BIOCOMBUSTÍVEIS DE SEGUNDA GERAÇÃO – COMBUSTÍVEIS

Transcrição

Capítulo 7
BIOCOMBUSTÍVEIS DE SEGUNDA
GERAÇÃO – COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
PELA ROTA BTL
Maria Luiza Grillo Renó
Electo Eduardo Silva Lora
Osvaldo José Venturini
ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA
500 BIOCOMBUSTÍVEIS
7.1 INTRODUÇÃO
O termo BTL (Biomass to Liquid) é aplicado para combustíveis sintéticos, produzidos a partir de
biomassas, utilizando-se uma rota termoquímica. O objetivo é produzir substâncias líquidas com propriedades semelhantes a dos combustíveis fósseis.
Estima-se que anualmente mais de 4 m3 de combustíveis BTL podem ser produzidos por hectare de
terra. Se no futuro entre 4 e 6 milhões de hectares de terra forem utilizados para o cultivo de espécies com
alto teor de fibras (matérias-primas lignocelulósicas), poder-se-ia substituir de 20 a 25% dos combustíveis
fósseis atualmente consumidos no setor de transporte (Biofuelstp, 2007).
Quanto à obtenção, os combustíveis BTL podem ser produzidos a partir de vários tipos de biomassa
e seus resíduos, tais como palha, desbastes florestais, bagaço, resíduos de papel ou madeira e compósitos de
fibra. Atualmente, trabalha-se o desenvolvimento tecnológico para produzir combustível a partir da gaseificação da biomassa, e os principais combustíveis obtidos por esta rota, chamada de termoquímica, são: metanol, dimetil éter (DME) e outros hidrocarbonetos, estes últimos obtidos pelo processo Fisher-Tropsch (FT).
A vantagem dos combustíveis BTL é a oportunidade de tornar o setor de transportes mais independente das fontes energéticas fósseis e, a médio e longo prazos, suprir a demanda do mesmo. Outra
vantagem é o potencial destes combustíveis em reduzir as emissões de dióxido de carbono, a qual deverá
chegar a mais de 90%, em relação aos combustíveis fósseis (DENA, 2007).
7.2 Combustíveis Obtidos a Partir do Gás de Síntese
7.2.1 Metanol
O metanol (CH3OH) pode ser utilizado como combustível para os meios de transportes devido ao
seu alto número de octanos e baixo número de cetanos, além de ter a vantagem de conter oxigênio em sua
composição, melhorando a sua combustão e reduzindo a emissão de poluentes atmosféricos (Kavalov
e Peteves, 2005).
O metanol pode ser obtido a partir do gás de síntese produzido durante a gaseificação da biomassa.
O processo convencional de fabricação do metanol a partir da gaseificação é realizado em reatores de
leito fixo, na presença de catalisadores. Os processos em desenvolvimento são os de tecnologia de lama
(slurry), que apresenta uma alta taxa de conversão. Um exemplo disto é o processo de fase líquida, no
qual os reagentes H2 e CO, o produto (metanol) e o catalisador estão suspensos num líquido. A taxa de
transferência de calor entre o catalisador sólido e a fase líquida é muito alta, e assim não há necessidade
de recirculação de gás, ao contrário dos reatores convencionais de metanol (Thuijl et alii, 2003).
7.2.1.1 Processo de produção do metanol via gaseificação da biomassa
Atualmente existem várias rotas comerciais para a produção de metanol, bem como estão em desenvolvimento tecnologias avançadas para a sua produção. De acordo com Cifre e Badr (2007) o processo
de produção do metanol segue os seguintes passos:
– Pré-tratamento da matéria-prima: As fontes de biomassas mais apropriadas para esta aplicação
são madeira e resíduos de madeira. A preparação da matéria-prima depende das características da biomassa e do gaseificador, normalmente inclui a redução granulométrica da biomassa e a sua secagem.
CAPÍTULO 7 § BIOCOMBUSTÍVEIS DE SEGUNDA GERAÇÃO – COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS PELA ROTA BTL 501
– Gaseificação da biomassa: A seleção e o projeto de qualquer sistema de gaseificação de biomassa são determinados, principalmente, pelas características da matéria-prima, legislação ambiental vigente,
custos e desempenho do equipamento avaliado, como também pela capacidade necessária.
– Tratamento de gás de síntese: O gás produzido na gaseificação contém alcatrão, partículas
sólidas, álcalis, poeira, compostos de enxofre e cloro, os quais podem corroer o equipamento e também
bloquear ou corromper a ação dos catalisadores.
O gás pode ser limpo usando tecnologias convencionais, como resfriamento, filtração em baixa
temperatura, e lavadores utilizando água a 100-250°C. Outra possibilidade é a limpeza do gás a quente,
usando filtros de cerâmicas e diversos reagentes operando a 350-800°C.
– Reforma dos hidrocarbonetos: Na presença de catalisadores (níquel) e sob altas temperaturas
(830 a 1 000°C), o metano, alcatrão e outros hidrocarbonetos são reformados até CO e H2.
As reações apresentadas na equação 7.1, que representam o processo de reforma dos hidrocarbonetos, são consideradas altamente endotérmicas e catalíticas (catalisador de níquel).
CH4 + H2O
CO + 3H2
C2H4 + 2H2O
2CO + 4H2(7.1)
C2H6 + 2H2O
2CO + 5H2
A reforma é favorecida em baixas pressões, mas elevadas pressões beneficiam economicamente
(equipamentos menores). Reformadores típicos operam entre 1,0 e 3,5 MPa, com uma temperatura entre
830°C e 1 000°C (Katofsky, 1993).
– Ajuste H2/CO: O ajuste da relação H2/CO é feito através da reação química do CO com H2O,
conforme mostrado na equação 7.2. Em experimentos laboratoriais tem-se alcançado bons resultados na
síntese de metanol para uma relação H2/CO pouco maior que 2 (MAIYA et alii, 2000).
CO + H2O
CO2 + H2(7.2)
– Síntese do metanol: Ouellette et alii (1995) utilizaram o Reator Lurgi Metanol para a conversão
do gás de síntese reformado. O processo Lurgi Metanol produz metanol por conversão catalítica do gás
de síntese em baixas pressões na fase gasosa. As principais vantagens desta tecnologia são:
– Baixos investimentos e custos de produção.
– Melhor confiabilidade operacional e maior flexibilidade na escolha do tamanho da planta.
– Não gera subprodutos, logo não há impacto ambiental.
– Alta eficiência energética.
Quanto às desvantagens, para esta tecnologia, têm-se:
– A conversão a metanol é limitada pelas condições de equilíbrio.
– Comprometimento do desempenho dos catalisadores em condições de altas temperaturas.
– Somente uma parte do CO é convertida a metanol, devido à baixa temperatura que opera o catalisador.
O metanol é produzido pela hidrogenação dos óxidos de carbono na presença de catalisadores baseados em óxido de cobre, óxido de zinco, ou óxido de cromo, conforme as equações 7.3:
CO + 2H2
CO2 + 3H2
CH3OH(7.3)
CH3OH + H2O
A primeira reação é a síntese do metanol primário. Uma pequena quantidade de CO2 na alimentação (2-10%) age como um promotor da reação secundária e ajuda a manter a atividade catalítica. A
estequiometria de ambas as reações é satisfeita quando o coeficiente R (equação 7.4) apresenta um
mínimo de 2,03.
