Ligia Antunes Almagro Alves de Souza

Ligia Antunes Almagro Alves de Souza

Normalização e Caracterização de Biomassas Sólidas e seus produtos com Finalidade Energética.

Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT, como parte dos requisitos para a obtenção do título de mestre em Tecnologia Ambiental.

Data da aprovação ____/_____/_______ ______________________________________ Prof. Dr. Eduardo Luiz Machado (Orientador) IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Membros da Banca Examinadora:

Prof. Dr. Eduardo Luiz Machado (Orientador) IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Prof. Dr. Antonio Maria Francisco Luiz José Bonomi (Membro) Centro de Ciência e Tecnologia do Bioetanol

Prof. Dr. Marcio Augusto Rabelo Nahuz (Membro) IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Ligia Antunes Almagro Alves de Souza

Normalização e Caracterização de Biomassas Sólidas e seus Produtos com Finalidade Energética

Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT, como parte dos requisitos para a obtenção do título de mestre em Tecnologia Ambiental.

Área de Concentração: Mitigação de Impactos Ambientais Orientador: Prof. Dr. Eduardo Luiz Machado

São Paulo Julho/2012

Ficha Catalográfica

Elaborada pelo Departamento de Acervo e Informação Tecnológica – DAIT do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT

S729n Souza, Ligia Antunes Almagro Alves de

Normalização e caracterização de biomassas sólidas e seus produtos com finalidade energética. / Ligia Antunes Almagro Alves de Souza. São Paulo, 2012. 86p.

Dissertação (Mestrado em Tecnologia Ambiental) - Instituto de Pesquisas

Tecnológicas do Estado de São Paulo. Área de concentração: Mitigação de Impactos Ambientais. Orientador: Prof. Dr. Eduardo Luiz Machado

1. Biomassa sólida 2. Produtos da biomassa 3. Fontes alternativas de energia 4. Normalização 5. Métodos de ensaio 6. Qualidade do produto 7. Tese I. Machado, Eduardo Luiz, orient. II. IPT. Coordenadoria de Ensino Tecnológico III. Título 12-72 CDU 620.95(043)

“O correr da vida embrulha tudo. A vida é assim: esquenta e esfria Aperta e daí afrouxa, sossega e

depois desinquieta. O que ela quer da gente é coragem...”

(Guimarães Rosa)

DEDICATÓRIA

Aos meus pais Doracy e Salvador (em memória), ao meu marido José Antonio e a minha filha Ana Claudia

AGRADECIMENTOS

A Deus, por mais uma etapa vencida; Ao meu marido José Antonio e a minha filha Ana Claudia pela paciência e insistência; Ao meu irmão Lineu, a minha cunhada- irmã Sirley e a minha sobrinha Carolina, por estarem ao meu lado em todos os momentos; Ao meu orientador Prof. Dr. Eduardo Luiz Machado. Seu incentivo e apoio foram fundamentais para a conclusão deste trabalho; Aos membros da banca Prof. Dr. Marcio Augusto Rabelo Nahuz e Prof. Dr. Antonio M. F. L. J. Bonomi, por suas importantes contribuições; Aos amigos do IPT, Heloisa, Ricardo, Pâmela, Renato e Patrícia pela amizade e incentivo em todos os momentos.

RESUMO

A instabilidade nos preços do petróleo, a ameaça de escassez, bem como a

preocupação com as mudanças climáticas, motivam a busca por fontes de energia

consideradas mais limpas. O Brasil, por suas condições climáticas e extensão

territorial, reúne inúmeras vantagens que o tornam capaz de atuar como líder no

mercado mundial de produtos agrícolas, agroindustriais e siviculturas, em particular

aqueles dedicados a energia. O objetivo deste trabalho consiste no levantamento do

panorama atual e das projeções da utilização da biomassa com finalidade

energética, bem como das normas e metodologias, visando identificar a necessidade

de normalização no Brasil. Os resultados do trabalho identificam a diversidade de

produtos que podem ser utilizados com finalidade energética e o aumento da

participação destes produtos na matriz energética mundial através de diferentes

processos de conversão. Estes processos terão melhor desempenho, quanto mais

definidas estiverem as propriedades destes produtos. O levantamento realizado

identificou a necessidade de normalização para estes produtos, a fim de estabelecer

padrões de qualidade que atenderão à demanda dos mercados interno e externo.

Palavras chave: biomassa, métodos de ensaio, normalização, especificações.

ABSTRACT

Standardization and Characterization of Solid Biomasses and their Byproducts for Energy Application

The instability in oil prices, the threat of shortages, as well as the general

concern about climate changes, motivate the search for cleaner energy sources.

Brazil, for its climate and land area, offers numerous advantages that make it capable

of being a leader in the global market for agricultural products, agribusiness and

forestry products, in particular those committed to energy. The objective of this work

is to survey the current status and the forecasts for the using of biomass for energy

purposes, as well as identify the standards and methodologies available in order to

recognize needs for standardization in Brazil. As a result, this work allowed

identifying a variety of products that can be used as energy sources and the

increasing share of those products in the energetic matrix by means of different

conversion processes, that will show increasingly performance as the specifications

of the properties become better defined. This survey has identified the need for

products standardization in order to establish quality standards that will meet the

needs from domestic and foreign markets.

Keywords: biomass, test methods, standards, specifications

Lista de Ilustrações

Figura 1 Projeção do consumo mundial de energia, 2007-2035 14 Figura 2 Projeção do uso de energia, 2007-2035, por tipo de combustível 15 Figura 3 Fontes de biomassa 21 Figura 4 Processos de conversão energética dos vegetais lenhosos 23 Figura 5 Evolução da oferta total de energia 27 Figura 6 Evolução da oferta total de energia na América Latina 27 Figura 7 Projeção do consumo mundial de energia por combustível e

por setor 28 Figura 8 Oferta total de energia primária global 29 Figura 9 Origem da biomassa utilizada na produção de energia 29 Figura 10 Oferta interna de energia por fonte – Mundo (2008) 30 Figura 11 Consumo mundial de energia por fonte (2008) 31 Figura 12 Geração de energia renovável (2010) 32 Figura 13 Oferta interna de energia elétrica no Brasil, por fonte, em 2010 35 Figura 14 Consumo final de energia, no Brasil, por fonte em 2010 36 Figura 15 Rotas de conversão energética da biomassa 38 Figura 16 Diagrama de fluxo da produção do etanol 42 Figura 17 Processo da produção de etanol por meio da hidrólise da biomassa 43 Figura 18 Processo de produção do biodiesel 45 Fotografia 1 Determinação do teor de umidade 58 Fotografia 2 Determinação do teor de cinzas 59 Fotografia 3 Determinação do teor de cinzas 59 Fotografia 4 Equipamento para a determinação de C, H, N 61 Fotografia 5 Equipamento para a determinação do enxofre total 62 Fotografia 6 Equipamento para a determinação do poder calorífico 63 Quadro 1 Principais produtores, exportadores e importadores de petróleo 13 Quadro 2 Produção de petróleo na América Central e América do Sul 14 Quadro 3 Métodos de ensaio europeus para biocombustíveis sólidos 47 Quadro 4 Biomassa herbácea 48 Quadro 5 Métodos de ensaio americanos para biocombustíveis sólidos 52 Quadro 6 Métodos de ensaio brasileiros para carvão vegetal 52 Quadro 7 Métodos de ensaios para o etanol 83 Quadro 8 Métodos de ensaios para o biodiesel 84

Lista de Tabelas

Tabela 1 Produção de energia a partir da biomassa das principais regiões do mundo 16

Tabela 2 Produção de energia da biomassa nas principais regiões do mundo 16 Tabela 3 Produção mundial dos principais produtos para obtenção

de energia 25 Tabela 4 Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004 25 Tabela 5 Oferta interna de energia no Brasil 35 Tabela 6 Especificação para pellets 49 Tabela 7 Especificações para o etanol 53 Tabela 8 Especificações para o biodiesel 54 Tabela 9 Escala granulométrica 86

Lista de Abreviaturas e Siglas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis ASTM American Society for Testing and Materials BEN Balanço Energético Nacional BNDES Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico CEN Comitê Europeu para Normalização CENBIO Centro Nacional de Referência em Biomassa DIN Deutsches Institut Fur Normung EN European Standardization IEA International Energy Agency IEO International Energy Outlook IPCC Intergovernmental Panel of Climate Change MME Ministério das Minas e Energia OCDE Organização de Cooperação e de Desenvolvimento Econômico PNE Plano Nacional de Energia REN21 Renewable Energy Policy Network for the 21st Century

Lista de Símbolos e Unidades

BTU British Thermal Unit bep barril equivalente de petróleo EJ exajoule GW gigawatts Mtoe milhões de toneladas equivalentes de petróleo MJ megajoule ppm partes por milhão tep tonelada equivalente de petróleo Twh terawatts-hora

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 13 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral 18 2.2 Objetivos Específicos 18 3 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 19 4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4.1 Biomassa 20 4.2 Fontes de biomassa 21 4.2.1 Vegetais não lenhosos 22 4.2.2 Vegetais lenhosos 23 4.2.3 Resíduos orgânicos 24 4.2.4 Resíduos agrícolas 24 4.2.5 Resíduos urbanos 26 4.2.6 Resíduos industriais 26 4.3 Situação da utilização energética da biomassa 26 4.3.1 Situação mundial 26 4.3.1.1 Geração de energía 31 4.3.1.2 Geração de calor 33 4.3.2 Situação no Brasil 34 4.4 Tecnologias de conversão da biomassa 37 4.4.1 Conversão termoquímica 39 4.4.1.1 Combustão direta 39 4.4.1.2 Gaseificação 39 4.4.1.3 Pirólise 40 4.4.2 Conversão bioquímica 41 4.4.2.1 Digestão anaeróbia 41 4.4.2.2 Fermentação 42 4.4.2.3 Hidrólise 43 4.4.3 Conversão físico-química 44 4.5 Regulamentação para o uso da biomassa sólida com finalidade

energética 45

5 Caracterização da biomassa sólida 5.1 Propriedades físico-químicas 56 5.1.1 Granulometria 56 5.1.2 Análise imediata 57 5.1.2.1 Umidade 57 5.1.2.2 Cinzas 58 5.1.2.3 Matérias voláteis 60 5.1.2.4 Carbono fixo 60 5.1.3 Análise elementar 60 5.1.3.1 Carbono, Hidrogênio e Nitrogênio 60 5.1.3.2 Enxofre 61 5.1.3.3 Oxigênio 62 5.1.4 Poder calorífico 62 5.2 Análise Química das Cinzas 63 6 CONCLUSÃO 64 REFERÊNCIAS 66

APÊNDICES

APÊNDICE A 83

APÊNDICE B 86

13

1 INTRODUÇÃO

Atualmente, o sistema energético internacional é fortemente dependente de

combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás). Cerca de 80% do consumo mundial

de energia se originam dessas fontes, que apresentou um crescimento anual de

cerca de 2% nos últimos 20 anos. A produção de petróleo está concentrada em

poucos países. Estados Unidos, Japão, China, Coréia, Índia e outros da União

Européia estão entre os maiores importadores, conforme demonstrado no Quadro 1.

