63 52%
Caso 4 28.716 33,5 31,51 63,02 51,62 57%