H2 – CO2
R = ____________(7.4)
CO + CO2
As reações de síntese do metanol são exotérmicas e levam a uma diminuição líquida no volume
molar. Portanto, o equilíbrio é favorecido pela alta pressão e baixa temperatura. O calor liberado deve ser
removido para manter a catálise e a taxa de reação.
Convencionalmente, o metanol é produzido num sistema de duas fases: os reagentes e os produtos
formam a fase gasosa e os catalisadores a fase sólida. A produção de metanol sintético começou em 1923
na planta alemã BASF’s Leuna, em um processo requeria alta pressão (250-350 atm) e possuia baixa
atividade catalítica. Entre 1960 e 1970 catalisadores mais ativos foram desenvolvidos (Cu/Zn/Al), permitindo uma eficiência energética elevada e melhor relação custo–benefício (Hamelink e Faaij, 2001).
– Destilação: Depois do resfriamento e da separação das impurezas do gás, o metanol cru é processado numa unidade de destilação para alcançar a qualidade requerida.
A figura 7.1 apresenta um resumo das principais etapas para a produção do metanol a partir da biomassa.
Figura 7.1 Principais etapas para o processo de produção de metanol a partir da biomassa.
7.2.1.2 Propriedades do metanol produzido via gaseificação da biomassa
O metanol pode ser utilizado em quase todos os tipos de veículos, puro ou misturado com hidrocarbonetos. Porém, o metanol tem baixo número de cetano (5 comparado a 50 para o diesel fóssil), isto
indica uma qualidade inferior de ignição. Entretanto, o metanol tem uma alta taxa de octano, e sua aplicação como substituto dos combustíveis derivados do petróleo em motores alternativos de ignição por
centelha é preferível. Na tabela 7.1 estão resumidas as principais propriedades do metanol, comparadas
com às da gasolina.
Tabela 7.1 Propriedades do combustível metanol em relação à gasolina (IEA, 1996)
Propriedades do combustível
Metanol
Gasolina
Fórmula química
CH3OH
C8H15
Peso molecular (kg/kmol)
32
111
Número de octanos
110
97
Número de cetanos
5
8
Pressão de vaporização [kPa] a 15°C
31,7
75
Densidade [kg/l] a 15°C
0,79
0,75
Poder calorífico inferior [MJ/kg] a 15ºC
15,6
31
Poder calorífico superior [MJ/l] a 15°C
19,8
41,3
Relação estequiométrica ar/combustível [kg-ar/kg-comb]
6,5
14,7
Temperatura de ebulição [°C]
65
30-190
O número maior de octanos no metanol, em relação à gasolina, pode acarretar em uma maior eficiência, se a taxa de compressão no motor for adequadamente ajustada. Entretanto, o poder calorífico
do metanol é inferior ao da gasolina. Além disso, esta tem uma relação estequiométrica ar/combustível
(A/C) maior que a do metanol, logo precisa de mais oxigênio para realizar a combustão, e a eficiência
decresce com o aumento da razão A/C (Thuijl et alii, 2003).
7.2.2 Combustíveis líquidos via Fischer-Tropsch (FT)
A síntese Fischer-Tropsch foi descoberta em 1923 pelos cientistas alemães F. Fischer e H. Tropsch
no Kaiser Wilhelm Institute for Coal Research, em Mülheim, Alemanha.
Historicamente, o processo Fischer-Tropsch vem sendo utilizado para produzir combustíveis sintéticos como uma alternativa aos combustíveis fósseis. Atualmente, o processo FT tem recebido mais atenção devido à possibilidade de produção de hidrocarbonetos “ultralimpos”, pois a natureza do processo
de síntese gera produtos livres de enxofre e compostos aromáticos.
Embora a síntese de Fischer-Tropsch seja conhecida há mais de 80 anos, seu mecanismo de reação
ainda não é inteiramente compreendido. Alguns mecanismos são propostos na literatura, sendo o de carbeno, de hidroxicarbeno e de inserção de CO, os mais citados. Assim, os mesmos são descritos a seguir
(DIJK, 2001):
I) Mecanismo de Carbeno
O mecanismo de Carbeno caracteriza-se pela formação de carbono adsorvido e livre de oxigênio,
através da hidrogenação do carbono superficial, após a dissociação do CO adsorvido.
Há vários estudos que sustentam o mecanismo de carbeno, sendo considerado como um dos
mecanismos Fischer-Tropsch mais prováveis. Nestes estudos incluem-se os realizados por Winslow e
Bell (1984).
II) Mecanismo de Hidroxicarbeno
No mecanismo hidroxicarbeno ocorre um crescimento da cadeia através de uma reação de condensação de duas espécies hidroxicarbeno (CHOH) adsorvidas. Os hidroxicarbenos são formados pela
hidrogenação parcial do CO adsorvido. Neste mecanismo formam-se álcoois por hidrogenação, aldeídos
através da dessorção, e hidrocarbonetos via eliminação do grupo OH.
III) Mecanismo de inserção de CO
No mecanismo de inserção de CO a cadeia cresce através da inserção de um grupo carbonil (CO
adsorvido) na ligação metal–alquila (radical orgânico monovalente de fórmula geral – CnH2n+1). Para que
a reação de acoplamento de C-C ocorra, as espécies resultantes são primeiramente hidrogenadas a uma
cadeia alquila. Álcoois, aldeídos e hidrocarbonetos são formados neste mecanismo. A figura 7.2 ilustra os
mecanismos I, II e III:
Figura 7.2 Representação esquemática de três mecanismos básicos propostos para descrever a reação de FischerTropsch. Reproduzida com permissão de Dijk (2001). The fischer-tropsch synthesis: a mechanistic study using
transient isotopic tracing.
7.2.2.1 Conversão do gás de síntese em hidrocarbonetos
O gás de síntese, obtido da gaseificação da biomassa, é convertido em hidrocarbonetos através do
processo Fischer-Tropsch, o qual pode ser realizado em baixas ou altas temperaturas. O processo em baixas temperaturas, costuma ser empregado na produção de ceras, que após a etapa de hidroprocessamento
são convertidas em nafta ou óleo diesel. Já o processo em altas temperaturas, é utilizado na produção de
gasolina e alfa-olefinas (Wakatsuki et alii, 2001).
A química básica da síntese de Fischer-Tropsch pode ser descrita pelas seguintes equações, adaptadas de Bartholomew e Farrauto (2005) e esquematizadas na figura 7.3.
CO + 3H2
nCO + 2nH2
CO + H2O
2CO
CH4 + H2O
DH298 = –247 Kj/mol
CnH2n + nH2O
CO2 + H2
C + CO2
(7.5)
(7.6)
DH298 = –41 kJ/mol
(7.7)
DH298 = 172 hJ/mol
(7.8)
A reação 7.5 corresponde à metanação, a 7.6 à produção de hidrocarbonetos mais pesados que o
metano, a 7.7 à reação de troca água–gás (water gas shift – WGS) e a 7.8 à reação Boudouard. A reação de
metanação e a reação Boudouard são indesejáveis, enquanto a reação 7.6 é desejável, sendo esta a reação
dominante quando se aplica um catalisador composto de cobalto.
Figura 7.3 Síntese Fischer-Tropsch. Reproduzida de Tijmensen et alii (2002). Exploration of the possibilities for
production of Fischer-Tropsch liquids and power via biomass gasification.
Quando se utiliza um catalisador-base Fe, a reação 7.7 ocorre rapidamente. O ferro catalisa apenas a
reação 7.7 e, consequentemente, permite a operação em baixas temperaturas (OPDAL, 2006).