Produtores Mt Exportadores Mt Importadores Mt

Rússia 494 Arábia Saudita 355 Estados

Unidos

564

Arábia Saudita 452 Rússia 241 Japão 199

Estados Unidos 320 Iran 120 China 175

Iran 206 Emirados árabes 108 Índia 128

China 194 Nigéria 102 Coréia 116

Canadá 152 Angola 92 Alemanha 105

México 146 Noruega 90 Itália 88

Venezuela 126 Iraque 89 França 83

Kuwait 124 Kuwait 88 Espanha 61

Emirados árabes 120 Venezuela 74 Reino Unido 57

Resto do mundo 1.509 Outros 593 Outros 514

Mundo 3.843 Mundo 1.952 Mundo 2.090

Quadro 1- Principais produtores, exportadores e importadores de petróleo (Mt) Fonte: International Energy Agency (IEA), 2010

O Quadro 2 mostra a produção de petróleo nos países da América Central e da

América do Sul. Observa-se que o Brasil é o segundo maior produtor da região

estando na frente da Argentina e atrás apenas da Venezuela.

Os preços do petróleo e seus derivados atingiram recentemente recordes históricos

e não há perspectivas, mantido o crescimento econômico mundial, de que declinem

sensivelmente nos próximos anos (GOLDEMBERG et al., 2008).

14

Produção de petróleo (mil barris/dia)

País 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Argentina 818 806 754 725 716 699 682 676 652 607

Brasil 1499 1555 1542 1716 1809 1833 1899 2029 2137 2193

Colômbia 601 564 551 554 559 561 616 685 801 930

Equador 401 427 535 541 545 520 514 495 495 509

Peru 98 92 94 111 116 114 120 145 157 153

Trinidad e Tobago 155 164 152 171 174 154 149 151 145 136

Venezuela 155 164 152 171 174 154 149 151 145 136

Outros 152 153 144 142 139 141 139 133 131 134

Quadro 2- Produção de petróleo na América Central e América do Sul (mil barris/dia) Fonte: BP Statistical Review of World Energy 2012 e ANP

O Relatório da International Energy Agency (IEA) de 2010 faz uma projeção de que

o consumo de energia aumentará 49% no período de 2007 a 2035, ou seja, 1,4 %

ao ano. A Figura 1 mostra a projeção do consumo mundial de energia.

Figura 1– Projeção do consumo mundial de energia, 2007-2035 (quatrilhões de BTU) Fonte: IEO 2010

A Figura 2 mostra a projeção do uso de energia, por tipo de combustível.

15

Figura 2 – Projeção do uso de energia, 2007-2035, por tipo de combustível (quatrilhões de BTU) Fonte: IEO 2010

A projeção demonstra que embora os combustíveis fósseis continuem a suprir a

maior parte da energia consumida no mundo, as energias renováveis apresentam

crescimento constante.

A necessidade da substituição dos derivados de petróleo devido à instabilidade

dos preços e à ameaça de escassez, bem como a preocupação com as mudanças

climáticas, causadas pela emissão de CO2, motivam a busca de fontes de energia

consideradas limpas. (CORTEZ et al.,2008).

Entre os recursos renováveis, a biomassa apresenta possibilidades de uma maior

participação dentro da matriz energética mundial. Atualmente, tem participação no

fornecimento de energia em proporções que variam de menos de 10% em países

industrializados, de 20 a 30% em países em desenvolvimento, sendo que em alguns

países, esta proporção pode chegar a 90%. (IEA, 2008). A biomassa moderna, que

inclui a produção de energia para a indústria, geração de energia e combustíveis

para transporte, tem apresentado uma contribuição crescente.

A biomassa oferece flexibilidade, pois tem várias aplicações, podendo ser

queimada diretamente para produzir eletricidade ou calor ou ser utilizada na

produção de combustíveis sólidos, líquidos ou gasosos por meio de tecnologias de

16

conversão. A Tabela 1 apresenta a produção de energia a partir da biomassa nas

principais regiões do mundo.

Tabela 1- Produção de energia a partir da biomassa das principais regiões do mundo (10

6 bep)

Região Biomassa

América Latina e Caribe 764

África 727

Ásia e Austrália 1.558

Oriente Médio 8

América do Norte 599

União Soviética antiga 312

Europa 255

Total 4.224 Fonte: OLADE, 2004 apud CORTEZ et al., 2008

Os dados demonstram que Ásia e Austrália, América Latina, Caribe e África são as

principais regiões produtoras de energia a partir da biomassa. A Europa e o Oriente

Médio, com menor disponibilidade de biomassa, tem a menor produção de energia

através desta fonte.

A Tabela 2 apresenta o incremento do uso da biomassa como fonte energética de

1999 até 2003.

Tabela 2- Produção de energia da biomassa nas principais regiões do mundo (10

6 bep)

Anos

África

América

do Norte

Ásia e

Austrália

Europa

Ocidental

América Latina

Oriente Médio

Rússia- Europa Oriental

Total

1999 721 592 1.545 253 700 8 310 4.130

2000 722 594 1.548 254 678 8 311 4.116

2001 724 595 1.551 254 697 8 312 4.142

2002 725 597 1.555 255 713 8 312 4.165

2003 727 599 1.558 255 764 8 313 4.224 Fonte: OLADE, 2004 apud CORTEZ et al., 2008

Os dados apresentados acima demonstram o aumento da utilização da biomassa

com finalidade energética, principalmente na América Latina.

Os resíduos industriais, agrícolas e florestais podem ser usados como fontes de

biomassa ou então o plantio energético de árvores e cana de açúcar, cultivados

especificamente para serem convertidos em energia. (HALL et al., 2005).

Uma vez que a produção fotossintética anual da biomassa é cerca de oito vezes

maior que a energia total usada no mundo e que essa energia pode ser produzida e

usada de forma ambientalmente sustentável, não resta dúvida de que essa fonte

potencial de energia armazenada deve ser cuidadosamente levada em consideração

17

em qualquer discussão sobre o fornecimento de energia nos dias atuais e no futuro.

(HALL et al., 2005).

O Brasil é um país que reúne vantagens comparativas que o tornam capaz de

atuar como líder no mercado mundial de produtos agrícolas, agroindustriais e

silviculturas, em particular aqueles dedicados a energia. Possui áreas disponíveis

para a agricultura com impactos ambientais circunscritos aos socialmente aceitos,

possibilidade de múltiplos cultivos ao longo de um único ano, intensa radiação solar,

diversidade de clima, de biodiversidade e a existência de desenvolvimento científico

e tecnológico agrícola, específico da zona tropical, associado a uma agroindústria

sólida e produtiva (MME, 2007).

Devido às várias fontes de biomassa e suas diferentes características, torna-se

necessário estabelecer a qualidade destes produtos, visando atender às diferentes

necessidades energéticas do mercado interno e também do mercado externo. O

estabelecimento de métodos de ensaio visando a caracterização a nível nacional

das biomassas brasileiras e seus produtos é fundamental para sua qualificação para

fins comerciais a nível nacional e internacional. É necessário, ainda, desenvolver

políticas que garantam a produção e utilização da biomassa de maneira sustentável

e eficiente.

18

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo geral deste trabalho é realizar um levantamento das especificações

existentes para o uso da biomassa sólida e seus produtos, utilizados com finalidade

energética, bem como os métodos de ensaio disponíveis para sua caracterização,

visando atender o mercado nacional e internacional.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar levantamento bibliográfico sobre a utilização da biomassa como fonte

energética;

Apresentar especificações internacionais para a biomassa sólida e seus

produtos;

Realizar levantamento das normas nacionais e internacionais para

caracterização da biomassa sólida e seus produtos;

Identificar as principais necessidades de normalização nacional visando a

utilização da biomassa sólida e seus produtos como fonte energética de forma

sustentável, eficiente e confiável.

19

3 MÉTODO E PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Os procedimentos adotados para este trabalho estão organizados da seguinte

forma:

a) Definição do tema e objetivos;

b) Revisão bibliográfica;

b.1) a biomassa como fonte de energia;

b.2) fontes de biomassa;

b.3) situação da utilização da biomassa no mundo e no Brasil;

b.4) processos de transformação de biomassa em energia;

b 5) regulamentação para o uso da biomassa sólida com finalidade energética

c) caracterização da biomassa

d) conclusão

De acordo com o sugerido por Severino (2002), para a elaboração desta

dissertação foi necessário fazer uma leitura analítica do material seguindo algumas

etapas, conforme citadas abaixo:

a) textual: primeira abordagem dos textos com vista à preparação para a

leitura, fazendo uma leitura rápida para se adquirir uma visão do conjunto da

mesma;

b) análise temática: compreensão da mensagem passada pelos textos,

determinando o tema-problema, a idéia central e as secundárias;

c) interpretativa: interpretação dos textos, aproximando e associando as idéias

dos mesmos com outras idéias relacionadas à mesma temática, exercendo

uma atitude crítica em termos de coerência, validade, profundidade, alcance e

juízo pessoal do material;

d) problematização: discussão do texto, identificando e debatendo questões

explícitas ou implícitas nos textos;

e) síntese pessoal: reelaboração pessoal da mensagem, elaborando um

novo texto mediante retomada pessoal e raciocínio personalizado, com

discussão e reflexão pessoais.

20

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste item será apresentada uma revisão dos principais tópicos que

fundamentam este trabalho.

4.1 Biomassa

A biomassa é produzida por organismos vivos, principalmente através da

atividade fotossintética das plantas, sendo produzida, também, por animais, insetos

e microorganismos. É composta essencialmente de polímeros complexos de

carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, enxofre em pequenas proporções e

elementos inorgânicos (DAMIEN, 2010).

A energia contida na biomassa é energia química associada com os átomos de

carbono e hidrogênio contidos nas moléculas orgânicas oxidáveis. Para organização

e assimilação dessas moléculas orgânicas e consequente produção de biomassa

vegetal, ocorre na natureza a conversão do dióxido de carbono e da água para uma

forma de combustível orgânico. Este processo é chamado de fotossíntese, sendo

indispensável para tal, a exposição de tecidos fotossintetizantes à energia solar. O

processo de fotossíntese pode ser resumido na equação abaixo:

nCO2 + mH2O Luz solar

Cn (H2O)m + nO2

Na reação de fotossíntese, o termo Cn(H2O)m é usado para representar uma

classe de compostos orgânicos conhecidos como carboidratos, os quais têm origem

no decorrer da reação. De uma forma geral, os organismos fotossintetizantes

assimilam cerca de 0,1% a 3,0% da energia solar incidente original, a qual é uma

medida da energia máxima recuperável pelo organismo, se convertida em um

combustível sintético. Parte dessa energia pode, contudo, ser degradada pela

formação de produtos intermediários e haverá, de fato, perdas associadas à

conversão da biomassa em um combustível tradicional (FONSECA, 2009).

21

4.2 Fontes de biomassa

A biomassa pode ser obtida através de vegetais não lenhosos, vegetais

lenhosos e também de resíduos orgânicos onde se encontram resíduos agrícolas,

urbanos e industriais (CORTEZ et al., 2008).

A Figura 3 mostra, em um esquema, as fontes de biomassa.

