II WORKSHOP DE GESTÃO DE ENERGIA E RESÍDUOS NA

AGROINDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA

PIRASSUNUNGA, BRASIL

12 de Junho de 2007

Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

Instituto de Engenharia Mecânica – IEM

Núcleo de Excelência em Geração Térmica e Distribuída – NEST

Mateus Henrique Rocha

Avaliação da Eco-Eficiência Ambiental

da Vinhaça para diferentes formas de

disposição aplicando ACV

1. Setor de Álcool no Brasil

Fonte: Souto, J. J. N. (2007)

Fonte: Souto, J. J. N. (2007)

1.1 Cenários futuros para produção de etanol

Fonte: Rodrigues, R. (2007)

• Grande quantidade de terra agricultável

• Características adequadas do solo

• Condições climáticas favoráveis

Fonte: Hennings O., Zeddies J. (2003)

• Balanço energético do álcool de milho 1:1,5

• Balanço energético do álcool de cana 1:8

1.2 Expansão do Setor Sucroalcooleiro

Fonte: Unicamp, CGEE/MCT (2006)

Região Centro-Sul

Fonte: Parra, J. R. P. (2005)

1.3 Evolução do consumo no mercado interno

Fonte: Anfavea (2006)

Incremento da produção• Previsão de 30 bilhões de litros de

etanol produzidos em 2010.

• Instalação e/ou reativação de 73

destilarias para atendimento da

demanda total.

• São estimados 8,5 milhões de

automóveis flex em 2020.

• Em 2010 o total de vinhaça

produzida será de 360 milhões de

m³.

Fonte: Unica (2006)

2. Produção e características da vinhaça

• Vinhaça é um resíduo obtido na destilação alcoólica a 105 ºC, possui uma

coloração cor marrom escuro, de natureza ácida e com cheiro bastante

peculiar.

• A composição química da vinhaça é variável e depende do tipo de vinho

usado na destilação.

• A vinhaça pode ser caracterizada como fator de poluição dos cursos d´ água.

• Para cada litro de etanol produzido são gerados em média 13 litros de

vinhaça.

• A vinhaça corresponde, em média, a 52% em peso de todos os resíduos

sólidos produzidos pelas destilarias.

• A vinhaça é classificada como resíduo sólido classe II, ou seja, não inerte e

não perigoso com base nas suas características físico-químicas.

2.1 Composição química média da vinhaça

Fonte: Cortez, L. A. B. (2000)

Fonte: Briceño, C. O. (2005)

Fonte: Theodoro, J. M. P. (2005)

3. Formas de disposição da vinhaça

• Retorno à plantação, para substituição total ou parcial dos

fertilizantes, constituindo o processo chamado de fertirrigação.

• Fermentação aeróbica, por meio de bactérias ou fungos,

objetivando a obtenção de proteína unicelular.

• Fermentação anaeróbica utilizando bactérias metanogênicas,

para produção de biogás, constituindo o processo denominado

biodigestão anaeróbica.

• Concentração por meio de evaporação para obtenção de ração

animal.

• Processo de evaporação e concentração da vinhaça para

posterior combustão, visando o aproveitamento de energia e

recuperação de potássio.

3.1 Fertirrigação

• Pode ser processada por inundação, por sulcos de infiltração,

por aspersão com equipamento semifixo e por aspersão através

de canhão hidráulico.

• Efeitos da vinhaça sobre a fisiologia da cana: aumento do teor

de umidade, redução dos teores de lignina, aumento do fator de

acamamento, dos teores de potássio e da vegetação e redução

dos níveis de sacarose quando esses são excessivos.

• Efeitos da vinhaça sobre o solo: elevação do pH, redução do

alumínio trocável, aumento da matéria-orgânica, micronutrientes

e porcentagem de saturação das bases.

• Segundo Gonzalo et. al. (2006), Longo (1994) e Ludovice (1997)

amostras do lençol freático submetidas a longos períodos de

aplicação apresentaram teores de N, K e condutividade elétrica

acima do estabelecido.

Fonte: Luz, P. H. C. (2006)

Fonte: Luz, P. H. C., 2006.Fonte: Lora, E. E. S. (2006)

Fonte: Lora, E. E. S. (2006)

Sistema de transporte e distribuição de vinhaça por

caminhão tanque

Fonte: Luz, P. H. C. (2006)

Fonte: Theodoro, J. M. P. (2005)Fonte: Lora, E. E. S. (2006)

3.2 Biodigestão Anaeróbica

• A biodigestão anaeróbica é um processo de degradação da

matéria orgânica por microorganismos, resultando na produção

de biogás.