A reação 7.7 é a reação de construção da cadeia de hidrocarbonetos, mostrada esquematicamente
na figura 7.4:
Figura 7.4 Formação de hidrocarbonetos pesados na síntese Fischer-Tropsch (adaptada de Steynberg e
Mark, 2004).
A formação de hidrocarbonetos pesados ocorre através da dissociação do monóxido de carbono.
Em cada estágio do processo de crescimento as espécies superficiais (primeiramente, o carbono superficial) têm a opção de dessorção para produzirem um alcano, serem hidrogenadas, ou continuarem o
crescimento da rede através da adição de outro CH2 (DRY, 2001).
Devido à reação de conversão ser extremamente exotérmica, várias pesquisas têm sido realizadas
com o objetivo de desenvolver novas configurações dos equipamentos, permitindo um melhor aproveitamento energético. Além de desativar os catalisadores, as altas temperaturas provocam a formação
de fuligem, que se deposita na superfície de troca de calor dos reatores, com perdas de produtividade
(LAAN, 1999).
O hidroprocessamento, terceira etapa do processo de conversão, é utilizado para o tratamento da
cera produzida no processo FT a baixas temperaturas. A cera é composta basicamente de parafinas lineares e pequenas quantidades de olefinas e oxigenados. A hidrogenação das olefinas e dos compostos
oxigenados, além do hidrocraqueamento da cera, pode produzir nafta e óleo diesel (VOSLOO, 2001). A
tabela 7.2 resume os principais produtos obtidos na síntese FT.
Tabela 7.2 Principais produtos obtidos na síntese Fischer-Tropsch (Boerrigter et alii, 2002)
Produtos
Fórmula
Hidrocarbonetos
C1-C2
LPG
C3-C4
Nafta
C5-C11
Diesel
C9-C20
Cera
> C20
A composição de cada produto obtido no processo FT depende da pressão, temperatura, catalisador
e tipo de reator. As condições típicas para produzir produtos de cadeias grandes de carbono (ceras) são
temperaturas de 200-250°C e pressão de 25-60 bar. Se o processo é operado em altas temperaturas são
produzidos hidrocarbonetos mais leves, que podem ser refinados a óleo, diesel e solventes.
Entre as principais vantagens da síntese FT, pode-se citar:
– Alta taxa de transferência de calor durante a síntese FT.
– Alta taxa de conversão de gás de síntese a hidrocarbonetos FT (aproximadamente 70%).
– O processo FT apresenta uma alta eficiência energética, quando se apresenta num ciclo combinado (Zwart e Boerrigter, 2005).
Quanto às desvantagens destacam-se:
– Na fase do hidrocraqueamento, os catalisadores de cobalto têm seu desempenho prejudicado
(Belmonte e Calemna, 2006).
– Se o catalisador for exposto a altas temperaturas, pode-se formar carbono na sua superfície, prejudicando assim a integridade estrutural do catalisador (VOSLOO, 2001).
7.2.2.2 Reatores Fischer-Tropsch
Duas classes de reatores são utilizadas para a síntese FT: leito fixo multitubular e reatores de leito
fluidizado (incluindo o reator em lama). O reator de leito fixo multitubular (figura 7.5) consiste em milhares de tubos de pequeno diâmetro com água circulante ao redor (DRY, 2001).
Os reatores de leito fluidizado contêm serpentinas de resfriamento imersas no leito e são excelentes
sistemas de troca de calor. Estes reatores podem ser subdivididos em três principais tipos: o reator de
duas fases de leito fluidizado circulante, o reator de duas fases de leito borbulhante e o reator de três fases
em lama. Para baixas temperaturas (200-240°C) é mais comum o uso dos reatores em lama e de leito fixo
multitubular. Em altas temperaturas (300-370°C) os reatores de leito fluidizado são os mais indicados
(OPDAL, 2006).
Para a escolha do reator é importante considerar as suas dimensões, os custos de capital e operacional, a eficiência térmica, a forma de remoção de calor, a flexibilidade das condições de operação e a
qualidade do produto (figura 7.6).
Figura 7.5 Reator Fischer-Tropsch de Leito Fixo Multitubular (adaptada de Opdal, 2006).
Figura 7.6 Tipos de reatores (adaptada de Opdal, 2006).
Além dos reatores mencionados anteriormente destacam-se ainda os microrreatores que são aqueles
cujas dimensões são menores (diâmetro de aproximadamente de 0,6 m) comparadas aos reatores convencionais. A principal vantagem destes reatores é a possibilidade de redução do custo do processo, além de
apresentar altas taxas de reação.
Outra característica destes reatores é sua alta eficiência de conversão (70% por ciclo), ao contrário
dos demais reatores que alcançam uma eficiência de conversão de 50% por ciclo. Além disso, os
microrreatores podem alcançar altas taxas de produtividade, em torno de 12 barris por dia de produtos de
FT por tonelada de massa do reator. A alta taxa de produtividade também pode ser alcançada aplicando
catalisadores com alto nível de atividade, entre os quais se destaca o cobalto (Atkinson, 2010).
Desta forma, com os progressos que vêm sendo realizados na manufatura de reatores de menores
dimensões e catalisadores de alta atividade para serem aplicados no processo FT, pode tornar este tipo de
combustível viável economicamente e ambientalmente.
7.2.2.3 Propriedades do diesel obtido no processo FT
O diesel Fischer-Tropsch é um combustível de alta qualidade com características adequadas para
aplicações em motores a diesel. As suas características principais, comparadas ao diesel fóssil, estão listadas na tabela 7.3.
Tabela 7.3 Propriedades do combustível diesel FT em relação ao petróleo (IEA, 1996), (FANICK, 2001)
FT diesel
Diesel fóssil
Fórmula química
Parafinas
C12H26
Número de cetanos
>74
50
0,78
0,84
34,3
35,7
Quantidade de oxigênio [% em massa]
~0
0-0,6
Viscosidade cinemática [mm2/s] a 20°C
3,57
4
Temperatura de ebulição [°C]
72
77
O diesel FT apresenta algumas características mais favoráveis para a sua utilização em motores que o
diesel fóssil. A primeira delas é o maior número de cetano, o que indica uma melhor qualidade da autoignição. Outra vantagem é possuir uma quantidade muito baixa de aromáticos e compostos de nitrogênio, tornando o processo de combustão mais limpo. Além destas características, o diesel FT não apresenta enxofre
em sua composição, logo não emite dióxido de enxofre (SO2) durante a combustão (MAY et alii, 2001).
7.2.3 Dimetil éter (DME)
O dimetil éter é um combustível sintético desenvolvido em meados dos anos 1990, e cuja utilização
atualmente encontra-se em estágio experimental. Semelhante ao GLP (Gás Liquefeito de Petróleo), o DME
é gasoso em condições ambientais, mas liquefeito em pressões moderadas (5-8 bar), logo o DME pode ser
misturado com o GLP, em concentrações de 10 a 20% (Fleisch, 2002a). O DME também pode aproveitar a infraestrutura existente do GLP, o que seria um fator importante para sua introdução no mercado.
O DME tem um alto número de cetano e queima de forma mais limpa comparado ao óleo diesel
fóssil. Por outro lado, o DME possui cerca da metade do poder calorífico do óleo diesel fóssil, causando
um aumento do consumo de combustível, levando à necessidade de um tanque de combustível duas vezes maior em um veículo, para se manter a mesma autonomia (OHNO, 2001).