Figura 3 - Fontes de biomassa Fonte: Adaptado de MME, 1982 apud CORTEZ et al., 2008

22

4.2.1 Vegetais não lenhosos

Os vegetais não lenhosos são produzidos a partir de cultivos anuais e são

usualmente classificados de acordo com sua principal substância de

armazenamento de energia, podendo ser: sacarídeos, celulósicos, amiláceos,

oleaginosas e aquáticos (CENBIO, 2011).

Segundo o Centro Nacional de Referência em Biomassa (CENBIO):

- Sacarídeos: é o grupo que contempla os vegetais que possuem como tecido de

armazenamento os açúcares, como sacarose. A sacarose é produzida a partir de

uma molécula de glicose e uma de frutose. Esses açúcares geralmente são

utilizados para fermentação e produção de etanol. Ex: cana-de-açúcar; beterraba,

etc.

- Celulósicos: apesar da celulose ser um dos constituintes principais da parede

celular de todos os vegetais, esse grupo contempla os vegetais que não possuem

como tecido de reserva a sacarose, amido ou óleo, sendo de utilidade energética

somente sua estrutura morfológica. Em alguns processos, é necessária a hidrólise

do material para que se possa utilizar os carboidratos em sua forma mais simples.

Ex: capim-elefante; gramíneas forrageiras, etc.

- Amiláceos: esse grupo contempla os vegetais que possuem como tecido de

armazenamento o amido. Os amidos são carboidratos complexos, que devem ser

transformados para obtenção de açúcares mais simples para fermentação. Ex:

milho, mandioca, batata-doce, etc.

- Oleaginosas: esse grupo contempla os vegetais que possuem óleos e gorduras

que podem ser extraídos através de processos adequados. Os óleos extraídos são

substâncias insolúveis em água (hidrofóbicas), que na temperatura de 20° C exibem

aspecto líquido. As gorduras distinguem-se dos óleos por apresentar um aspecto

sólido à temperatura de 20° C. São formados predominantemente por triglicerídeos,

compostos resultantes da condensação entre um glicerol e ácidos graxos. Ex: óleo

de girassol; óleo de soja; óleo de mamona, etc.

- Aquáticos: esse grupo considera as plantas aquáticas que possuem potencial para

geração de energia. Entre elas estão o aguapé ou lírio aquático; algas e microalgas.

23

4.2.2 Vegetais lenhosos

Vegetais lenhosos são aqueles capazes de produzir madeira como tecido de

suporte. Do ponto de vista energético, essa produção de madeira faz com que, por

meio de processos e tecnologias específicos, haja a disponibilidade de conversão de

energia. A Figura 4 demonstra os diferentes processos de conversão para a

obtenção de energia através destes vegetais.

Figura 4 – Processos de conversão energética dos vegetais lenhosos Fonte: ANEEL, 2005

A obtenção da madeira é feita a partir de florestas nativas ou florestas plantadas.

As florestas nativas têm servido de reserva energética por séculos, porém os

métodos de extração dessa biomassa, por muitas vezes, dão-se de maneira não

sustentável. As árvores necessitam de tempo para crescer e não podem ser

consideradas como uma fonte inesgotável de energia, portanto constituem recursos

que necessitam ser adequadamente manejados para que continuem disponíveis.

Uma atitude puramente extrativa tem outras sérias consequências além do

24

esgotamento de madeira, como o empobrecimento do solo e o aumento da erosão.

(CENBIO, 2011).

Florestas plantadas com finalidade energética são plantações florestais com

grande número de árvores por hectare, de curta rotação, com finalidade de produzir

maior volume de biomassa em menor espaço de tempo. (COUTO, L; MÜLLER, M;

in CORTEZ et al, 2008). O Brasil tem uma das melhores produtividades do mundo

com relação a florestas de eucalipto, permitindo sua exploração, por meio do

aproveitamento da biomassa, sem desflorestamento.

A cadeia produtiva do setor brasileiro de florestas plantadas caracteriza‑se pela

grande diversidade de produtos, compreendendo um conjunto de atividades que

incluem a produção, a colheita e a transformação da madeira até a obtenção dos

produtos finais.

Os produtos madeireiros envolvem a produção de lenha, carvão vegetal, madeira

em toras, produtos de madeira sólida e de madeira processada, como painéis

reconstituídos de madeira e compensado. O segmento de painéis reconstituídos

envolve a produção de aglomerado, MDF, OSB e chapa de fibra. Os produtos de

madeira sólida incluem, entre outros, a madeira serrada. Além dos produtos

madeireiros deve-se considerar a contribuição de produtos florestais não madeireiros

associados a florestas plantadas que incluem, entre outros, resina, mel e óleos

essenciais. (PNE 2030)

4.2.3 Resíduos orgânicos

Os resíduos orgânicos são utilizados para a geração de fontes alternativas de

energia. Estes resíduos são provenientes da agricultura, das atividades urbanas e

da indústria.

4.2.4 Resíduos agrícolas

Os principais resíduos utilizados em nível mundial na tentativa de se estimar o

potencial energético são os resíduos vegetais. (CORTEZ et al., 2008).

25

A Tabela 3 apresenta a produção mundial dos principais resíduos utilizados para a

obtenção de energia.

Tabela 3 – Produção mundial dos principais produtos para a obtenção de energia

Matéria prima Produção (toneladas métricas)

Produção de resíduos (toneladas métricas)

Cana (bagaço) 1.318.178.070 395.453.421

Arroz (casca) 608.496.284 172.934.644

Mandioca (rama) 195.574.112 58.261.528

Milho (palha e sabugo) 705.293.226 934.442.995

Soja (restos de cultura) 206.409.525 320.966.811

Algodão 67.375.042 16.843.760

Beterraba 237.857.862 -

Fonte: CORTEZ et al., 2008

Da Tabela 3, observa-se que a matéria prima de maior produção mundial é a cana

de açúcar. Segundo Cortez et. al., esta produção é encabeçada pelo Brasil com

quase 400 milhões de toneladas métricas de produção anual, seguido por Índia,

China, Tailândia, Paquistão e México. A China é o maior produtor de arroz (187

milhões de toneladas métricas). Os Estados Unidos são os maiores produtores de

milho (300 milhões de toneladas métricas) e de soja (86 milhões de toneladas

métricas). A União Européia é a maior produtora de beterraba, com

aproximadamente 127 de toneladas métricas. A Tabela 4 relaciona a produção de

matéria prima e seus resíduos no Brasil.

Os resíduos florestais são constituídos de materiais gerados tanto na coleta como

no processamento da madeira (aparas e serragem). Os resíduos gerados na cadeia

produtiva constituem-se de 7% de casca, 10% de serragem e 28% de pedaços, não

sendo consideradas as perdas na extração da madeira (CORTEZ et al., 2008).

Tabela 4- Produção de matéria-prima e seus resíduos no Brasil em 2004

Matéria prima Produção agrícola (toneladas)

Produção total de resíduos (toneladas)

Cana (bagaço) 396.012.158 59.401.824

Arroz (casca) 10.334.603 2.937.094

Café (casca) em coco 2.454.470 1.662.658

Mandioca (rama) 21.961.082 6.542.206

Milho (palha e sabugo) 48.327.323 64.028.870

Soja (restos de cultura) 51.919.440 80.746.839

Mamona 111.100 -

Algodão 2.199.268 -

Fonte: CORTEZ et al., 2008

26

4.2.5 Resíduos urbanos

O crescimento populacional juntamente com o crescimento industrial acarreta o

aumento da geração de resíduos. Segundo a Companhia de Saneamento e

Tecnologia Industrial - CETESB, no Estado de São Paulo são produzidos

cerca de 26 mil toneladas diárias de resíduos sólidos domiciliares. Os

resíduos urbanos são aqueles gerados em ambientes domésticos e comerciais,

sendo compostos por restos de comida, plásticos, vidros, latas, embalagens, papel

entre outros.

Segundo Cortez et al., 2008, o teor de matéria orgânica do lixo brasileiro é de

aproximadamente 60%, o que lhe confere bom potencial energético.

4.2.6 Resíduos Industriais

Os resíduos industriais são provenientes do beneficiamento de produtos agrícolas

e industriais.

A indústria madeireira produz resíduos a partir do beneficiamento de toras, como

casca, cavaco, pó de serra, aparas, entre outros (CORTEZ et al., 2008).

As indústrias de alimentos e bebidas geram resíduos como cascas e resíduos de

produtos vegetais (cascas, palha, bagaço etc.).

A atividade pecuária é responsável pela geração de resíduos na forma de

excrementos de animais. Estes resíduos são gerados pelos principais rebanhos

(bovino, suíno e ovino). A quantidade de resíduos produzidos por estes rebanhos é

estimada em mais de 400 milhões de toneladas por ano. (Revista Brasileira de

Biomassa, 2012).

4.3 Situação da utilização energética da biomassa

4.3.1 Situação mundial

O fornecimento de energia sustentável é um dos principais desafios que a

humanidade terá que enfrentar nas próximas décadas.

27

As Figuras 5 e 6 mostram a evolução da oferta total de energia no mundo e na

América Latina, em Mtoe.

Figura 5 – Evolução da oferta total de energia Fonte: IEA, 2010

Figura 6 – Evolução da oferta total de energia na América Latina Fonte: IEA, 2010

28

Os combustíveis renováveis incluem a madeira, resíduos vegetais, etanol e

material de origem animal. Observa-se através das figuras acima, que a oferta de

energia produzida a partir destes materiais tem crescido ao longo dos anos.

A bioenergia tem uma contribuição substancial no atendimento da demanda de

energia global. Esta contribuição tende a se expandir de forma significativa,

proporcionando menor emissão líquida de gases efeito estufa, contribuindo para a

segurança energética, oferecendo oportunidades para o desenvolvimento

econômico de comunidades rurais e na melhoraria da gestão dos recursos e

resíduos. (IEA, 2009).

A Figura 7 mostra a projeção da contribuição, por fonte e por setor. Observa-se o

crescimento da utilização da biomassa nos setores do transporte, industrial e

residencial.

Figura 7 – Projeção do consumo mundial de energia por combustível e por setor Fonte: IEA, 2009

Segundo o IEA, as energias renováveis representaram 12,9% do total de 492 EJ

do fornecimento de energia primária em 2008. (IPCC 2011).

A Figura 8 demonstra a contribuição das fontes de energia na oferta total de energia

primária global.

29

Figura 8 – Oferta total de energia primária global Fonte: IPCC 2011

A maior contribuição de energia renovável veio da biomassa, 10,2%, sendo que a

maior parte (cerca de 60%) foi utilizada na culinária tradicional e no aquecimento,

com o aumento do uso da biomassa moderna.

A Figura 9 mostra a origem da biomassa para a produção de energia.

Figura 9– Origem da biomassa utilizada na produção de energia Fonte: Fonte: IPCC 2011

30

Mais de 80% tem origem nos derivados da madeira (árvores, ramos, resíduos). A

porcentagem restante vem do setor agrícola (culturas energéticas, resíduos e

subprodutos) e fluxos comerciais e de resíduo pós consumo (reciclagem de

biomassa de produtos ou processamento ou da fração orgânica biogênica de

resíduos sólidos urbanos) (IPCC 2011).