• Usos do biogás: produção de frio, calor, potência, automotivo,

secagem de leveduras, etc.

• Biogás: 55 a 70% de CH4 e 25 a 45% de CO2 além de outros

gases.

• O processo de formação do metano é estritamente anaeróbico,

mas o processo global é divido em três fases: acidogênese,

intermediário e metanogênico.

3.2 Biodigestão Anaeróbica

• Vantagens da biodigestão: a energia produzida pelo biogás é

maior que o consumo requerido pelo sistema, aceita grandes

taxas de substâncias orgânicas e o efluente resultante pode ser

usado como fertilizante.

• Desvantagens da biodigestão: é um processo lento, possui

um longo período para início da operação e o custo de

implantação é elevado.

• Reator UASB: possui altos índices de remoção e velocidades

volumétricas além de baixos conteúdo de sólidos em suspensão

e tempo de retenção hidráulico.

• Tipos de biodigestores: Chinês, Indiano, Fluxo de Pistão ou

horizontal, UASB, Filtro anaeróbico de fluxo ascendente e

Bifásico.

Esquema do processo global de metanogênese

Esquema de um biodigestor UASB

Fonte: Valdes, A. (2006)

Instalação típica de dois biodigestores UASB

Fonte: Granato, E. F. (2003)

Q = 5.000 m³ Diâmetro = 26,0 m Altura = 4,75 m

Instalação de geração de energia

Fonte: GE Jenbacher Engine Gensets (2007)

• Principais fabricantes: Caterpillar, Wakesha, Duetz, Wartsila,

Cooper e Jenbacher.

Concentração da vinhaça

Fonte: Germek e Feigl (1987)

Fonte: Katz G. M. (1979)

3.3 Concentração e combustão da vinhaça

• Na concentração retira-se água da vinhaça sem perda de sólido,

com redução do volume.

• A evaporação da água utilizando-se evaporadores de múltiplo

efeito é a tecnologia mais difundida e utilizada para concentração

do açúcar.

• As primeiras unidades de concentração de vinhaça foram

instaladas na Áustria em 1942 pela VOLGELBUSCH.

• A concentração da vinhaça é uma forma de reduzir os custos

com transporte em caminhões-tanque aumentando o raio

econômico de aplicação.

• Segundo Katz (1979): consumo de vapor 0,27 kg/L, eletricidade

0,0134 kW/L, água de refrigeração 0,013 m³/Lágua evaporada e a

vazão de entrada é função do Brix da saída.

Fonte: Dedini (2006)

Fonte: Dedini (2006)

3.4 Combustão da vinhaça

• Vantagens: é a única tecnologia que permite eliminar o

potencial poluidor da vinhaça; com recuperação econômica do

potássio; aproveitamento do potencial energético.

• Desvantagens: balanço energético negativo, impacto da

combustão sobre as tubulações e refratários e altos índices de

emissões de poluentes atmosféricos como material particulado,

NOx, SOx e CO.

• A idéia de se queimar a vinhaça em caldeira está relacionada

com a queima do licor negro na indústria de papel e celulose.

• Para tentar minimizar as incrustações a Praj desenvolveu um

novo evaporador denominado Flubex.

Evaporador Flubex

Fonte: Briceño, C. O. (2005)

Vinhaça concentrada (55º Brix)

Fonte: Briceño, C. O. (2005)

Fonte: Dedini (2005) Fonte: Avram, P., et. al. (2006)

• Variável ambiental: atribuída a qualquer grandeza física, química

ou biológica, determinada de forma direta ou indireta e que possui

a finalidade de caracterizar o impacto ambiental.

4. Introdução

• Indicador Ambiental: grandeza derivada de uma variável

ambiental, visando a quantificação de uma intervenção ambiental

específica.

• Índice Ambiental: refere-se à agregação de mais de um

indicador ambiental com o objetivo de transformar uma grande

quantidade de dados em uma forma mais simples, retendo o

significado essencial da informação no uso pretendido deste

índice.

• Sistemas Ecológicos: degradação de sistemas ecológicos

ecotoxicidade terrestre, ecotoxicidade aquática (marinha e água

doce) e biodiversidade.

• Impactos de caráter local, regional ou global: efeito estufa,

depleção da camada de ozônio, eutrofização, acidificação, etc.

• Efeitos econômicos e sociais: aspectos visuais, recreacionais,

arquitetônicos e históricos e índices de crescimento econômico

como taxa de desemprego, PIB, etc.

• Difícil associação com o processo e suscetíveis a decisões

baseadas em juízo de valores.