7.2.3.1 Processo de produção do DME via gaseificação da biomassa
Originalmente o DME era produzido através da desidratação do metanol (equação 7.9), mas recentemente foram desenvolvidos processos de produção de DME a partir do gás de síntese (equação 7.10)
(KAVALOV e PETEVES, 2005):
2CH3OH
CO + 2H2
CO2 + 3H2
CH3OCH3 + H2O(7.9)
CH3OH(7.10)
CH3OH + H2O
CO + H2O
H2+ CO2
2CH3OH
CH3OCH3 + H2O
A obtenção do DME a partir do gás de síntese é mais eficiente, pois envolve apenas um processo ao
invés de dois (síntese do metanol e desidratação do metanol). A síntese do metanol diretamente do gás de
síntese requer pressões de 60-70 bar e temperaturas de 210-300°C, a reação é altamente exotérmica, gerando
vapor a aproximadamente 40 bar (EKBOM et alii, 2003). A figura 7.7 apresenta um diagrama da obtenção
do DME diretamente do gás de síntese e a partir do metanol, tendo como matéria-prima, a biomassa.
Figura 7.7 Duas rotas para a obtenção do DME.
A figura 7.8 mostra um reator em lama (sistema de três fases), onde ocorre a conversão do gás de
síntese em DME, com a formação de bolhas. O calor liberado durante as reações é rapidamente absorvido pelo solvente que contém partículas finas de catalisadores. Neste tipo de reator a eficiência da conversão do gás de síntese em DME é alta (OHNO, 2001).
Figura 7.8 Reator em lama para síntese do DME. Reproduzida com permissão de Ohno (2001). A new DME
production technology and operation results.
As principais vantagens do processo de produção de DME via gaseificação da biomassa são (OHNO,
2001):
– Alta conversão de gás de síntese ao DME, maior que 50%.
– O DME produzido apresenta um alto poder calorífico (59 356 kJ/Nm3).
– A conversão direta de gás de síntese ao DME permite uma produção em grande escala, com um
baixo custo.
Já entre as desvantagens, destacam-se:
– Necessidade de haver um controle sobre a temperatura durante a síntese do DME, pois as reações
são extremamente exotérmicas.
– A produção de DME a partir de gás de síntese de biomassa precisa de desenvolvimento tecnológico, principalmente no que se refere à limpeza dos gases (STEM, 2002).
7.2.3.2 Propriedades do DME obtido a partir da biomassa
O DME é apropriado como combustível para motores a diesel devido a sua baixa temperatura de
ignição e número de cetano. A tabela 7.4 apresenta as principais propriedades do DME, comparadas ao
do diesel fóssil.
Tabela 7.4 Principais propriedades do DME comparado ao diesel fóssil (IEA, 1996)
DME
Diesel fóssil
Fórmula química
CH3OCH3
C12H26
Peso molecular [kg/kmol]
46
170-200
Número de cetanos
55-60
50
0,67 (20°C)
0,84
18,8
35,7
Ponto de ignição [°C]
235
250
7.2.4 Novos desenvolvimentos em tecnologias BTL
Existem também estudos recentes que propõem a produção de etanol a partir de material lignocelulósico pela rota da gaseificação (Martín e Grossmann, 2010). O processo consiste de três
diferentes etapas. Primeiro a biomassa é picada, seu tamanho é reduzido pela moagem e depois é seca e
comprimida. Posteriormente, é submetida a uma gaseificação pressurizada com vapor e oxigênio. O gás
resultante é submetido a um processo de limpeza: remoção de sólidos como também de outros componentes como os hidrocarbonetos, NH3, CO2 ou H2S, que são removidos parcialmente usando a reforma
a vapor, já os sólidos podem ser retirados em filtros cerâmicos.
Os últimos traços de hidrocarbonetos são retirados pelo processo PSA (Pressure Swing Adsorption)
que tem um leito de sílica-gel e trabalha à baixa temperatura.
Após a limpeza do gás, o etanol é produzido em um leito catalítico base ródio ou cobre, de maneira
semelhante à produção do metanol. Os hidrocarbonetos de cadeia longa e os gases que não sofreram reação,
retornam ao sistema na seção de síntese.
Outra rota também baseada nos estudos de Martín e Grossmann (2010) propõe a rota de produção de etanol pela fermentação do gás de síntese. Como no processo anterior descrito a matéria-prima
lignocelulósica sofre um pré-tratamento e o gás de síntese passa pelas etapas de limpeza para remoção
de sólidos e hidrocarbonetos. A relação CO/H2 do gás de síntese é ajustada para 1/1 antes de entrar no
reator, pois esta é a relação ideal para a síntese do etanol. A bactéria usada para fermentação do gás de
síntese é a Z. Mobilis, e a fermentação ocorre no tanque do reator em água. Antes da fermentação do gás
de síntese é preciso remover o CO2.
7.3 Custos e Desempenho do Processo de Produção do Metanol,
Combustíveis FT, DME via Gaseificação da Biomassa
7.3.1 Metanol
Os custos para a gaseificação da biomassa e posterior síntese do metanol dependem dos custos de
investimentos e operacionais, incluindo os custos da biomassa. Uma planta de metanol, com capacidade
térmica de 400 MW de biomassa, tem seu custo específico estimado em 1 092 US$/kW, a eficiência nessa
planta está em torno de 50-55%. Para plantas maiores, por exemplo, 1.000 MW, a eficiência fica em torno
de 60-65%. Os custos de investimentos para o processo de produção do metanol em fase líquida são
5-23% menores em relação ao processo de fase gasosa (Faaij e Hamelinck, 2001).
O total de biomassa (madeira) consumida está em torno de 153 000 kg/h + um adicional de 23 625
kg/h ou 33 750 kg/h, dependendo do modo de combinação entre as unidades de produção de calor e
potência. Logo, o total de biomassa consumida é igual a 177-187 ton/h. Os resultados do balanço de
energia e produção de metanol estão na tabela 7.6.
A energia consumida no aquecimento da água e produzida pelas várias unidades (resfriamento do
gás, aproveitamento em caldeiras, etc.) foi calculada, e está apresentada na tabela 7.5:
Tabela 7.5 Energia consumida e produzida na obtenção do metanol (Ecotraffic R&D AB, 1997)
Calor consumido
Calor produzido
Calor disponível
MW
28,8
84,4
56,4
A eficiência líquida da produção do metanol foi calculada através de balanço de potência e vapor.
Esta eficiência pode ser mostrada em um diagrama de Sankey (figura 7.9).
Tabela 7.6 Resumo dos balanços de massa e energia, e rendimento do metanol (Ecotraffic R&D AB, 1997)
Consumo de madeira [ton/h]
177-187
Entrada
[MW]
Alimentação de biomassa (LHV)
408
Biomassa adicional (LHV)
63-90
Total
471-498
Saída
[MW]
Metanol
231
Calor
56-105
Perdas
162-184
Total
471-498
Rendimento bruto do metanol
57%
Rendimento líquido do metanol
46-49%
Rendimento total de energia
61-67%
Figura 7.9 Diagrama de Sankey para a eficiência da produção do metanol. Reproduzida com permissão de Ecotraffic
R&D AB (1997). Feasibility phase project for biomass-derived alcohols for automotive and industrial uses altener.
A eficiência energética da produção do metanol através da biomassa depende de dois principais
fatores:
– Etapas adicionais (limpeza, condicionamento e compressão dos gases).