A Figura 10 representa a oferta de energia a nível mundial, segundo dados

apresentados no Balanço Energético Nacional 2011.

Figura 10 – Oferta de energia por fonte – Mundo (2008) Fonte: BEN, 2011

Segundo o BEN 2011, o consumo mundial de energia em 2008 foi de

8.428x106 Mtoe contra 4.672 x106 Mtoe, consumidos em 1973. A Figura 11 ilustra o

consumo mundial de energia, por fonte, em 2008.

31

Figura 11 – Consumo mundial de energia, por fonte (2008) Fonte: BEN, 2011

A utilização da biomassa sólida com finalidade energética aumentou a uma taxa

média de 1,5% ao ano. A produção de combustíveis líquidos e gasosos, obtidos a

partir da biomassa moderna, teve um aumento de 12,1% a 15,4% no período de

1990 a 2008. A geração de energia a partir de biomassa e de resíduos foi de 0,93 EJ

em 2007 e 0,96 EJ em 2008, representando 1% da energia mundial, o dobro de

1990 (0,47 EJ). A maior parte do aumento no uso de biocombustíveis em 2007 e

2008 ocorreu nos países da OCDE, principalmente na América do Norte e Europa.

(IPCC, 2011).

4.3.1.1 Geração de energia elétrica.

A Figura 12 mostra a produção de energia elétrica através de fontes renováveis

em 2010 no mundo e nos países com maior produção desta fonte de energia.

32

Figura 12- Geração de energia renovável (2010) Fonte: REN21,2011 Segundo o relatório de 2011 da REN 21, os cinco países com maior produção de

energia através de fontes renováveis em 2010, não considerando as fontes hídricas,

foram os Estados Unidos, China, Alemanha, Espanha e Índia. A energia hidráulica é

utilizada em aproximadamente 150 países, sendo os países com maior produção de

energia elétrica por esta fonte a China, Brasil, Estados Unidos e Rússia. Podem ser

citados também como grandes produtores de energia através da biomassa na União

Européia, a Alemanha, Suécia e Reino Unido e Brasil, China e Japão. Nos Estados

Unidos, a maior parte da biomassa destinada à produção de eletricidade é

proveniente da madeira, resíduos agrícolas e do licor negro, queimados como

combustível para co-geração no setor industrial.

A produção bruta de eletricidade através da biomassa aumentou

aproximadamente 10,2% entre 2008 e 2009 na União Européia. Deste total, a

biomassa sólida representou aproximadamente 71%, sendo 29% restantes

contabilizados para o biogás. A produção de eletricidade através de biomassa sólida

triplicou entre 2001 e 2009, sendo que no início de 2010 aproximadamente 800

usinas de biomassa operavam na Europa. O crescimento do uso da biomassa na

geração de energia e calor tem sido impulsionado por políticas, acoplados aos

impostos sobre os combustíveis fósseis e nas emissões de CO2, bem como nas

33

regulamentações para as reduções na deposição de resíduos orgânicos. (REN 21,

2011).

O Japão gerou aproximadamente 10 TWh de energia com biomassa em 2010. A

China gerou 4 GW, acarretando um crescimento de 25% em 2010, utilizando

combinação de bagaço de cana, biomassa sólida, resíduos orgânicos e biogás a

partir de resíduos animais. Na Índia, os recursos da biomassa são utilizados na

geração de energia acarretando um aumento de 0,3 GW na geração de energia.

(REN 21, 2011).

4.3.1.2 Geração de calor

A biomassa moderna continua a fornecer a maior parte da geração de calor

produzido através de fontes renováveis. Isto inclui a geração de calor proveniente da

queima de derivados sólidos, líquidos ou gasosos da biomassa com finalidade de

aquecer água, ambiente e cozinhar. Estas aplicações variam de aplicações

residenciais a grandes sistemas de aquecimento, combinando a produção

combinada de calor e energia. Em 2008, o uso mundial de biomassa moderna para

a geração de calor totalizou 11.600 PJ (REN 21, 2011).

Suécia, Finlândia e Dinamarca lideram o mercado europeu de aquecimento com

biomassa produzindo aproximadamente 70% de todo o calor vendido nas redes

distritais da União Européia. Na Suécia, a biomassa tornou-se a fonte de energia

primária para aquecimento doméstico em 2008, sendo utilizada diretamente em

aparelhos para aquecimento ou por meio de esquemas de aquecimento urbano. A

participação da biomassa (32%) no fornecimento total da energia da Suécia

(aquecimento, energia e transporte) ultrapassou o petróleo (31%). A Dinamarca gera

cerca de 10% de sua energia e parte significativa de seu aquecimento a partir da

biomassa em plantas de cogeração (REN 21, 2011).

Pellets de biomassa estão se tornando um combustível cada vez mais comum na

União Européia. São utilizados principalmente na geração de eletricidade na Bélgica

e na Holanda. Na Suécia e Dinamarca, os pellets são queimados principalmente nas

centrais de cogeração, sendo amplamente utilizados no aquecimento de edifícios

comerciais e residenciais. A União Européia consumiu mais de 11 milhões de

toneladas de pellets de madeira em 2010, um aumento de 7% sobre o consumo de

2009. A Suécia consumiu duas milhões de toneladas em 2010 e na Alemanha foram

34

consumidos aproximadamente um milhão de toneladas. Como resultado, as

exportações de pellets de madeira do Canadá e dos Estados Unidos para Europa

dobrou entre 2008 e 2010 (REN21, 2011).

4.3.2 Situação no Brasil

A geração de energia elétrica no Brasil em centrais de serviço público e

autoprodutores atingiu 509,2 TWh em 2010, resultado 10,0% superior ao de 2009.

As centrais de serviço público contribuem com 87,5% da geração total. A principal

fonte é a energia hidráulica, que apresentou elevação de 3,7% em 2010. A geração

a partir de combustíveis fósseis representou 9,8% do total das centrais de serviço

público contra 8,9% em 2009. A geração de autoprodutores em 2010 apresentou

expressivo crescimento de 18,4% com relação ao ano anterior, considerando o

agregado de todas as fontes utilizadas (BEN, 2011).

O Brasil apresenta uma matriz de geração elétrica de origem predominantemente

renovável, sendo que a geração interna hidráulica responde por montante superior a

74,% da oferta. Somando as importações, que essencialmente também são de

origem renovável, pode-se afirmar que aproximadamente 86% da eletricidade no

Brasil é fornecida por fontes renováveis (BEN, 2011).

Em 2010, com acréscimo de aproximadamente 7,1 GW, a capacidade instalada

das centrais de geração de energia elétrica do Brasil alcançou 113.327 MW, na

soma das centrais de serviço público e autoprodutoras. Deste total, as centrais

hidráulicas representam 71,2%, ao passo que centrais térmicas respondem por

26,2% da capacidade total. As usinas nucleares participam com 1,8% sendo o

restante (0,8%) de origem eólica (BEN, 2011).

A Tabela 5 apresenta dados sobre a oferta de energia, por fonte, no Brasil, nos

últimos dois anos.

35

Tabela 5- Oferta interna de energia no Brasil (103 tep)

Fonte 2009 2010

Energia não renovável 128.710 146.425

Petróleo e derivados 92.559 100.992

Gás natural 21.145 27.716

Carvão mineral e coque 11.572 13.860

Urânio (U3O8) 3.434 3.857

Energia renovável 115.260 122.329

Hidráulica e eletricidade 36.966 37.659

Lenha e carvão vegetal 24.610 26.072

Derivados da cana 44.447 47.785

Outras renováveis 9.237 10.813

Total 243.970 268.754

Fonte: BEN, 2011

A Figura 13 apresenta a oferta interna de energia elétrica, por fonte, no Brasil, em

2010.

Figura 13- Oferta interna de energia elétrica no Brasil, por fonte, em 2010 Fonte: BEN, 2011

36

A fonte hidráulica corresponde a 74% da geração interna de energia, tornando

esta matriz predominantemente renovável.

A Figura 14 apresenta o consumo final de energia por fonte, no Brasil, em 2010.

Figura 14 – Consumo final de energia no Brasil, por fonte, em 2010 Fonte: BEN 2011 Elaborado pelo autor

Segundo os dados apresentados no BEN 2011, os principais consumidores de

energia da biomassa, que inclui bagaço de cana, lenha, carvão vegetal, álcool e

outras fontes renováveis, são o setor industrial, 49,6%, o setor energético, 18,6%, o

setor de transportes 17,0% e o setor residencial, 11%.

A cana-de-açúcar é um recurso com grande potencial, dentre as fontes de

biomassa, para geração de eletricidade existente no país, por meio da utilização do

bagaço e da palha. A participação é importante não só para a diversificação da

matriz elétrica, mas também porque a safra coincide com o período de estiagem na

região Sudeste/Centro-Oeste, onde está concentrada a maior potência instalada em

hidrelétricas do país. A eletricidade fornecida neste período auxilia, portanto, a

preservação dos níveis dos reservatórios das usinas hidroelétricas. Vários fatores

contribuem para o cenário de expansão. Um deles é o volume já produzido e o

37

potencial de aumento da produção da cana-de-açúcar, estimulada pelo consumo

crescente de etanol. De acordo com estimativas da Unica (União da Indústria de

Cana-de-Açúcar de São Paulo), em 2020 a eletricidade produzida pelo setor poderá

representar 15% da matriz brasileira, com a produção de 14.400 MW médios (ou

produção média de MWh ao longo de um ano), considerando-se tanto o potencial

energético da palha e do bagaço quanto a estimativa de produção da cana, que

deverá dobrar em relação a 2008, e atingir 1 bilhão de toneladas. (ANEEL, 2008).

A lenha é um recurso energético de grande importância. Florestas energéticas

podem ser cultivadas exclusivamente com a finalidade de produzir lenha, carvão

vegetal, briquetes e licor negro para uso industrial.

4.4 Tecnologias de conversão da biomassa

A biomassa pode ser classificada em três categorias, de acordo com a tecnologia

empregada na sua utilização energética (PNE 2030):

- tecnologias tradicionais de uso da biomassa (ou biomassa tradicional): combustão

direta de madeira, lenha, carvão vegetal, resíduos agrícolas, resíduos de animais e

urbanos, para cocção, secagem e produção de carvão;

- tecnologias “aperfeiçoadas” de uso da biomassa (ou biomassa “aperfeiçoada”):

tecnologias aperfeiçoadas e mais eficientes de combustão direta de biomassa, tais

como fogões e fornos.

- tecnologias modernas de uso da biomassa (ou biomassa moderna): tecnologias

avançadas de conversão de biomassa em eletricidade e o uso de biocombustíveis.

(PNE 2030). A Figura 15 apresenta as rotas de conversão energética da biomassa.

São consideradas “biomassas modernas”, os biocombustíveis (etanol e biodiesel),

madeira de reflorestamento, bagaço de cana de açúcar e outras fontes desde que

utilizadas de maneira sustentável, utilizadas em processos tecnológicos avançados e

eficientes (PNE 2030).