4.1 Elaboração do Índice de Impacto Ambiental de um processo

Fonte: Bauer, P. E. (2003)

• Os indicadores ambientais estão associados às intervenções

ambientais dos processos: recursos naturais, saúde humana,

sistemas ecológicos e efeitos econômicos e sociais.

• Cada um desses grupos é representado por uma categoria de

impacto ambiental, sendo cada categoria de impacto associada a,

pelo menos, um indicador ambiental.

• Recursos Naturais: recursos renováveis/não-renováveis ou

recursos bióticos/abióticos.

• Saúde Humana: Categorias associadas a efeitos deletérios

(mutagênicos, carcinogênicos e teratogênicos).

4.2 Elaboração de um índice de Impacto Ambiental de um processo

Fonte: Bauer, P. E. (2003)

5. Análise do Ciclo de Vida

• Idealizada para quantificação de impactos ambientais

associados à produtos ou funções de uso direto pelo ser humano.

• Atualmente esta metodologia tem sido usada para processos

produtivos diversos.

• Metodologia ACV é científica, precisa e específica.

• Os métodos derivados da Produção Sustentável e do

Desempenho Ambiental são genéricos, aproximados e gerenciais.

5.1 Principais fases associadas ao ciclo de vida de um produto

Fonte: Ferrão, P. C. (1998)

• 1969 – Coca-Cola: comparação de materiais para embalagens,

consumo de recursos e geração de emissões.

• 1972 – Ian Boustead: desenvolveu um modelo para determinar

os consumos de energia relacionados às embalagens de

alumínio, vidro e plástico.

• 1973 – 1º crise do petróleo: busca de fontes alternativas de

energia.

• 1985 – diretiva da União Européia sobre controle de

embalagens de alimentos.

5.2 Histórico da ACV

• ISO 14.043 – Análise do Ciclo de Vida – Interpretação do Ciclo

de Vida.

• 1997 – possibilidade de utilização da ACV para desenvolvimento

de novos produtos e definição de políticas públicas.

• ISO 14.040 – Análise do Ciclo de Vida – Princípios e Estrutura.

• ISO 14.041 – Análise do Ciclo de Vida – Definição de objetivo e

escopo e análise do inventário.

• ISO 14.042 – Análise do Ciclo de Vida – Avaliação do Impacto

do Ciclo de Vida.

• 1990 a 1996 – crescimento e difusão no meio acadêmico.

Iniciativas de ACV UNEP/SETAC

5.3 Como a ACV pode agregar valor ao produto

Aspectos

ambientais

prioritários

Informação de

aspectos ambientais

em projeto e

desenvolvimento

Comunicação

do desempenho

ambiental

Monitorar o

desempenho

ambiental

Monitorar o

desempenho do

sistema

ISO 14063

Comunicação

ambiental

Série ISO 14020

Rótulos e

declarações

ambientais

Série 14030

Avaliação do

desempenho

ambiental

ISO 19011

Auditoria de sistemas

de gestão ambiental

ISO 14062

Projeto para o Meio

Ambiente

Série ISO 14040

Avaliação do Ciclo de

Vida

Do

PlanAct

Check

Descrição do

desempenho

ambiental de

produtos

Melhoria do

desempenho

ambiental de

produtos

Informação sobre

os aspectos

ambientais de

produtos

Comunicação do

desempenho

ambiental

Descrição do

desempenho

ambiental de

organizações

Informação sobre

o desempenho do

sistema de

gestão ambiental

Fonte: Ugaya, C. M. L. (2006)

• ISO 14.025 – Rotulagem e declarações ambientais

Fonte: Coltro, L. (2007)

5.4 Etapas de uma ACV

Aplicações diretas:

• Desenvolvimento e

melhoria do produto

• Planejamento estratégico

• Elaboração de políticas

Públicas

• Marketing

Fonte: NBR-ISO 14040

Definição do objetivo

e do escopo

Inte

rpre

tação

Avaliação do Impacto

Análise do Inventário

A definição do objetivo e

do escopo consiste no

estabelecimento dos

limites do estudo de ACV.

5.5 Definição do Objetivo e do Escopo do Estudo

Fonte: NBR-ISO 14040

Definição do objetivo

e escopo

Análise do Inventário

A análise do inventário

envolve a coleta de dados

e procedimentos de

cálculo para quantificar as

entradas e saídas de um

sistema.

