ENERGIA DA GASEIFICAÇÃO DE BIOMASSA COMO OPÇÃO ENERGÉTICA DE DESENVOLVIMENTO LIMPO Oscar Tadashi Kinto Yokogawa Service S/A CEP: 06455-010 Barueri-SP tel: (011) 4195-2704 fax: (011) 4195-5387

Luiz Claudio Ribeiro Galvão Jose Aquiles Baeso Grimoni Miguel Edgar Morales Udaeta 1 GEPEA – USP Grupo de Energia do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo CEP: 05508-900 São Paulo – SP; tel: (11) 3091-5279 fax: (11) 3032-3595

RESUMO O objetivo deste trabalho é mostrar um estudo para produção de energia através da biomassa dentro do planejamento energético e como mecanismo de desenvolvimento limpo. Nesse sentido, define-se em à região do Médio Paranapanema (MPP), uma das regiões menos desenvolvidas do estado de São Paulo, como referencial de aplicação segundo a metodologia do PIR (Planejamento Integrado de Recursos Energéticos), mostrando também nesse trabalho o estado da arte das tecnologias de gaseificação existentes no mundo. Para isso a metodologia usada foi a análise e caracterização da região, dos recursos de biomassa e tecnologias de gaseificação, tudo focando a ACC (análise dos custos completos) e dentro de um período de planejamento de 10 anos. Obtendo-se como resultado um potencial teórico de 4x103 GWh, isso utilizando como combustível somente os resíduos de biomassa da cana de açúcar, milho, milho safrinha, algodão e mandioca (no caso, utilizando a tecnologia de gaseificação de leito fluidizado). De posse de tais resultados, pode-se estabelecer a carteira de recursos para gaseificaçao, e com isso, um plano preferencial para a região, mostrando assim a viabilidade e sustentabilidade dessa tecnologia para produção de energia elétrica.

ABSTRACT This paper’s objective is to show a study for production of energy by using biomass focused on an energetical planning and as a mechanism of

clean development. The region of the Médio Paranapanema (MPP)is defined, as one of the less developed areas of the São Paulo state, according to PIR’s philosophy and also showing the state of the art of existing gasification technology in the world. The methodology used was the analysis and characterization of the region, the biomass resources and gasification technologies, focused on a ACC (full costs analysis) during the planing period of 10 years. Getting as result, 4x103 GWh using the following biomasses wastes: sugarcane bagasse, maize, safrinha maize, cotton and cassava as fuel and using the technology of fluidized bed gasifier. Using these results we could stablish a foreground plan for the region and show the viability and supply of this technology for electrical energy production.

INTRODUÇÃO Embora o Petróleo ainda seja o sangue da economia atual, isso poderá se reverter em um intervalo de tempo menor que o esperado. Estudiosos de diversos países estão empenhados em desenvolver novas tecnologias que visam substituir uma parcela razoável de combustíveis fósseis por combustíveis alternativos, seguindo uma nova ordem mundial que busca repensar as formas de obtenção e geração de energia elétrica preservando o meio ambiente. Nas últimas décadas, os custos de instalação e manutenção dessas tecnologias (solar, eólica, biomassa dentre outras) vêm declinando significativamente. A produção de energia através da gaseificação da biomassa pode parecer uma

tecnologia recente mas na realidade ela já tem mais de 100 anos de existência. Ela foi esquecida por um longo tempo pelo baixo preço dos combustíveis fósseis. Mas após as crises seu estudo foi retomado e vem sendo visto como uma boa opção para substituição aos combustíveis fósseis pela baixa emissão de poluentes. No caso das tecnologias de aproveitamento da biomassa, quer seja de resíduos de madeira, agrícola ou urbano e industrial, o Brasil já possui um competente parque industrial para fornecimento de equipamentos e sistemas de geração elétrica. Paralelamente, tecnologias novas como gaseificação de biomassa, estão sendo aprimoradas para diferentes combustíveis. O Brasil esta inserido neste processo de desenvolvimento internacional, estando bastante avançado no processo de gaseificação de biomassa de cana de açúcar, folhas e resíduos de madeira. A gaseificação, da biomassa reciclada, traz impactos positivos ao meio ambiente, onde podemos destacar a absorção do carbono da atmosfera, trazendo um balanço neutro do carbono durante o processo de produção de energia elétrica, contribuindo para redução do efeito estufa. Isso ocorre porque todo gás carbônico produzido durante o processo e absorvido pela plantas que serão utilizadas novamente no processo mantendo a concentração do gás carbônico inalterável. Para a realização do estudo energético da gaseificação da biomassa, visando sua identificação como mecanismo de desenvolvimento limpo, procurou-se constituir uma verdadeira carteira de recursos energéticos dentro do PIR (KINTO, 2001). Porém, neste manuscrito somente se busca revelar as partes mais importantes, tais como: Identificação da região em estudo; Identificação das tecnologias de gaseificação da biomassa disponíveis; Previsão e Plano preferencial para biomassa dentro da filosofia do PIR; Exemplo dos custos de um sistema de gaseificação; Resultados e Conclusão MÉDIO PARANAPANEMA-MPP A região do MPP (Médio Paranapanema) está localizada no estado de São Paulo e tem uma área de 7.013 km2, os seus municípios estão localizados dentro das bacias dos rios Paranapanema e do Peixe. O MPP é formado por um total de 17 municípios que são: Assis, Borá, Campos Novos Paulista, Cândido Mota, Cruzália, Echaporã, Florínea, Ibirarema, Lutécia, Maracaí, Palmital, Paraguaçu Paulista, Pedrinhas Paulista, Platina, Quatá, Tarumã e Oscar Bressane (vide figura 1). O MPP é a terceira região menos desenvolvida do Estado (depois do Vale do Ribeira e Pontal do Paranapanema), pois a sua infra-estrutura e base econômica estão totalmente voltadas para a agricultura e seus produtos (TCHOBANOGLUS et al, 1994).