As chamadas “biomassas tradicionais” são aquelas não sustentáveis, utilizadas de

maneira rústica, em geral para suprimento residencial (cocção e aquecimento de

ambientes) em comunidades isoladas. Pode-se destacar a madeira de

desflorestamento, resíduos florestais e dejetos de animais (PNE 2030). O maior

exemplo do uso de biomassa moderna são os biocombustíveis. No Brasil, o

38

Programa do Álcool, por meio da obrigatoriedade da utilização da mistura do etanol

de cana de açúcar em todos os veículos leves do país, foi responsável pelo

crescimento do setor sucroalcooleiro que promoveu o desenvolvimento tecnológico

de processos industriais e da agroindústria (PNE 2030).

Figura 15 – Rotas de conversão energética da biomassa

Fonte: PNE 2030

39

4.4.1 Conversão termoquímica

Estes processos utilizam o calor como fonte de transformação da biomassa em

energia.

4.4.1.1 Combustão direta

Combustão é a transformação da energia química dos combustíveis em calor, por

meio das reações dos elementos constituintes com o oxigênio fornecido. É a forma

mais antiga e frequentemente aplicada de utilização da biomassa como fonte de

energia por causa de seu baixo custo, facilidade de manuseio É utilizada e fogões

para a cocção de alimentos, fornos (na metalurgia) e caldeiras (como na geração de

vapor). Durante a combustão, a biomassa perde a sua umidade a temperaturas até

100°C, utilizando calor emitido por outras partículas. À medida em que seca, gases

voláteis contendo hidrocarbonetos, monóxido de carbono, metano e outros

componentes gasosos são libertados no processo de combustão. Estes gases

contribuem com cerca de 70% do valor de aquecimento (ANEEL, 2005; Eur 21350,

2005).

4.4.1.2 Gaseificação

A gaseificação é um processo termoquímico de converter um insumo sólido ou

líquido em gás com características basicamente combustíveis, através de sua

oxidação parcial a temperaturas intermediárias, isto é, temperaturas acima das

recomendadas nos processos de pirólise rápida e abaixo das recomendadas no

processo de combustão. (LORA et al. in CORTEZ et al., 2008).

O gás resultante é uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio, metano,

dióxido de carbono e nitrogênio, cujas proporções variam de acordo com as

condições do processo, particularmente se é ar ou oxigênio que está sendo usado

na oxidação (ANEEL, 2005). Este gás tem várias aplicações práticas, desde a

combustão em motores alternativos de combustão interna e turbinas a gás para a

geração de energia mecânica e elétrica, para a geração direta de calor ou como

matéria prima na obtenção de combustíveis líquidos e outros processos químicos,

através de processos de síntese química catalítica. De maneira geral, quando

40

produzindo eletricidade ou calor, o processo de gaseificação deve competir, técnica

e economicamente, com a combustão direta da biomassa, combustíveis fósseis ou

outros combustíveis alternativos (LORA et al. in CORTEZ et al., 2008).

As razões práticas para se decidir pela gaseificação da biomassa são numerosas

e dependem das condições locais. A gaseificação da biomassa pode reduzir a

dependência de regiões e países às flutuações nos preços dos combustíveis

importados. Em muitas circunstâncias a gaseificação apresenta vantagens

significativas sobre a queima direta da biomassa ou de combustíveis fósseis (LORA

et al. in CORTEZ et al., 2008).

Pode-se afirmar que existem duas principais rotas de interesse para a produção e

expansão em escala da tecnologia de gaseificação. A primeira é a produção

combinada de calor e de energia elétrica. O gás combustível deverá ter qualidade de

média para alta, dependendo da rota posterior para o uso, isto é, queima direta em

fornos, fornalhas ou caldeiras, ou diversos tipos de acionamentos primários, tais

como turbinas a vapor, turbinas a gás, motor alternativo de combustão interna, etc.

(LORA et al. in CORTEZ et al., 2008).

A segunda rota é a obtenção de gás de síntese, gás de elevada qualidade que

pode ser posteriormente reformado em reator catalítico ou fermentativo para a

obtenção de combustíveis líquidos hidrocarbonetos, alcoóis, hidrogênio, além de

alguns insumos químicos e especialidades químicas, como ésteres, amônia etc.

(LORA et al. in CORTEZ et al., 2008).

4.4.1.3 Pirólise

A pirólise é um processo físico-químico no qual a biomassa é aquecida a

temperaturas relativamente baixas (500°C-800°C) em atmosfera não oxidante,

dando lugar à formação de um resíduo sólido rico em carbono (carvão) e uma fração

volátil composta de gases e vapores orgânicos condensáveis (licor pirolenhoso). As

proporções desses compostos dependem do método de pirólise empregado, dos

parâmetros do processo e das características do material a ser tratado

(BEENACKERS e BRIDGWATER, 1989 apud LUENGO et al. in CORTEZ et al.,

2008).

O processo de pirólise consiste em conjunto de complexas reações químicas

acompanhadas de processos de transferência de calor e massa. As reações que

41

incidem diretamente sobre o substrato celulósico são denominadas reações

primárias e aquelas que incidem na decomposição dos produtos intermediários,

como vapores orgânicos, são denominadas reações secundárias. Essas reações

ocorrem durante a degradação dos principais componentes da biomassa: a

hemicelulose, celulose e lignina ( PINHEIRO et. al., 2001; MARCOS MARTIN, 1989

apud LUENGO et al. in CORTEZ et al., 2008).

O tipo de biomassa e os parâmetros do processo têm influência decisiva no tipo

de produto resultante e nas proporções das frações sólidas, líquidas e gasosas

obtidas. Os principais parâmetros que tem influência direta nos resultados do

processo são: temperatura, tempo de residência, taxa de aquecimento, pressão, tipo

de atmosfera e uso de catalisadores (PINHEIRO et. al., 2001; MARCOS MARTIN,

1989 apud LUENGO et al. in CORTEZ et al., 2008).

As características finais dos produtos obtidos também dependem em grande parte

das propriedades físico-químicas da matéria prima utilizada, por exemplo, a maior

parte das frações voláteis são formadas da celulose e da hemicelulose. Por outro

lado, a lignina contribui para a formação de 50% do carbono fixo na fração sólida.

Desta forma, materiais com alto teor de lignina são mais apropriados para a

obtenção de alta concentração de carbono fixo na fração sólida. Outro fator

importante é a granulometria, que influencia diretamente nos tipos de reações. Em

pedaços muito grandes de madeira, os voláteis permanecem no interior do sólido por

um período no qual são favorecidas as reações secundárias, enquanto nas

partículas menores os voláteis são eliminados rapidamente do interior do sólido,

favorecendo as reações primárias (PINHEIRO et. al., 2001; MARCOS MARTIN,

1989 apud LUENGO et al. in CORTEZ et al., 2008).

4.4.2 Conversão bioquímica

4.4.2.1 Digestão anaeróbia

Digestão anaeróbia é o processo que utilizando resíduos orgânicos diversos

produz metano (CH4) como gás combustível, e se realiza em biodigestores, uma

tecnologia madura e bem estabelecida, onde a degradação natural da matéria

orgânica, tal como a biomassa, se efetua por populações bacterianas na ausência

42

do oxigênio, produzindo biogás, uma mistura de metano (CH4) e de dióxido de

carbono (CO2), sendo que a concentração volumétrica de metano varia entre 40% a

75%, em função do tipo de matéria orgânica processada (PNE, 2030). Seu

conteúdo energético gira em torno de 5.500 kcal por metro cúbico (ANEEL, 2005).

4.4.2.2 Fermentação

Fermentação é um processo biológico anaeróbio em que os açúcares são

convertidos em álcool, por meio da ação de microrganismos (usualmente leveduras).

O etanol produzido pode ser utilizado como combustível (puro ou adicionado à

gasolina – cerca de 20%) em motores de combustão interna (ANEEL, 2005). O

diagrama do fluxo da produção do etanol a partir da cana-de-açúcar é apresentado

na Figura 16.

Figura 16 - Diagrama de fluxo da produção do etanol Fonte: BNDES, 2008

43

Praticamente qualquer material contendo açúcares, em especial glicose e frutose,

ou sacarídeos feitos a partir desses açúcares, pode ser sujeito à fermentação

alcoólica. No Brasil, as matérias-primas mais importantes são as provenientes da

cana de açúcar, respectivamente o caldo de cana, o melaço e mistura desses dois

componentes (FINGUERUT et al. in CORTEZ et al., 2008).

No mundo todo são utilizadas também matérias primas amiláceas. O amido

presente no milho, trigo, cevada, mandioca, arroz, etc., embora seja um

polissacarídeo da glicose, tem, no processo industrial, a desvantagem de ter de ser

convertido previamente em açúcares fermentáveis (glicose e maltose), pois a imensa

maioria dos organismos industrialmente usados não consegue converter

significativamente o amido em álcool (FINGUERUT et al. in CORTEZ et al., 2008).

4.4.2.3 Hidrólise

O processo de hidrólise consiste na quebra da biomassa lignocelulósica,

composta por polissacarídeos, para eventual fermentação e produção de etanol. A

Figura 17 mostra o processo da produção do etanol por meio da hidrólise da

biomassa.

Figura 17 – Processo da produção do etanol por meio da hidrólise da biomassa Fonte: adaptado de Hamelinck et al., (2005).

A primeira etapa do processo consiste no pré-tratamento mecânico da matéria

prima, que visa à limpeza e à “quebra” do material, a fim de causar a destruição da

sua estrutura celular e torná-la mais acessível aos tratamentos químicos ou

biológicos posteriores. A etapa seguinte consiste na remoção da lignina e na

hidrólise da hemicelulose, que também pode ser denominada pré-tratamento. Para

essa etapa, existem diversos tipos de processos, com diferentes rendimentos e

efeitos distintos sobre a biomassa e consequente impacto nas etapas subsequentes.

Na etapa de hidrólise, a celulose é convertida em glicose, que pode ser catalisada

por ácido diluído, ácido concentrado ou enzimas (BNDES, 2008).

44

A hidrólise ácida (tanto concentrada quanto diluída) ocorre em dois estágios para

aproveitar as diferenças entre a hemicelulose e a celulose. O primeiro envolve a

hidrólise da hemicelulose, conduzida conforme as condições do pré-tratamento

discutidas anteriormente. No segundo estágio, temperaturas mais altas são

aplicadas, buscando otimizar a hidrólise da fração celulósica.

No processo enzimático, a hidrólise é catalisada por enzimas chamadas

genericamente de celulases. Assim como nos processos ácidos, existe a

necessidade de um pré-tratamento para expor a celulose ao ataque das enzimas

(BNDES, 2008).

4.4.3 Conversão físico-química

A via de conversão físico-química da biomassa é aquela que utiliza técnicas de

compressão e extração de óleos vegetais de oleaginosas para posterior modificação

química através do processo de óleos através da esterificação. Os óleos vegetais

esterificados podem ser utilizados em motores a combustão interna, pois adaptam

as propriedades do combustível às exigências dos motores de ciclo diesel

(VERINGA, 2000 apud PNE 2030).

A transesterificação é o processo mais utilizado para a produção do biodiesel.