Inte

rpre

tação

Avaliação do Impacto

5.6 Análise do Inventário

Fonte: NBR-ISO 14040

Definição do objetivo

e escopo

Avaliação do impacto

Análise do inventário

Inte

rpre

tação

5.7 Avaliação do impacto

Fonte: NBR-ISO 14041

Caracterização

Fonte: Ferrão, P. C. (1998)

Categorias de Impacto Ecoindicador 99 CML 2000 EDIP TRACI

Mudança Climática x x x x

Destruição da camada de ozônio x x x x

Acidificação x x x x

Eutrofização x x x x

Ecotoxicidade x x

Ecotoxidade águas doces x x

Ecotoxidade marinha x x

Ecotoxidade terrestre x x

Toxicidade humana x x

Cancerígenos x x

Não cancerígenos x

Respirações orgânicos x

Respirações inorgânicos x

Uso do solo x

Minerais x

Combustíveis fósseis x

Exaustão abiótica x

Uso de recursos x

Smog fotoquímico x x

Água doce x

Água marinha x

Radiação x

Resíduos sólidos x

Resíduos perigosos x

Resíduos radioativos x

Escória / cinzas x

Eco-Indicadores e suas considerações

Fonte: Ugaya, C. M. L (2006)

Normalização

Normalização: contribuição para

o impacto total

Mudanças Climáticas 0,05%

Acidificação 0,02%

Ponderação

• Deve ser dada importância para cada

impacto ambiental

• Caráter subjetivo

• Não pode ser usado sem um

exame detalhado em relatórios

Definição de objetivo

e escopo

Avaliação do Impacto

Análise do Inventário

Inte

rpre

tação

5.8 Interpretação

• Análise de sensibilidade

• Avaliação de itens importantes:

1) Seleção de materiais

2) Gestão da cadeia de suprimento

3) Estabelecimento da infra-estrutura

para reciclagem

5.9 Iniciativas atuais em ACV no Brasil

• Institutos de Pesquisa: USP, UNICAMP, UNB, UFSC, UFBA,

UFMG, CEFET-PR, IBICT, ITAL, CETEA, Instituto EKOS e

UNIFEI.

6. Análise da Eco-Eficiência Ambiental da

vinhaça aplicando ACV

• Número de Destilarias: 7

• Área plantada: 31.472 ha

• Produção de cana: 2.796.876 t

• Produção de álcool: 504.468 m³

• Produção de energia: 95.538 kW

Fonte: UNICA (2007)

6.1 Fronteira do Sistema

Fonte: Rocha, (2007)

6.1 Suposições admitidas

• Este estudo não vai possuir alocação de dados.

• Tipos de impacto selecionados: EDIP e Ecoindicador 99.

• Unidade funcional: 1 m³ vinhaça disposta.

• Software SimaPro 7.0 banco de dados europeu.

• Categorização dos dados: tempo, área geográfica, tecnologias,

representatividade, consistência e incertezas.

• Suposições e limitações: biodigestão e combustão não foram

incluídas nesta análise preliminar por falta de dados consistentes,

modelo de solo, precipitação.

6.2 Descrição da Usina Padrão

Fonte: Rocha, (2007)

6.3 Cenário para transporte da vinhaça por canais

Fonte: Rocha, (2007)

6.4 Cenário para transporte da vinhaça por

caminhões

Fonte: Rocha, (2007)

Fertirrigação por canais

EDIP/Caracterização Ecoindicador 99/Caracterização

EDIP/Pontuação única Ecoindicador 99/Pontuação única

Fertirrigação por caminhões

EDIP/Caracterização

EDIP/Pontuação única

Ecoindicador 99/Caracterização

Ecoindicador 99/Pontuação única

Comparação entre os dois sistemas

EDIP/Caracterização

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemas

EDIP/Normalização

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemas

EDIP/Pontuação Única

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemas

Ecoindicador 99/Caracterização

Fonte: Rocha, (2007)

Comparação entre os dois sistemas

Ecoindicador 99/Pontuação Única

Fonte: Rocha, (2007)

Conclusões

• A ACV é uma ferramenta muito importante para avaliação de

impactos ambientais, tanto de produtos quanto de processos

produtivos, desde que usada corretamente.

• Para fertirrigação com transporte por canais tanto o EDIP

quanto o Ecoindicador 99 registraram um alto índice de

ecotoxicidade, o que sugere que a fertirrigação a longo prazo

pode provocar danos ao solo e ao lençol freático.

• Para a fertirrigação com transporte por caminhões dois itens

apresentaram índices elevados tanto no EDIP quanto no

Ecoindicador 99 a acidificação e a mudança climática provocada

pelo uso de combustíveis fósseis.

CONTATOS:

Eng. Mateus Henrique Rocha

mateus.rocha@unifei.edu.br

(35) 3629-1466

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia Mecânica

Av. BPS 1303 – C.P. 50 – CEP: 37500-930

Itajubá-MG – Brasil

www.nest.unifei.edu.br

Obrigado pela atenção!