Grandes usinas hidrelétricas estão localizadas no MPP, mas suas produções são em grande parte enviadas aos grandes centros consumidores (KINTO, 2001). Atualmente, a população da região destaca que alguns de seus problemas mais sérios estão relacionados aos impactos ambientais causados pelas usinas e barragens; às tarifas energéticas controladas, não refletindo os custos locais e a existência de áreas rurais não atendidas por falta de energia (SQUAIELLA e HAGE, 1999; SOUZA e IZZO, 1997).

Figura 1. Visão Geral da Região do MPP

Assim, investimentos alternativos são considerados muito importantes para o futuro da região, poder-se-ia reavaliar as tarifas energéticas e o excedente de energia poderia atrair novos investidores, possibilitando a melhoria das condições de vida da população principalmente agora em que o Brasil enfrenta uma grave crise energética devido à falta de água nos reservatórios brasileiros. É simples demonstrar como a energia elétrica pode ser considerada como fator de desenvolvimento.

TECNOLOGIAS DE GASEIFICAÇÃO GASEIFICAÇÃO EM LEITO FIXO A gaseificação em leito fixo –a matéria a ser gaseificada só se move por ação da gravidade– é uma técnica adequada para a conversão de quantidades relativamente pequenas de biomassa. Gaseificadores de leito fixo, de fluxo ascendente, poderiam em princípio ser desenvolvidos para maiores capacidades, mas essa não têm sido a tendência. É importante notar que a facilidade com que uma tecnologia pode ser desenvolvida em sua escala ("scaling-up"), é uma das questões de maior importância em todos processos de conversão energética da biomassa. Na geração de energia elétrica, gaseificadores de leito fixo têm sido empregados na

alimentação de motores de combustão interna, em sistemas de capacidade entre 100 kW e 10 MW.

desta com o elemento oxidante e, conseqüentemente, aumentando as taxas de reação.

FLUXO ASCENDENTE Gaseificadores de fluxo descendente (figura 2) produzem gases com baixos teores de alcatrão e de material particulado.

Figura 3. Gaseificador de Leito Fixo e Fluxo descendente

Figura 2. Gaseificador de Leito Fixo e Fluxo ascendente

O baixo rendimento e dificuldade de manuseio de alta quantidade de umidade e cinzas são problemas comuns em pequenos gaseificadores descendentes. Ele é mais indicado para motores à combustão interna do que gaseificadores ascendentes que produzem grandes quantidades de vapor de alcatrão que podem interferir seriamente nos motores de combustão

Gaseificadores de leito fluidizado são mais dequados à conversão de uma maior quantidade de biomassa –sistemas com capacidade entre 10 e 20 toneladas de biomassa por hora já são operacionais.

FLUXO DESCENDENTE Gaseificadores de fluxo descendente (figura 3) produzem gases com baixos teores de alcatrão e de material particulado. O baixo rendimento e dificuldade de manuseio de alta quantidade de umidade e cinzas são problemas comuns em pequenos gaseificadores descendentes. Ele é mais indicado para motores à combustão interna do que gaseificadores ascendentes que produzem grandes quantidades de vapor de alcatrão que podem interferir seriamente nos motores de combustão. LEITO FLUIDIZADO Gaseificadores de leito fluidizado (figura 4) têm sido utilizados na conversão termoquímica da turfa já há muitos anos, mas ainda não existe muita experiência na conversão da biomassa, pelo menos em grande escala. Nos equipamentos desse tipo, emprega-se um material como meio fluidizante, que arrasta consigo a biomassa, aumentando o contato