Consiste na reação de um lipídio com um álcool para formar ésteres e um

subproduto, o glicerol (ou glicerina). Como essa reação é reversível, é necessário

um excesso de álcool para forçar o equilíbrio para o lado do produto desejado. Um

catalisador é normalmente usado para acelerar a reação, podendo ser básico, ácido

ou enzimático. O hidróxido de sódio é o catalisador mais usado tanto por razões

econômicas como pela sua disponibilidade no mercado. As reações com

catalisadores básicos são mais rápidas do que com catalisadores ácidos (LIMA,

2004).

São utilizados na transesterificação o metanol, etanol, propanol, butanol e amil-

álcool. O tipo de catalisador, as condições da reação e a concentração de impurezas

numa reação de transesterificação determinam o caminho que a reação segue

(LIMA, 2004).

A Figura 17 apresenta o processo de produção do biodiesel.

45

Figura 18 – Processo de produção do biodiesel Fonte: LIMA, 2004

As tecnologias de conversão energética da biomassa apresentadas fornecem

perspectivas para a utilização da biomassa para a produção de energia, calor,

eletricidade, combustíveis para o setor de transportes e combustíveis gasosos. As

tecnologias de conversão de biomassa para formas utilizáveis comercialmente

variam em termos de escala, qualidade do combustível e custo. Tecnologias de

larga-escala que já estão no mercado incluem a produção de etanol, combustão em

leito fixo, leitos fluidizados, combustão e co-combustão de carvão e biomassa,

recuperação de resíduos sólidos urbanos assim como diversos tipos de sistemas

para gaseificação, pirólise, etc. (GOLDEMBERG, 2009).

4.5 Regulamentação para o uso da biomassa sólida com finalidade energética

Como descrito anteriormente, a biomassa sólida é obtida através de diferentes

fontes e possuem diferentes propriedades químicas e físico-químicas. As tecnologias

de conversão da biomassa sólida e de seus produtos em energia são mais eficientes

quanto mais definidas e conhecidas são estas propriedades. Estas informações

também são importantes, para o projeto de equipamentos, controle de emissões e

de corrosão.

46

É necessário estabelecimento de parâmetros de qualidade e de métodos de

ensaios para suas determinações visando garantir as necessidades dos

consumidores e de fabricantes de equipamentos utilizados nos processos de

transformação da biomassa em energia.

A necessidade do atendimento da demanda interna e de importação levou a

Comunidade Europeia a desenvolver normas para os biocombustíveis sólidos. Este

processo se iniciou em 1998, com um workshop sobre biocombustíveis sólidos,

promovido pelo Comitê Europeu para Normalização (CEN) através de uma

programação mandatória da Comissão Europeia. Nos últimos anos, o Comitê

Técnico TC 335 “Biocombustíveis Sólidos” preparou 30 normas nos seguintes

campos:

Terminologia e definições - a norma EN 14588 apresenta definições para

termos utilizados na produção, utilização e análises de biocombustíveis sólidos.

Classes, especificações de biocombustíveis sólidos e qualidade – a

norma

EN 14961 abrange especificações e classes e está dividida em seis partes:

- Parte 1 – Requisitos Gerais;

- Parte 2 - Pellets de madeira para uso não industrial;

- Parte 3 - Briquetes de madeira para uso não industrial;

- Parte 4 - Cavacos de madeira para uso não industrial;

- Parte 5 - Madeira para aquecimento para uso não industrial;

- Parte 6 - Pellets produzidos por outros materiais, exceto madeira, para uso não

industrial.

Amostragem e redução de amostra – as normas EN 14778 e EN 14780

apresentam planos de amostragem e a preparação de amostras dos

biocombustíveis sólidos;

Propriedades físicas, mecânicas e químicas

47

O Quadro 2 relaciona os métodos de ensaio já desenvolvidos pelo Comitê Técnico

TC 335.

Propriedade Norma

Poder calorífico EN 14918

Densidade aparente EN 15103

Umidade EN 14774, partes 1 a 3

Matéria volátil EN 15148

Cinzas EN 14775

Carbono, hidrogênio e nitrogênio EN 15104

Enxofre e cloro EN 15289

Conteúdo solúvel em água de cloro, sódio e potássio EN 15105

Alumínio, cálcio, ferro, magnésio, fósforo, potássio, silício, sódio e titânio

EN 15290

Arsênio, cádmio, cobalto, cromo, cobre, mercúrio, manganês, molibdênio, níquel, chumbo, antimônio, selênio, estanho, vanádio e zinco

EN 15297

Tamanho de partícula EN 16126

Distribuição de partículas EN 15149 partes 1 e 2

Durabilidade mecânica de pellets e briquetes EN 15210 partes 1 e 2

Quadro 3- Métodos de ensaio europeus para biocombustíveis sólidos Fonte: CEN Elaborado pelo autor

Referente a classes, especificações e qualidade a norma DIN EN 14961-1(2010),

consultada para a elaboração deste trabalho abrange os seguintes produtos:

- produtos florestais e da agricultura;

- resíduos florestais e da agricultura;

- resíduos vegetais do processamento da indústria de alimentos;

- resíduos de madeira, com exceção dos resíduos que contenham compostos

halogenados ou metais pesados, resultantes de tratamento com preservativos de

madeira ou pintura, que incluem os resíduos gerados da construção ou de

demolição e

- resíduos vegetais gerados da produção de polpa e de papel através de polpa.

A biomassa aquática não está incluída no escopo desta especificação.

48

A classificação por origem e fonte inclui:

biomassa de madeira;

biomassa herbácea;

biomassa originada de frutas e

blendas e misturas

A biomassa de madeira é gerada por árvores e arbustos. Na biomassa herbácea

estão incluídos os grãos e seus subprodutos como os cereais. A biomassa de frutas

é originada de parte de plantas ou de uma planta ou de sementes. As misturas são

divididas como formadas não intencionalmente (misturas) ou formadas com certos

índices de mistura (blendas). O propósito da classificação é possibilitar diferenciar e

especificar o biocombustível com base na sua origem e fonte com o detalhamento

necessário (ALAKANGAS et al., 2008).

O Quadro 4 apresenta a classificação fornecida pela norma DIN EN 14961-1 para

a biomassa herbácea da agricultura e horticultura.

2.1.1Cultura de cereais 2.1.1.1 Planta inteira

2.1.1.2 Palha

2.1.1.3 Grãos ou sementes

2.1.1.4 Cascas ou vagens

2.1.1.5 Blendas e misturas

2.1.2 Gramíneas 2.1.2.1Planta inteira

2.1.2.2 Palha

2.1.2.3 Sementes

2.1.2.4 Vagens


2.1.3 Sementes oleaginosas 2.1.3.1 Planta inteira

2.1.3.2 Caules e folhas

2.1.3.3 Sementes

2.1.3.4 Cascas ou vagens


2.1.4 Tubérculos 2.1.4.1 Planta inteira


2.1.4.3 Raízes


49

2.1.5 Leguminosas 2.1.5.1 Planta inteira


2.1.5.3 Frutos

2.1.5.4 Vagem


2.1.6 Flores 2.1.6.1 Plantas inteiras


2.1.6.3 Sementes


2.1.7 Biomassa herbácea segregada de jardins, parques, rodovias, manutenção, vinhas e

pomares

2.1.8 Blendas e misturas

Quadro 4 – Biomassa herbácea Fonte: Tabela 1 – DIN EN 14961-1

A qualidade foi especificada para os mais importantes biocombustíveis comerciais

como briquetes e pellets (produzidos de madeira e de outros tipos de biomassa),

cavacos de madeira, toras de madeira, serragem, casca e fardos de palha.

A Tabela 6 apresenta as propriedades especificadas para briquetes fabricados

através de biomassa de madeira, herbácea, frutas, blendas e misturas.

Tabela 6- Especificação para pellets

Origem Biomassa de madeira Biomassa herbácea Biomassa de frutas Blendas e misturas

Classe Diâmetro (mm)/Comprimento (mm

Dimensões (mm)

Classe Diâmetro (mm)/Comprimento (mm

D 06 6 ± 1,0/ 3,15 ≤ C≤ 40

D 08 8 ± 1,0 / 3,15 ≤ C≤ 40

D 10 10 ± 1,0/ 3,15 ≤ C≤ 40

D 12 12 ± 1,0/ 3,15 ≤ C≤ 40

50

Tabela 6 – Especificação para pellets (continuação)

D 25 25 ± 1,0 /10 ≤ C≤ 40

Umidade (% em massa como recebido)

M10 ≤ 10

M15 ≤ 15

Cinzas % em base seca

A0.5 ≤ 0,5

A0.7 ≤ 0,7

A1.0 ≤ 1,0

A1.5 ≤ 1,5

A2,0 ≤ 2,0

A3.0 ≤ 3,0

A5.0 ≤ 5,0

A7.0 ≤ 7,0

A10.0 ≤ 10,0

A 10.0+ > 10,0

Durabilidade mecânica (% em massa de pellets depois do ensaio)

%

DU97.5 ≥ 97,5

DU96.5 ≥ 96,5

DU95.0 ≥ 95,o

DU95.0- < 95,0 (valor mínimo a ser estabelecido)

Quantidade de finos (% em massa <3,15 mm)

F1.0 ≤ 1,0

F2.0 ≤ 2,0

F3.0 ≤ 3,0

F5.0+ >5,0 (valor máximo a ser estabelecido

Densidade como recebida kg/m3

BD550 ≥ 550

BD600 ≥600

BD650 ≥650

BD700 ≥700

BD700+ >700 (valor mínimo a ser estabelecido

Poder calorífico inferior valor como recebido MJ/kg – valor a ser estabelecido

51

Tabela 6 – Especificação para pellets (continuação)

Enxofre % em massa

S0.02 ≤ 0,02

S0.05 ≤ 0,05

S0.08 ≤ 0,08

S0.10 ≤ 0,10

S0.20 ≤ 0,20

S0.20+ >0,20 (valor máximo a ser estabelecido)

Nitrogênio, N (1) % em base seca

N0.3 ≤ 0,3

N0.5 ≤ 0,5

N1.0 ≤ 1,0

N2.0 ≤ 2,0

N3.0 ≤ 3,0

N3.0+ >3,0 (valor máximo a ser estabelecido

Cloro, Cl (1) % em massa

Cl0.02 ≤ 0,02

l0.03 ≤ 0,03

Cl0.07 ≤ 0,07

Cl0,10 ≤ 0,10

Cl0.10+ >0,10 (valor máximo a ser estabelecido)

(1) Normativo para biomassas quimicamente tratadas. Informativo para todos os combustíveis que não são tratados quimicamente

Fonte: Tabela 4 – Norma DIN EN 14961-1

Para cinzas, por exemplo, o valor após o símbolo A1,0 significa que o valor médio

das cinzas deverá ser ≤ 1,0% para esta classe.

A norma DIN EN 14961-1 apresenta, também, ilustrações sobre a biomassa a

partir da madeira, valores típicos para várias propriedades para biomassas sólidas,

exemplos das possíveis causas de desvios para diferentes propriedades e cálculo do

poder calorífico em diferentes bases.

O Quadro 5 apresenta os métodos de ensaio americanos para os biocombustíveis

sólidos (madeira e biomassa).