– Quanto maior a capacidade da planta, maior a eficiência energética.
Quanto aos custos de produção, a tabela 7.7 apresenta os principais custos específicos envolvidos na
produção de metanol a partir da madeira:
Tabela 7.7 Principais custos envolvidos na produção do metanol (Howard e Olszak, 2004)
Custos da produção do metanol
Custo da matéria-prima ($/ton metanol)
426
Custo operacional ($/ton metanol)
257
Encargos ($/ton metanol)
344
Custo total ($/ton metanol)
1 027
7.3.2 Combustíveis FT
Em Boerrigter (2006) são mostrados os resultados dos cálculos dos custos de produção para diferentes capacidades de plantas FT (figura 7.10). Observa-se que quanto menor a capacidade térmica da
planta, maior o custo de produção do combustível FT. Além disso, nestas plantas, o processo de conversão é o de maior custo, ao contrário do que ocorre para as plantas de grande capacidade, os custos
maiores correspondem à compra da biomassa.
Figura 7.10 Custos de produção de combustível obtido pelo processo Fischer-Tropsch. Reproduzida com permissão
de Drift (2006). Economy of biomass-to-liquids (BTL) plants.
Na figura 7.11, que apresenta a distribuição por itens dos recursos financeiros investidos numa
planta operando a 150 MW, nota-se que os maiores custos correspondem ao gaseificador e ao reator FT.
Quanto ao balanço energético, em Boerrigter (2006) apresenta-se relação entre o valor energético da
biomassa que entra como combustível (no caso, a madeira) e o valor energético do produto obtido pelo
processo Fischer-Tropsch, conforme mostra na tabela 7.8:
Figura 7.11 Distribuição por itens dos custos investidos numa planta FT de 150 MWt (adaptada de Framtidsbränslen,
2005).
Tabela 7.8 Energia na biomassa e no combustível líquido FT (Boerrigter, 2006)
Parâmetro
Unidade
Valor
Input de energia com a biomassa
MWt
200
Energia no gás de sintese
MWt
160
Output de energia no produto FT
MWt
115
Eficiência térmica
–
0,576
A eficiência energética, para diferentes plantas, varia significativamente em função da tecnologia empregada, como pode ser visto na tabela 7.9. A fração em massa do combustível FT para as diferentes tecnologias fica em torno de 0,20-0,25 kg de combustível por kg de biomassa (madeira) (Fürnsinn, 2007).
Tabela 7.9 Eficiências energéticas para diferentes tecnologias FT (Andrews, 2007)
Tecnologias
Eficiência energética
(%)
Sasol FT
27
Shell FT
54
Oryx FT
52
Choren FT
42
Outro exemplo de tecnologia FT é o processo denominado Bioliq, apresentado em Henrich (2007),
que consiste na obtenção de combustível FT a partir da gaseificação da biomassa lignocelulósica previamente pirolisada.
Na primeira etapa deste processo (pirólise rápida) ocorre a decomposição térmica da biomassa, na
ausência de ar, produzindo gases, líquidos, carbono fixo e cinzas. O produto obtido depende do modo
de operação. Uma pirólise rápida em temperaturas moderadas (500°C) e um tempo de residência curto,
em torno de 1 segundo, são ótimos para produzir uma grande quantidade de produtos líquidos (mais de
50% da massa inicial da biomassa).
Na segunda etapa, o carbono fixo, alcatrão, cinzas e condensados são misturados para formar uma
pasta suspensa, desta forma o armazenamento e o transporte, até o processo de gaseificação, são realizados com um menor custo.
A etapa de gaseificação foi realizada na Siemens Fuel Gasification Technology, num gaseificador
piloto de fluxo arrastado de 3-5 MW de potência térmica, com uma pressão de operação de 26 bar. A
produção de gás de síntese neste gaseificador está em torno de 870 Nm3/h. A grande vantagem deste
gaseificador é a geração de um gás de síntese livre de alcatrão.
As etapas seguintes são a limpeza do gás de síntese e a síntese FT, sendo que durante a mesma foi
constatado que cerca de metade da matéria-prima é convertida em produtos FT, e cerca de 80% destes
podem ser convertidos em diesel e gasolina “ultralimpos”.
A figura 7.12 resume o processo Bioliq através de um fluxo energético.
Figura 7.12 Fluxo energético da produção do combustível líquido FT. Reproduzida com permissão de Dinjus. The
status of the FZK concept of biomass gasification.
A figura 7.12 mostra que somente metade da energia inicial da biomassa pode ser convertida em
produtos FT, e cerca de 80% destes produtos são convertidos a diesel “ultralimpo” e gasolina.
Quanto aos custos do processo Bioliq, a tabela 7.10, apresenta os principais dados:
Os custos de produção são considerados elevados devido à alta demanda energética (biomassa) e
muitas reações químicas exotérmicas sucessivas que geram uma baixa eficiência de conversão térmica
(Henrich, 2007).
Tabela 7.10 Principais custos de produção do combustível FT pelo processo Bioliq (Henrich, 2007)
Principais custos de produção
US$/ton
Custo de transporte
154
Oxigênio
84
Gaseificação e síntese FT
195
O custo de produção do DME para uma planta de escala comercial com uma capacidade de 200 000
toneladas por ano está em torno de 415 US$/ton DME. A seguir, na tabela 7.11, são detalhados os principais custos de produção do DME para este tipo de planta, segundo STEM (2002).
Tabela 7.11 Custo de produção do DME via gaseificação da biomassa (STEM, 2002)
Custos de produção
106 US$
Processamento do DME
Preparação do combustível (incluindo secagem)
57,7
Gaseificação
49,14
Resfriamento do gás, limpeza
28,8
Síntese DME e purificação
74,5
Utilitários
Caldeira, planta de vapor e água
21,9
Controle elétrico e de processo
13,5
Edifícios e construções civis
8,42
Proteção contra incêndios
3,43
Outros custos de investimentos
Engenharia, projeto, licenças
50,8
Contingências
67,8
Quanto ao desempenho do processo, em Larson et alii (2006), efetuou-se o cálculo da eficiência e
do balanço energético para o caso da produção de DME a partir da biomassa, licor negro e óleo combustível, para um sistema que inclui um gaseificador de biomassa, um resfriador de gás de síntese, com a
possibilidade de recirculação deste gás. Os dados do balanço energético e de massa estão na tabela 7.12 e
os da eficiência energética na tabela 7.13:
Tabela 7.12 Balanço de massa e energia para produção do DME (LARSON et alii, 2006)
Parâmetro
Unidade
Valor
kg/s
35,6
MWt PCI
350,7
kg/s
30,7
MWt PCI
249,6
MWt PCI
35,9
kg/s
32,6
PCI
7,0
MWt PCI
226,5
kg/s
7,0
MWt PCI
33,5
kg/s
5,92
MWt PCI
168,0
Entradas
Licor negro
Resíduos de madeira
Óleo combustível
Saídas
Gás de síntese da gaseificação da biomassa
Gás de síntese não convertido
DME
Tabela 7.13 Eficiência energética para produção do DME (LARSON et alii, 2006)
Unidade
Valor
Eletricidade
%
13,9
DME
%
26,4
Vapor
%
31,4
Soma
%
71,1
(*) Eficiência (base PCI)
(*) Eletricidade = energia elétrica produzida/soma da energia dos combustíveis consumidos.
Combustível = energia do combustível produzido/soma da energia dos combustíveis consumidos.
