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ARQUIVO DE RESPONSABILIDADE DO PROFESSOR ELECTO SILVA LORA

Capítulo 7

BIOCOMBUSTÍVEIS DE SEGUNDA GERAÇÃO – COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS PELA ROTA BTL

Maria Luiza Grillo RenóElecto Eduardo Silva LoraOsvaldo José Venturini

500 BIOCOMBUSTÍVEIS

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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 proprie-dades 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 gaseifi-cação da biomassa, e os principais combustíveis obtidos por esta rota, chamada de termoquímica, são: meta-nol, 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 inde-pendente 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 desen-volvimento 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 biomas-sa 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 biomas-sa 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 hidrocarbone-tos, 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 ba-seados em óxido de cobre, óxido de zinco, ou óxido de cromo, conforme as equações 7.3:

CO + 2H2 CH3OH (7.3)

CO2 + 3H2 CH3OH + H2O



A primeira reação é a síntese do metanol primário. Uma pequena quantidade de CO2 na alimen-tação (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), permi-tindo 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 pro-cessado 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 hidro-carbonetos. 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 apli-cação 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 efi-ciência, 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 sinté-ticos como uma alternativa aos combustíveis fósseis. Atualmente, o processo FT tem recebido mais aten-ção 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 car-beno, de hidroxicarbeno e de inserção de CO, os mais citados. Assim, os mesmos são descritos a seguir (DIJK, 2001):

I) Mecanismo de CarbenoO 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 HidroxicarbenoNo mecanismo hidroxicarbeno ocorre um crescimento da cadeia através de uma reação de con-

densação 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 CONo 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 Fischer-Tropsch. 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 bai-xas 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, adapta-das de Bartholomew e Farrauto (2005) e esquematizadas na figura 7.3.

CO + 3H2 CH4 + H2O DH298 = –247 Kj/mol (7.5)

nCO + 2nH2 CnH2n + nH2O (7.6)

CO + H2O CO2 + H2 DH298 = –41 kJ/mol (7.7)

2CO C + CO2 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 super-ficial) 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 apro-veitamento 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 li-neares 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 combina-

do (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, pre-judicando 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 milha-res 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 opera-cional, 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 conven-cionais. 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 lista-das na tabela 7.3.

Tabela 7.3 Propriedades do combustível diesel FT em relação ao petróleo (IEA, 1996), (FANICK, 2001)

Propriedades do combustível FT diesel Diesel fóssil

Fórmula química Parafinas C12H26

Número de cetanos >74 50

Densidade [kg/l] a 15°C 0,78 0,84

Poder calorífico inferior [MJ/kg] a 15ºC 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 autoigni-ção. Outra vantagem é possuir uma quantidade muito baixa de aromáticos e compostos de nitrogênio, tor-nando 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 apro-veitar 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 ve-zes 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 recen-temente foram desenvolvidos processos de produção de DME a partir do gás de síntese (equação 7.10) (KAVALOV e PETEVES, 2005): 2CH3OH CH3OCH3 + H2O (7.9)

CO + 2H2 CH3OH (7.10) CO2 + 3H2 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 absor-vido pelo solvente que contém partículas finas de catalisadores. Neste tipo de reator a eficiência da con-versão 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 tecnoló-

gico, 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)

Propriedades do combustível Dme Diesel fóssil

Fórmula química CH3OCH3 C12H26

Peso molecular [kg/kmol] 46 170-200

Número de cetanos 55-60 50

Densidade [kg/l] a 15°C 0,67 (20°C) 0,84

Poder calorífico inferior [MJ/kg] a 15ºC 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 ligno-celulósico 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 compo-nentes 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 produ-ção 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)

mWCalor consumido 28,8Calor produzido 84,4Calor disponível 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 dife-rentes 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 con-versão 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 em-pregada, como pode ser visto na tabela 7.9. A fração em massa do combustível FT para as diferentes tec-nologias 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 previa-mente 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 realiza-dos 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 prin-cipais 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 com-bustível, 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

entradas

licor negro kg/s 35,6

MWt PCI 350,7

Resíduos de madeira kg/s 30,7

MWt PCI 249,6

Óleo combustível MWt PCI 35,9

saídas

Gás de síntese da gaseificação da biomassa kg/s 32,6

PCI 7,0

MWt PCI 226,5

gás de síntese não convertido kg/s 7,0

MWt PCI 33,5

DME kg/s 5,92

MWt PCI 168,0

Tabela 7.13 Eficiência energética para produção do DME (LaRSON et alii, 2006)

Unidade valor

(*) Eficiência (base PCI)

Eletricidade % 13,9

DME % 26,4

Vapor % 31,4

soma % 71,1

(*) 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 apro-veitamento 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)

Plantas bTL entrada de biomassa [mWth]

Referência

2015 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 biomas-sa, desde julho de 2002. Na Alemanha, Espanha e Suíça também há incentivos, e estes foram introduzi-dos 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 biocom-bustíveis ou combustíveis renováveis (LARSON et alii, 2005).

Em Rotterdam pretende-se instalar uma planta de demonstração com capacidade de 600 MW, utilizan-do-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 Ale-manha, 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 pro-dutiva da planta.

7.4.2 metanol

A tecnologia de gaseificação de biomassa não se encontra ainda em escala comercial, sendo neces-sário 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 obten-do-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 poste-rior 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 cal-deiras da usina.

No mundo, atualmente há grande interesse no desenvolvimento de tecnologias que permitam redu-zir 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, diminuin-do 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 desen-volvimento. 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 in-vestimentos, 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 emis-sões 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 im-pactos 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 pro-priedades 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 tecno-logias 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 pro-cessa (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 apre-sentadas 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

metanolMatéria-prima (GJ/ton)

Matéria-prima (J/J)Eficiência térmica (%)

341,3972

401,7258

48250

Diesel FTMatéria-prima (kWh/kg)

Matéria-prima (J/J)Eficiência térmica (%)

0-61,6361,5

10-22,42,3542,5

02,2245

Outro exemplo que demonstra a influência da matéria-prima, como também da tecnologia empre-gada 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

ProcessoGaseificação

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 leito

fluidizado circulante



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

acumulativaMJ-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 distribui-ção 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 bio-combustíveis, durante um percurso de 1 milha (1,61 km).

Os biocombustíveis foram produzidos a partir de biomassa celulósica através dos seguintes proces-sos (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 ener-gético 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 bio-combustíveis 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.

7.6 ReFeRêNCIas

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