52

Propriedade Norma

Umidade ASTM D 1762; ASTM E 871

Cinzas ASTM E 1755; ASTM D 1102

Matérias voláteis ASTM D 1762

Preparação de amostra ASTM E 1757

Densidade aparente ASTM E 873

Quadro 5 - Métodos de ensaio americanos para biocombustíveis sólidos Fonte: ASTM Elaborado pelo autor

No Brasil, não existem métodos de ensaio específicos para biomassa. Os métodos

de ensaio existentes contemplam carvão vegetal. O Quadro 6 relaciona os métodos

de ensaio para este material.

Propriedades Norma

Análise imediata ABNT NBR 8112

Densidade relativa aparente, relativa verdadeira e porosidade ABNT NBR 9165

Poder calorífico ABNT NBR 8633

Amostragem e preparação de amostra ABNT NBR 6923

Enxofre total ABNT NBR 11377

Índice de quebra e abrasão ABNT NBR 8740

Índice de quebra ABNT NBR 7416

Granulometria ABNT NBR 7402

Massa específica (densidade a granel) ABNT NBR 6922

Quadro 6 – Métodos de ensaio brasileiros para carvão vegetal Fonte: ABNT Elaborado pelo autor

4.5.1 Biocombustíveis líquidos

Embora não seja o objetivo deste trabalho, serão abordadas, também, as

especificações existentes para os biocombustíveis líquidos.

Em 2007, foi elaborado pelo Brasil, União Européia e Estados Unidos, um

documento sobre compatibilização de normas internacionais de biocombustíveis

(White Paper on Internationally Compatible Biofuels Standards).

53

Para apoiar o comércio mundial de biocombustíveis, representantes do Brasil,

União Européia e Estados Unidos, concordaram em promover, sempre que possível,

a compatibilidade entre as especificações dos biocombustíveis (etanol e biodiesel).

Esta compatibilidade apoiaria a exportação e a importação destes produtos em um

mercado global. As tabelas 7 e 8 apresentam os valores estabelecidos nas

especificações brasileiras, europeias e americanas, para o etanol e para o biodiesel.

Tabela 7- Especificações para o etanol

Característica ANP

n°07/2011 DIN EN

15376/2008 ASTM

D 4806/2011a

Etanol - mín. 99,3 °INPM 98,0(%v)

98,7(%m/m) 92,1(%v)

Água - máx. - 0,3(%m/m) 1,0(%v)

Acidez total - máx. 30 mg/L 0,007(%m/m) 56 mg/L

Cobre - máx. 0,07 mg/kg 0,1 mg/kg 0,1mg/kg

Metanol – máx. 1(%v) 1(%m) 0,5(%v)

Resíduo por evaporação – máx. 5 mg/100mL - -

Goma lavada – máx. 5 mg/100mL - 5 mg/100mL

Teor de desnaturante – máx. - - 1,96 – 5,0(%v)

Cloreto – máx. 1 mg/kg 20 (mg/l) 10 mg/kg

pHe - - 6,5 – 9,0

Enxofre – máx. - 10 mg/kg 30 mg/kg

Sulfato – máx. 4 mg/kg - 4 ppm

Aparência

Límpido e isento de impurezas

Límpido -

Condutividade elétrica – máx. 350 S/m - -

Massa específica a 20°C – máx. 791,5 kg/m3 - -

Teor de hidrocarbonetos – máx. 3,0 %v - -

Fósforo – máx. - 0,5 mg/L -

54

Tabela 7- Especificações para o etanol (continuação)

Característica ANP

n°07/2011 DIN EN

15376/2008 ASTM

D 4806/2011a

Ferro – máx. 5 mg/kg - -

Sódio – máx. 2 mg/kg - -

Material não volátil – máx. - 10 mg/100 ml -

Fonte: Elaborado pelo autor

Tabela 8- Especificações para o biodiesel

Característica Unidade ANP

n° 14/12

EN

14214/10

ASTM D

6751/11

Viscosidade cinemática

40°C

mm2/s 3,0-6,0 3,5 - 5,0 1,9 - 6,0

Ponto de Fulgor – mín. °C 100,0 101 93

Resíduo de C – máx. %m/m 0,050

(100% am.)

0,30

(10% dest.)

0,050

(100% am.)

Enxofre total – máx. mg/kg 10 10 15 / 500

Na + K – máx. mg/kg 5 5 5

Corrosão – máx. - 1 1 3

Número de cetano – mín. - Anotar 51 47

Índice de acidez – máx. mgKOH/g 0,50 0,50 0,50

Glicerol total – máx. %m/m 0,25 0,25 0,240

Metanol/etanol – máx. %m/m 0,20 - -

Metanol – máx. - - 0,2%m/m 0,2 %v

Estabilidade à oxidação –

mín.

h 6 6 3

Teor de éster – mín. %m/m 96,5 96,5 -

Massa específica kg/m3 850-900

(20°C)

860-900

(15°C)

-

Cinza sulfatada – máx. %m/m 0,020 0,02 0,020

Água – máx. mg/kg 500 500 -

Água e sedimentos – máx. %v - - 0,050

Contaminação total – máx. mg/kg 24 24 -

Índice de iodo – máx. g Iodo/

100g

Anotar 120 -

Monoacilglicerol – máx. %m/m 0,80 0,80 -

55

Tabela 8- Especificações para o biodiesel (continuação)

Característica Unidade ANP

n° 14/12

EN

14214/10

ASTM D

6751/11

Diacilglicerol – máx. %m/m 0,20 0,20

Triacilglicerol – máx. %m/m 0,20 0,20

Glicerol livre – máx. %m/m 0,02 0,02 0,020

Destilação (90% rec.) – máx. °C - - 360

Ca + Mg – máx. mg/kg 5 5,0 5

Fósforo – máx. mg/kg 10 4,0 10

Ponto de entupimento –

máx.

°C 19 -44 a 5 -

Ponto de névoa °C - - Anotar

Éster metílico de ácido

linolênico – máx.

%m/m - 12,0 -

Ésteres metílicos

poliinsaturados – máx.

%m/m - 1 -

Filtrabilidade s - - 360

Fonte: Elaborado pelo autor

Para o etanol, apesar das revisões realizadas nas três especificações, existem

ainda, diferenças significativas entre elas, como para as características de acidez

total, teor de cloreto e no teor mínimo de etanol, onde a grande diferença entre a

especificação americana e as demais se deve à presença de desnaturantes no teor

máximo de 5%.

Para o biodiesel, a ANP, após avaliação de parâmetros de qualidade fornecidos

pelos produtores e testes em frotas, realizou a revisão especificação, onde foram

determinadas a maioria das características que não possuíam limites especificados

anteriormente.

As principais diferenças estão na estabilidade à oxidação, massa específica,

viscosidade, índice de iodo, ácido linolênico e éster metílico poliinsaturados.

Algumas diferenças são explicadas pelas especificações do combustível em cada

país. Outro fator que contribui para estas diferenças é a utilização do biodiesel. No

Brasil e nos Estados Unidos o biodiesel é utilizado juntamente com óleo diesel. Na

Europa, o biodiesel é utilizado puro e em mistura. Para os dois combustíveis devem

ser consideradas, também, as diversas matérias primas utilizadas.

56

A compatibilização destas especificações é importante para sua comercialização.

Os métodos de ensaios devem estar alinhados para melhor avaliação destas

especificações. Nos últimos anos a ABNT – Associação Brasileira de Normas

Técnicas, em elaborado vários métodos de ensaio aplicados à análise destes

biocombustíveis.

No Apêndice A, são apresentados os métodos de ensaio utilizados pelas três

especificações apresentadas.

5 Caracterização da biomassa sólida

A caracterização da biomassa sólida é necessária para sua adequada utilização,

fornecendo informações sobre suas propriedades de maneira a proporcionar um

melhor aproveitamento nos processos de conversão. São relacionadas abaixo, as

principais características a serem determinadas para estes produtos.

5.1 Propriedades físico-químicas

5.1.1 Granulometria

A análise granulométrica é obtida através da separação mecânica das diferentes

frações de tamanho do material através do uso de um conjunto de peneiras

padronizadas, de aberturas de furos conhecidas e colocadas acima da outra de

forma gradativa, começando desde acima com a peneira de maior abertura. O

conjunto de peneiras padronizadas da série Tyler é o mais utilizado. (CORTEZ et. al,

2008).

A série Tyler (malhas Tyler) é representada por peneiras identificadas por meio de

algarismos numéricos. Dessa forma, as classes de tamanho de partículas que se

determinam através de uma análise de peneiramento são designadas considerando-

se um número para a peneira que deixou passar uma fração de material e outro

número para designar a peneira que a reteve (CORTEZ et. al, 2008). A Tabela 9 do

Apêndice B relaciona as escalas granulométricas.

57

5.1.2 Análise imediata

A análise imediata fornece a porcentagem em massa de umidade, matérias

voláteis, cinzas e carbono fixo de amostras de biomassa.

5.1.2.1 Umidade

O teor de umidade é definido como a massa de água contida na biomassa sólida

e pode ser determinada pela diferença dos pesos de uma amostra antes e após a

secagem.

O teor de umidade presente na biomassa interfere em outras propriedades como

o poder calorífico, que decresce com o aumento da umidade. A determinação

consiste em secagem em estufa com circulação de ar, a temperatura de 105°C±2°C

até peso constante (Fotografia 1).

As normas utilizadas para esta determinação são as seguintes:

- ABNT NBR 8112 – Carvão vegetal – Análise imediata – Método de ensaio

- ASTM D 3173 – Standard Test Method for Moisture in Analysis Sample of Coal and

Coke.

- DIN EN 14774-1/EN14774-2 – Solid biofuels - Methods for determination of

moisture content – Oven dry method

- ASTM D 1762- Standard Test Method for Chemical Analysis of Wood Charcoal

- ASTM E 871- Standard Test Method for Moisture Analysis of Particulate Wood

Fuels

58

Fotografia 1 – Estufa para a determinação do teor de umidade Fonte: o autor

5.1.2.2 Cinzas

As cinzas são resultantes da combustão dos componentes orgânicos e oxidações

dos componentes inorgânicos. Podem se originar de elementos metálicos já

presentes, areia, argila, sais ou solo misturados a biomassa durante sua colheita ou

manuseio. Podem ser compostas por silício, potássio, sódio, enxofre, cálcio, fósforo,

magnésio e ferro. Sua presença em alta concentração podem diminuir o poder

calorífico e afetar a transferência de calor (MOERS et al., 2011).

O teor de cinzas é determinado através da queima da amostra a temperaturas de

575°C±25°C a 700°C±10°C, por períodos de duas horas ou até queima completa do

material (Fotografias 2 e 3).