Calor = Calor do vapor gerado/soma da energia dos combustíveis consumidos.
7.4 Tendências e desafios para o processo BTL
7.4.1 Processo FT
Atualmente, as instalações de grande porte para a conversão Fischer-Tropsch utilizam somente
combustíveis fósseis, por exemplo, a Shell da Malásia, que produz líquidos FT derivados do gás natural.
Na África do Sul, a Sasol tem uma planta de produção utilizando carvão como matéria-prima. O uso de
biomassa no processo FT ainda está em fase de desenvolvimento. As tecnologias para a gaseificação da
biomassa ou do bio-óleo (produzido pela pirólise da biomassa) para a obtenção do gás de síntese estão
ainda em fase de estudo (Thuijl, 2003).
Muitas pesquisas em desenvolvimento focam a limpeza e o condicionamento do gás de síntese, o
desenvolvimento de diferentes tipos de catalisadores, buscam a redução da quantidade de componentes
inertes no gás de alimentação, e a utilização de subprodutos, tais como eletricidade, calor e vapor. O aproveitamento dos subprodutos tende a melhorar a eficiência do processo FT.
Nos países da União Europeia estima-se que a produção do diesel FT será de 785 PJ em 2020. Na
tabela 7.14 uma estimativa do número de plantas BTL a serem construídas entre 2015 e 2020, em função
da capacidade da planta. Estas informações estão baseadas em dados sobre possíveis projetos GTL (Gas
to Liquid), como também de gaseificadores de biomassa indicados a seguir (Boerrigter, 2006).
– Shell GTL PEARL, projeto em Qatar (70 000 bbld), (bbld = barris por dia).
– Sasol-QP GTL ORYX-1 (34 000 bbld).
– Shell GTL, planta comercial em Bintulu, Malásia.
– Projeto em escala comercial para gaseificador de leito fluidizado circulante (250 MWth).
Tabela 7.14 Número de plantas BTL estimadas na Europa para os anos de 2015 e 2020, para produção do diesel
FT (Boerrigter, 2006)
Entrada de biomassa
[MWth]
Plantas BTL
2015
Referência
2020
1
6
8 500
Shell Qatar
2
12
4 100
Sasol Qatar
4
28
1 800
Shell Malásia
Na Europa também há grandes incentivos financeiros para a produção de combustível FT a partir
da biomassa. Por exemplo, na Inglaterra, há um incentivo de US$ 0,37/l para diesel derivado da biomassa, desde julho de 2002. Na Alemanha, Espanha e Suíça também há incentivos, e estes foram introduzidos como parte de um resultado da Diretiva 2003/30/EC, a qual requer que todos os países-membros
da comunidade europeia tenham um consumo de ao menos 2% de combustível proveniente de biocombustíveis ou combustíveis renováveis (LARSON et alii, 2005).
Em Rotterdam pretende-se instalar uma planta de demonstração com capacidade de 600 MW, utilizando-se como matéria-prima o carvão e a biomassa. Um esquema desta planta é apresentado na figura 7.13:
Figura 7.13 Planta Fischer-Tropsch de demonstração a ser instalada em Rotterdam (adaptada de REE et alii, 2005).
Há também uma planta-piloto de tecnologia FT (BIG-FT), da Choren Industries, em Freiberg, na Alemanha, a qual é mostrada na figura 7.14.
Figura 7.14 Planta-piloto de Fischer-Tropsch da Choren Industries (OPDAL, 2006).
Outra estimativa para o futuro da tecnologia FT é a redução dos custos de investimento. De acordo
com Faaij et alii (2000) estes custos diminuirão cerca de 25-35%, para uma instalação de 1 000 MWth,
como resultado de melhorias na eficiência, desenvolvimento tecnológico e aumento da capacidade produtiva da planta.
7.4.2 Metanol
A tecnologia de gaseificação de biomassa não se encontra ainda em escala comercial, sendo necessário maior desenvolvimento tecnológico dos gaseificadores e também da limpeza dos gases. Deve-se
também buscar melhorias e/ou desenvolvimento de novos catalisadores para a produção do metanol.
Outro avanço necessário é a otimização do processo, minimizando o consumo de oxigênio e obtendo-se maior rendimento do gás de síntese, através da conversão máxima do carbono e da obtenção de
baixa concentração residual de hidrocarbonetos no gás de síntese.
No Brasil, no Estado do Paraná, está em desenvolvimento o Projeto RAUDI-METANOL, unidade
pré-comercial para aproveitamento do excedente da biomassa (bagaço e palhas) via gaseificação e posterior síntese do metanol. Os desafios deste projeto são desenvolver um processo de gaseificação adequado
à biomassa e otimizar os processos envolvidos, buscando a viabilidade econômica. Para tal, planeja-se a
integração entre a usina de açúcar e álcool com a unidade de gaseificação e síntese de metanol (Fiashi
e Audi, 2005), conforme a figura 7.15:
Figura 7.15 Esquema do processo de produção de metanol integrado à usina de açúcar e álcool (adaptada de Fiaschi
e Audi, 2005).
O esquema mostrado na figura 7.15 mostra um dos objetivos do projeto RAUDI-METANOL, que
é o aproveitamento energético do vapor gerado durante o processo de obtenção do metanol para as caldeiras da usina.
No mundo, atualmente há grande interesse no desenvolvimento de tecnologias que permitam reduzir o custo de conversão de biomassa a metanol, que hoje representa 60% dos custos totais. No futuro
este percentual pode ser reduzido, pois a tendência é fabricar instalações de maior capacidade, diminuindo os custos em 25-30%. Quanto à eficiência, as instalações atuais apresentam eficiências energéticas de
cerca de 50-55%, mas para plantas maiores, por exemplo, de 1 000 MW estima-se que a eficiência será de
60-65%, assumindo a produção de eletricidade como subproduto (FAAIJ e Hamelinck, 2001).
Logo, a tecnologia da produção do metanol a partir da biomassa pode se tornar viável se houver
mais progressos nas várias rotas de produção: convencional, comercial, ou de tecnologias avançadas
(CIFRE e Badr, 2007).
Atualmente, no mundo, há várias instalações de pequena capacidade que produzem o DME a partir
do metanol puro. A produção de DME diretamente do gás de síntese encontra-se em processo de desenvolvimento. Algumas plantas-piloto vêm sendo construídas para este tipo de processo. Entretanto, o DME
é produzido principalmente a partir do gás de síntese, derivados do gás natural, nafta, óleo pesado e carvão.
Existe uma planta de demonstração instalada em Kushiro, Japão (figura 7.16), com capacidade de 100
ton/dia de produção de DME, a qual é projetada para utilizar o gás de síntese obtido a partir da biomassa.
Figura 7.16 Planta de demonstração instalada em Kushiro, Japão, para produzir DME (Omiya, 2005).
Os custos de produção do DME a partir da biomassa são determinados pelo custo da matéria-prima
e custos de investimentos. No Projeto Bio-DME da Swedish National Energy Administration, os custos de investimentos, para uma planta em escala comercial, com uma produção anual de 200 000 ton de DME, são
estimados em 608 milhões de dólares (STEM, 2002). A associação internacional de DME (IDA) declarou
que o DME derivado do gás natural pode ser levado ao mercado consumidor a um preço competitivo
com o diesel fóssil. Já a produção de DME a partir da biomassa é mais cara, pois a matéria-prima e os
custos de capital são duas vezes maiores que os custos operacionais e de manutenção (SWEDETRACK,
2007). A Swedish National Energy Administration estima que os custos de produção do DME a partir da
biomassa estão em torno de 0,42 US$/litro (ou 22 US$/GJ).
