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%

obrigadojocescobar@gmail.com