As normas utilizadas para esta determinação são as seguintes:


- ASTM D 3174 – Standard Test Method for Ash in the Analysis Sample of Coal and

Coke from Coal

- ASTM E 1755 – Standard Test Method for Ash in Biomass

- DIN EN 14775 – Solid biofuels – Method for determination of ash content

59

Fotografia 2- Mufla para a determinação do teor de cinzas Fonte: o autor

Fotografia 3- Cinzas Fonte: o autor

60

5.1.2.3 Matérias voláteis O teor de matérias voláteis determina a facilidade com que a biomassa queima. É

importante durante a ignição e nas etapas iniciais da combustão. Sua determinação

é realizada a 900°C±10°C. São utilizadas as seguintes normas:


- ASTM D 3175 - Standard Test Method for Volatile Matter in the Analysis Sample of

Coal and Coke

- ASTM E 1756 – Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass

- DIN EN 15148 – Solid biofuels – Method for determination of the content of volatile

matter

5.1.2.4 Carbono fixo

O teor de carbono fixo é determinado pela diferença entre os valores de cinzas e

matérias voláteis.

5.1.3 Análise elementar

A análise elementar determina a porcentagem em massa de carbono (C),

hidrogênio (H), nitrogênio (N), enxofre (S) e oxigênio (O). Constitui base para análise

dos processos de combustão, como cálculo dos volumes de ar, gases e entalpia,

determinando o poder calorífico do combustível (CORTEZ et. al, 2008).

5.1.3.1 Carbono, Hidrogênio e Nitrogênio

A determinação é realizada através das seguintes normas:

- ASTM D 5373 – Standard Test Methods for Instrumental Determination of Carbon,

Hydrogen and Nitrogen in Laboratory Samples of Coal (Fotografia 4)

- ASTM D 3176 – Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke

- DIN EN 15104 – Solid biofuels – Determination of total content of carbon, hydrogen

and nitrogen – Instrumental methods

61

Fotografia 4 – Equipamento para a determinação de C, H, N Fonte: o autor

5.1.3.2 Enxofre

O teor de enxofre é determinado através das seguintes normas:

- ASTM D 3176 – Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke

- ASTM D 4239 – Standard Test Method for Sulfur in the Analysis Sample of Coal

and Coke Using High Temperature Tube Furnace Combustion (Fotografia n° 5)

- DIN EN 15289 – Solid biofuels – Determination of total content of sulphur and

chlorine

62

Fotografia 5 – Equipamento para a determinação do enxofre total Fonte: o autor

5.1.3.3 Oxigênio

O teor de oxigênio é determinado por diferença dos teores de carbono,

hidrogênio, nitrogênio, enxofre e cinzas.

5.1.4 Poder calorífico Poder calorífico pode ser definido como a quantidade de energia liberada na

forma de calor durante a combustão completa da unidade de massa do combustível.

É expresso como poder calorífico superior (PCS) e poder calorífico inferior (PCI). O

poder calorífico superior representa o calor liberado, ou seja, a quantidade máxima

de energia que pode ser obtida da transferência de calor do combustível. No poder

calorífico inferior não se considera o calor latente de condensação da umidade dos

produtos de combustão.

A diferença entre PCS e PCI é a energia requerida para evaporar a umidade

presente no combustível e a água de formação obtida a partir da oxidação do

63

hidrogênio do combustível (CORTEZ et. al, 2008). O ensaio é realizado através de

bombas calorimétricas adiabática ou isoperibol. O poder calorífico é determinado

através das seguintes normas:

- ASTM D 5865 – Standard Test Method for Gross Calorific of Coal and Coke

(Fotografia 6)

- DIN EN 14918 – Solid biofuels – Determination of calorific value

Fotografia 6- Equipamento para a determinação do poder calorífico Fonte: o autor

5.2 Análise Química das Cinzas

A determinação da composição química das cinzas é importante para o

desempenho do equipamento e na poluição atmosférica.

- Altas concentrações de enxofre, cloro, potássio e sódio causam problemas de

emissões (HCl e SOx), depósitos e corrosão;

- Potássio causa incrustações em caldeiras e a emissão de partículas finas;

- Metais pesados (Cd, Pb, Zn, Cr, Cu, Hg, As) causam problemas ambientais

(Nogueira, 2007).

64

5 CONCLUSÃO

A biomassa com finalidade energética pode ser obtida de diferentes fontes

possuindo diferentes propriedades físicas, químicas e mecânicas. O levantamento

realizado identificou as diversas possibilidades da utilização da biomassa sólida na

geração e co-geração de energia bem como o aumento de sua participação na

matriz energética mundial.

Através de processos de conversão da biomassa sólida podem ser produzidos

combustíveis destinados à geração de energia elétrica, calor, transporte, entre

outros produtos. O comércio de pellets produzidos a partir de resíduos,

principalmente de madeira, tem grande potencial, principalmente na Europa,

possuindo o Brasil condições de atender a esta demanda.

A revisão bibliográfica realizada demonstra que existe carência de normalização

para a biomassa sólida e seus produtos no Brasil. Diferentemente do etanol e do

biodiesel, estes produtos não possuem especificações e métodos de ensaios

estabelecidos. A normalização é importante para que a qualidade destes produtos

seja conhecida, de forma a obter seu melhor aproveitamento nos diversos processos

de conversão, bem como para o controle das emissões geradas.

O estabelecimento de especificações técnicas, para os principais biocombustíveis

sólidos e seus produtos utilizados para a geração de energia no Brasil, permitirá

estabelecer parâmetros físico-químicos que atenderão ao consumo interno e

facilitarão sua comercialização no mercado internacional. Do mesmo modo, os

métodos de ensaio para estes biocombustíveis deverão ser elaborados alinhados

aos métodos internacionais.

Outro tema a ser abordado é o desenvolvimento de materiais de referência que

atendam às propriedades para a biomassa sólida e seus produtos. A utilização de

materiais de referência para a calibração de equipamentos permitem ensaios mais

precisos e exatos, garantindo a qualidade destes produtos.

65

Através da criação de grupos de trabalho, coordenados pela INMETRO, ABNT e

ANP, será possível o desenvolvimento de especificações e métodos de ensaio

nacionais para biomassas sólidas e seus produtos, atendendo a demanda do

mercado nacional e internacional.

66

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83

APÊNDICE A – Métodos de Ensaio utilizados para etanol e biodiesel

Característica ANP

n°07/2011 DIN EN

15376/2008 ASTM

D 4806/2011a

Etanol - mín. ABNT NBR

15639/ASTM D 5501

EC/2870/2000 Método I,

Apêndice II, Método B

ASTM D 5501

Água - máx. ASTM E 203 EN 15489 ASTM E 203

Acidez total - máx. ABNT NBR

9866 EN 15491 ASTM D 1613

Cobre - máx. ABNT NBR

11331 EN 15488 ASTM D 1688

Metanol – máx. - EC/2870/2000

Método III ASTM D 5501

Resíduo por evaporação – máx. - - -

Goma lavada – máx. ASTM D 381 - ASTM D 381

Teor de desnaturante – máx. - - -

Cloreto – máx. ABNT NBR

10894/ASTM D 7328/D 7319

EN 15484/ EN 15492

ASTM D 7319/ASTM D

7328

pHe - - ASTM D 6423

Enxofre – máx. - EN 15485/ EN 15486

ASTM D 2622/D 3120/D 5453/D 7039

Sulfato – máx.

ABNT NBR 10894/ASTM D 7328/ASTM D

7319

- ASTM D

7318/D 7319/ D 7328

Aparência - -

Condutividade elétrica – máx. ABNT NBR

10547 - -

Massa específica a 20°C – máx. ABNT NBR

15639 - -

Teor de hidrocarbonetos – máx.. ABNT NBR

13993 - -

Fósforo – máx.. - EN 15487 -

Material não volátil – máx. - EC/2870/2000

Método II -

Ferro – máx. ABNT NBR

11331 - -

Sódio – máx. ABNT NBR

10422 -

Quadro 7 – Métodos de ensaios para o etanol

84

Característica ANP

no 07/08

EN 14214/10

ASTM D 6751/11

Viscosidade cinemática 40oC

ABNT NBR 10441

EN ISO 3104 ASTM D 445

Ponto de Fulgor – mín. ABNT NBR 14598

EN ISO 2719/3679 ASTM D 93

Resíduo de C – máx. ASTM D 4530 EN ISO 10370 ASTM D

4530

Enxofre total – máx. ASTM D 5453 EN ISO 20846/20884 ASTM D

5453

Na + K – máx. ABNT NBR

15553/15554/15555/15556

EN14108/14109/14538 EN 14538

Corrosão – máx. ABNT NBR 14359

EN ISO 2160 ASTM D 130

Número de cetano – mín. ASTM D 613/D 6890 EN ISO 5165 ASTM D 613

Índice de acidez – máx. ABNT NBR 14448

EN 14104 ASTM D 664

Glicerol total – máx. ABNT NBR 15344

EN14105

ASTM D 6584

Metanol/etanol – máx. ABNT NBR 15343

EN14110 -

Metanol – máx. - - EN 14110

Estabilidade à oxidação – mín.

EN 14112 EN15751/141122 EN15751

Teor de éster – mín. ABNT NBR 15342

EN 14103 -

Massa específica ABNT NBR 7148/14065

EN ISO 3675/12185 -

Cinza sulfatada – máx. ABNT NBR 6294

ISO 3987 ASTM D 874

Água – máx. ASTM D 6304 EN ISO 12937 -

Água e sedimentos – máx. - - ASTM D

2709

Contaminação total – máx. EN ISO 12662 EN 12662 -

Índice de iodo – máx. EN 14111 EN14111 -

Monoglicerídeos – máx. ABNT NBR 15342/15344

EN14105 -

Diglicerídeos – máx. ABNT NBR 15342/15344 EN14105 -

Triglicerídeos – máx. ABNT NBR 15342/15344 EN14105 -

Glicerol livre – máx. ABNT NBR 15341

EN14105/14106

ASTM D 6584

Destilação (90% rec.) – máx. - - ASTM D

1160

Ca + Mg – máx. ABNT NBR 15553/15556

EN14538 EN14538

Fósforo – máx. ABNT NBR 15553

-

ASTM D 4951

Ponto de entupimento – máx. ABNT NBR 14747

-

Ponto de névoa - - ASTM D

2500

85

Característica ANP

no 07/08

EN 14214/10

ASTM D 6751/11

Éster metílico de ácido linolênico – máx.

- EN14103

Ésteres metílicos poliinsaturados – máx.

- EN15779 -

Filtrabilidade ASTM D

7501

Quadro 8 – Métodos de ensaios para o biodiesel

86

APÊNDICE B – Escala Granulométrica

Tabela 9 - Escala granulométrica

Escala Tyler Escala Richars ISO

Malhas mm Malhas mm Malhas

3 6,680 3 6,35

3 ½

5,66 3 ½

4 4,699 4 4,77

5 4,00 5

6 3,327 6 3,36

7 2,83 7

8 2,362 8 2,38

10 2,00 10

10 1,651 12 1,68

14 1,41 14

14 16 1,19

18 1,00 18

20 0,833 20 0,841

25 0,707 25

28 0,589 30 0,595

35 0,500 35

35 0,417 40 0,420

45 0,354 45

48 0,295 50 0,297

60 0,250 60

65 0,208 70 0,210

80 0,177 80

100 0,147 100 0,149

120 0,125 120

150 0,104 140 0,105

170 0,088 170

200 0,074 200 0,074

230 0,063 230

270 0,053 270 0,053

325 0,044 325

Fonte: CARESSO E CORREIA, 2004

Ligia Antunes Almagro Alves de Souza

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