Entre os anos de 1996 e 1998, a Volvo Truck Corporation e Volvo Bus Corporation desenvolveram o
primeiro veículo pesado abastecido com DME. O propósito deste projeto foi demonstrar as baixas emissões e a alta eficiência do DME em motores a diesel (figura 7.17).
As principais vantagens obtidas do DME em relação aos outros combustíveis alternativos são
(BOURG, 2006):
– O DME pode ser usado em motores de combustão a diesel com alta eficiência.
– As taxas de emissões são menores em relação ao combustível fóssil.
– A eficiência do DME é maior em relação aos demais biocombustíveis.
Figura 7.17 Ônibus desenvolvido pela Volvo Truck Corporation e Volvo Bus Corporation (FLEISCH, 2002b).
7.5 Análise dO ciclo de vida da produção e uso de combustíveis BTL
A Norma ISO 14040 define a Análise de Ciclo de Vida (ACV) como a compilação dos fluxos de
entradas e saídas e a avaliação dos impactos ambientais associados a um produto ao longo do seu ciclo
de vida. Uma análise abrangente do ciclo de vida de um determinado produto envolve a fase de extração
das matérias-primas, passando pela fase de produção, distribuição, consumo, uso e até sua transformação
em lixo ou resíduo (NBR ISO 14040, 2001).
Os trabalhos sobre ACV destes biocombustíveis visam comparar diferentes rotas de produção de
combustíveis BTL (Biomass to Liquid) desde o ponto de vista ambiental e energético. Também procuram
comparar os combustíveis BTL com os combustíveis fósseis, em relação aos impactos ambientais e aos
balanços energéticos.
Na atualidade, as pesquisas realizadas em ACV da produção de combustível pela tecnologia BTL
estão centradas nas seguintes questões (RENEW, 2003):
– Qual das rotas de produção BTL causa menores impactos ambientais? Ou qual combustível obtido
pela rota BTL (DME, metanol, FT diesel) causa menor impacto ao meio ambiente, considerando-se os impactos mais analisados atualmente: aquecimento global, oxidação fotoquímica, acidificação e eutrofização.
– Há diferença na escolha das biomassas, qual delas é ecologicamente melhor para os diferentes
processos de conversão? Como cada biomassa tem propriedades e valor energético distintos, estas propriedades podem influenciar nos resultados determinados pela ACV.
– Qual é a parcela de contribuição no impacto ambiental para cada etapa de produção (figura 7.18)
do biocombustível estudado?
Figura 7.18 Principais etapas do processo de produção de biocombustível pela rota BTL.
– Quais são os pontos possíveis para melhoria? Através dos balanços energéticos e avaliação dos
impactos ambientais obtidos em cada fase de produção é possível analisar as fases mais críticas nestes
aspectos e as possibilidades para melhorar a eficiência energética e minimizar os problemas ambientais.
– Qual o comportamento do ponto de vista ambiental do biocombustível se houver mudança do
cenário estudado, ou seja, se os estudos de ACV forem realizados em regiões diferentes ou com tecnologias BTL distintas?
Um exemplo de estudo ACV para combustíveis BTL está no trabalho de Unnasch (2005), neste são
apresentados os resultados de uma análise energética e de impacto ambiental para diferentes tipos de
combustíveis (os de origens fósseis, e de fontes renováveis, tais como etanol, metanol e diesel FT). Para
determinar a energia necessária para a produção da matéria-prima dos combustíveis (input) foi incluído
somente: a extração de matéria-prima através de uso de veículos e de maquinários necessários. A figura
7.19 representa a entrada de energia no ciclo dos combustíveis.
Figura 7.19 Energia necessária para produção de matéria-prima dos combustíveis. Reproduzida com permissão de
Unnasch (2005). Alcohol fuels from biomass: well-to-wheel energy balance.
A entrada de energia foi agrupada de acordo com os combustíveis fósseis (gasolina, gás natural e
outros) e não fósseis. As energias não fósseis incluem a biomassa, energias hidrelétrica e nuclear.
A figura 7.20 mostra as emissões de GEE relacionadas a vários combustíveis e matérias-primas. Este
fator GEE inclui o carbono no combustível, que é convertido a CO2 (aproximadamente 99,5%) mais as
emissões associadas com o ciclo do combustível.
Figura 7.20 Emissões GEE do ciclo do combustível para a produção de matéria-prima. Reproduzida com permissão
de Unnasch (2005). Alcohol fuels from biomass: well-to-wheel energy balance.
Para potência elétrica, nenhum carbono é associado com o combustível e todas as emissões GEE
ocorrem no ciclo do combustível. A produção de madeira resulta numa queda de CO2, pois a árvore processa (consome) este gás, junto com a água e minerais, para realizar a fotossíntese. Isto é refletido como
um valor negativo no CO2 do ciclo do combustível.
A figura 7.21 apresenta, para diferentes combustíveis, a energia necessária em toda a sua cadeia de
produção até o mesmo chegar ao tanque de armazenamento do veículo (Well to Tank).
Figura 7.21 Entrada de energia Well to Tank. Reproduzida com permissão de Unnasch (2005). Alcohol fuels from
biomass: well-to-wheel energy balance.
As emissões durante todo o processo de produção dos combustíveis na base Well to Tank são apresentadas na figura 7.22. Nota-se que o GEE proveniente de matéria-prima biomassa é refletido como um
valor negativo. A coprodução de potência também resulta em crédito para o etanol produzido a partir da
madeira, como também para o diesel FT proveniente da gaseificação do carvão e da biomassa.
Já as diferentes matérias-primas, aplicadas para a produção dos combustíveis, interferem na demanda
energética do processo de produção do combustível, e também na sua eficiência energética. Além disso,
outros fatores, como tecnologia do processamento, equipamentos e investimento de capital, influenciam
igualmente a demanda e a eficiência energética do processo.
A tabela 7.15 sintetiza os principais parâmetros relacionados à energia necessária para a produção
do metanol e diesel FT, em diferentes processos termoquímicos de conversão e matérias-primas. Como
pode ser observada, a eficiência térmica é maior em ambos os processos que utilizam a matéria-prima
gás natural.
Figura 7.22 Emissões GEE dos combustíveis na base Well to Tank. Reproduzida com permissão de Unnasch (2005).
Alcohol fuels from biomass: well-to-wheel energy balance.
Tabela 7.15 Energia necessária à produção de metanol por diferentes rotas termoquímicas (Unnasch, 2005)
Parâmetro
Reforma do Gás natural
Gaseificação do Carvão
Gaseificação da biomassa
Metanol
Matéria-prima (GJ/ton)
Matéria-prima (J/J)
Eficiência térmica (%)
34
1,39
72
40
1,72
58
48
2
50
Diesel FT
Matéria-prima (kWh/kg)
Matéria-prima (J/J)
Eficiência térmica (%)
0-6
1,63
61,5
10-22,4
2,35
42,5
0
2,22
45
Outro exemplo que demonstra a influência da matéria-prima, como também da tecnologia empregada para produzir o combustível BTL pela tecnologia Tropsch, na eficiência energética do sistema, está
no trabalho feito por Jungbluth et alii (2008). Neste estão apresentadas as taxas de conversão de biomassa
a combustível, a capacidade da planta e o volume de produção por hora, como mostrado na tabela 7.16.
Tabela 7.16 Principais indicadores energéticos da a produção de biocombustíveis FT a partir de biomassas com
diferentes tecnologias (Jungbluth et alii, 2008)
Biomassa
Madeira
Palha
Madeira
Palha
Processo
Gaseificação
de fluxo
arrastado
Gaseificação
de fluxo
arrastado
Gaseificação de
leito fluidizado
circulante
Gaseificação de
leito fluidizado
circulante
Companhia
UET
UET
CUTEC
CUTEC
Produto
BTL-FT
BTL-FT
BTL-FT
BTL-FT
Taxa de conversão
(biomassa para
líquidos)
Energia
53%
57%
40%
38%
Capacidade de
processamento de
biomassa (MW)
Potência
499
462
485
463
Produtos líquidos
Ton/h
22,5
22,3
16,6
15,0
Observa-se na tabela 7.16 a alta taxa de conversão para o processo FT a partir da madeira, aplicando
a tecnologia de gaseificação de fluxo arrastado, como também para a tecnologia de gaseificação de leito
fluidizado, utilizando como matéria-prima a palha.
Já no trabalho de Tuchsmid e Jungbluth (2007) também foi feito um estudo de ACV para diferentes
combustíveis BTL obtidos por tecnologias e matérias-primas distintas. Como resultado, foram obtidos
os principais impactos ambientais e intensidades dos mesmos sobre o meio ambiente, conforme está
apresentado na tabela 7.17.
Tabela 7.17 Principais impactos ambientais na produção de combustíveis BTL referentes a 1 MJ de combustível
(Tuchschmid e Jungbluth, 2007)
Biomassa
Palha
Palha
Madeira
Madeira
Madeira
Processo
Gaseificação
de leito
fluidizado
circulante
Gaseificação
de fluxo
arrastado
Gaseificação
de leito
fluidizado
circulante
Gaseificação
de fluxo
arrastado
Gaseificação
de fluxo
arrastado
de licor negro
Companhia
CUTEC
UET
CUTEC
UET
CHEMREC
Indicador de
categoria
Produto
BTL-FT
BTL-FT
BTL-FT
BTL-FT
BTL-DME
Demanda
energética
acumulativa
MJ-Eq
187%
116%
169%
128%
100%
Depleção
abiótica
kg Sb eq
270%
128%
165%
128%
100%
Aquecimento
global
kg CO2 eq
258%
107%
171%
116%
100%
Oxidação
fotoquímica
kg C2H4 eq
358%
100%
289%
102%
139%
(continua)
Tabela 7.17 Principais impactos ambientais na produção de combustíveis BTL referentes a 1 MJ de combustível
(Tuchschmid e Jungbluth, 2007) (continuação)
Biomassa
Palha
Palha
Madeira
Madeira
Madeira
Acidificação
kg SO2 eq
190%
100%
176%
127%
130%
Eutrofização
kg PO4 eq
207%
106%
175%
117%
100%
Uso da água
m3
151%
100%
673%
510%
396%
Mínimo
Máximo
Impacto
muito baixo
100%
115%
Impacto
baixo
116%
150%
Impacto alto
151%
250%
Impacto
muito alto
251%
Na tabela 7.17, considerou-se as etapas de produção da biomassa até o processamento e a distribuição do combustível produzido, e nota-se que o uso da água para a produção de BTL a partir da madeira
ocasiona um impacto ambiental muito alto, independente da tecnologia aplicada.
Quanto ao processo de gaseificação de leito fluidizado circulante da palha, este provoca impactos
muito altos nas categorias: depleção abiótica, aquecimento global, oxidação fotoquímica, comparando
com os resultados da mesma tecnologia com a matéria-prima madeira.
Em relação à fase de uso do combustível pelo veículo, também chamada tank-to-wheel, no trabalho de
Wu et alii (2006) apresenta-se a quantidade de energia que seria usada e as emissões que seriam geradas
por um veículo convencional de injeção direta (CIDI) ou híbrido elétrico (HEV), abastecido com biocombustíveis, durante um percurso de 1 milha (1,61 km).
Os biocombustíveis foram produzidos a partir de biomassa celulósica através dos seguintes processos (WU et alii, 2006):
– DME e diesel FT (FTD) obtidos por processos termoquímicos em um ciclo combinado com uma
turbina a gás (GTCC), e utilizados como combustível nos veículos tipos CIDI e HEV (DME/GTCC_
CIDI, DME/GTCC_HEV, FTD/GTCC_CIDI, FTD/GTCC_HEV).
– Processo de produção de multicombustíveis (etanol e diesel FT), também em um ciclo combinado
com uma turbina a gás (FTD/Etanol/GTCC_HEV).
A figura 7.23 apresenta o uso de energia fóssil e gasolina, e também as emissões de gases de efeito
estufa (GEE) dos biocombustíveis comparados ao diesel fóssil convencional.
Na figura 7.23, os valores negativos representam redução, logo se pode observar o benefício energético do DME e do diesel FT, pois houve uma redução de 93% do uso de energia fóssil e gasolina em
relação ao diesel fóssil convencional. Além disso, as emissões GEE foram significativamente reduzidas,
em torno de 85%.
Na figura 7.24 são mostradas as principais emissões decorrentes da utilização do diesel FT e DME,
em veículos CIDI e HEV, que estão comparadas ao diesel fóssil convencional, usado nos mesmos tipos
de veículos.
Figura 7.23 Mudança percentual do uso energético e emissões GEE dos combustíveis diesel FT e DME, produzidos via
Bio-FTD/GTCC, Bio-DME/GTCC, e Bio-Etanol/Bio-FTD/GTCC, relacionadas ao diesel fóssil convencional em veículos
CIDI e HEV. Reproduzida com permissão de Wu (2006). Energy and emission benefits of alternative transportation
liquid fuels derived from switchgrass: a fuel life cycle assessment.
Figura 7.24 Mudança percentual da emissão de poluentes do combustível diesel FT e DME, produzidos via
Bio-FTD/GTCC, Bio-DME/GTCC e Bio-Etanol/Bio-FTD/GTCC, relacionadas ao diesel fóssil convencional em
veículos CIDI e HEV. Reproduzidas com permissão de Wu (2006). Energy and emission benefits of alternative
transportation liquid fuels derived from switchgrass: a fuel life cycle assessment.
Na figura 7.24 tem-se uma variação das emissões do poluente CO praticamente nula, e um pequeno
aumento da emissão de Compostos Orgânicos Voláteis (VOC). Em relação à emissão de SOx a redução
obtida foi de 46-58%. Este benefício resulta da mudança da matéria-prima e da produção do diesel FT e
DME, comparados ao diesel fóssil convencional.
Já com relação à emissão de NOx muitos estudos realizados têm concluído que a produção de biocombustíveis podem duplicar a emissão de NOx comparada com os combustíveis derivados do petróleo.
Porém, o estudo feito por Wu et alii (2006) indica que a redução da utilização de fertilizantes durante o
cultivo da biomassa e a coprodução de potência em um ciclo combinado com uma turbina a gás reduziria
estas emissões de NOx.
Da mesma forma, para os particulados de diâmetro inferior a 10 mícrons (PM10), com o avanço do
sistema de cogeração sua emissão poderia se reduzir de 20 a 25% comparada ao diesel fóssil convencional.
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BIOCOMBUSTÍVEIS DE SEGUNDA GERAÇÃO – COMBUSTÍVEIS

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