Figura 4. Gaseificador de Leito fluidizado

São, também, mais flexíveis quanto às características do insumo, podendo ser empregados na conversão de biomassa com mínimas necessidades de processamento anterior à alimentação. Em função dessas vantagens (além do controle mais fácil), é o princípio que tem sido empregado em quase todos os projetos de desenvolvimento de sistemas IGCC (sigla em inglês de “gaseificação integrada a ciclos combinados”). Por outro lado, além dos maiores custos operacionais, os problemas de adequação dos gases quanto à sua qualidade tendem a ser maiores. Em função da própria natureza do processo, a quantidade de material particulado arrastada tende a ser maior; um segundo aspecto é que a maior temperatura de saída dos gases permite que os álcalis saiam ainda na fase gasosa, impondo dificuldades adicionais à limpeza. Há dois modos de fornecer calor, direto e indireto. No fornecimento de calor direto a calor requerido para a gaseificação vem da combustão do carvão no reator. No modo indireto o carvão removido do gaseificador é queimado num recipiente separado. A vantagem é que os subprodutos da queima do carvão não se misturam com os produtos da gaseificação

PREVISÃO DE ENERGIA E PLANO PREFERENCIAL Com base nos dados fornecidos pelo SEADE (SEADE, 2001) foi possível uma previsão energética para uma década, resultando no gráfico da figura (5). Nela pode-se observar a predominância do consumo residencial em comparação ao consumo rural, industrial e outros. Através de uma regressão linear chegamos numa previsão de consumo total de 471 GWh em 2010.

peneiramento, utiliza-se como combustível os resíduos de biomassa da cana de açúcar, milho, milho safrinha, algodão e mandioca [8]. Baseando-se na disponibilidade de biomassa na região, e considerando-se que o conteúdo energético dessas culturas sejam aproximadamente iguais, estimou-se uma disponibilidade total de resíduos de 5669,56 x103 toneladas (KINTO, 2001). Tendo como base que a energia produzida por tonelada de bagaço é de 7,31x10-4 Gwh/ton, resulta em um potencial teórico de: 4,14x103 GWh. A equação acima foi calculado supondo a cana de açúcar com 50% de umidade. Para um fator de utilização de 90% (7889,4 h/ano), resulta em uma potência instalada de 525 MW (KINTO, 2001). Num segundo momento, ponderai-se usar a madeira (que vem de bosques manejados) como fonte de biomassa para geração de energia. Tabela 1. Produção agrícola do MPP (IBGE/1999)

Produtos Cana-de-Açucar Feijão Milho Soja Milho Safrinha Mandioca Café Amendoim Algodão Arroz

Produção total, 103 t/ano 8.758,386 3,305 81,597 420,534 483,488 204,919 4,332 5,338 72,00 2,895

GERAÇÃO DE ENERGIA E SEUS IMPACTOS A geração de energia apartir da gaseificação de biomassa é feita basicamente da seguinte forma (figura 6).

Crescimento Energético 500.000 450.000 400.000

Energia Consumida

350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0 1988

1993

1998

2003

2008

Ano Residencial Linear (Residencial)

Rural

Industrial

Outros

Total

Linear (Rural)

Linear (Industrial)

Linear (Outros)

Linear (Total)

Figura 5. Crescimento energético

Com vistas a identificação dos insumos de biomassa que seriam caracterizados como recursos energéticos para compor a carteira de recursos de gaseificação, apresenta-se na tabela 1 a produção anual agrícola para o MPP. Onde após o

Figura 6. Processo de Produção de Eletricidade

Como pode-se ver a biomassa após sofrer uma secagem entra no gaseificador e alimenta um turbina à gás que gera energia e passa pela caldeira que gera vapor para girar uma turbina à gás ou que pode ser usada no processo (como por exemplo movimentar as moendas, facas e defribiladores numa usina de cana de açúcar). TURBINA Como seria de se esperar, a eficiência e, consequentemente, a economicidade dos sistemas de potência operando integrados a gaseificadores de biomassa vai depender em grande medida do desempenho das turbinas a gás. Por razões econômicas, turbinas a gás não deverão ser desenvolvidas especialmente para essa finalidade, ou seja, as turbinas dos sistemas IGCC serão basicamente máquinas adaptadas do projeto original voltado a combustíveis de maior densidade energética. Comentando sobre as modificações necessárias às turbinas a gás para a operação dessas com gás de gaseificação de biomassa, no caso da gaseificação indireta, que produz um combustível mais rico, as adaptações são muito pequenas em relação ao projeto das turbinas comerciais. IMPACTOS NO CONTEXTO DO ACC Dentre os aspectos ambientais positivos, destaca-se a absorção do carbono da atmosfera, pelo novo plantio, isso porque toda a proposta deste trabalho se orienta ao uso da biomassa residual do produto final agrícola. Tal absorção de carbono, estaria ajudando a regular a quantidade de CO2 existente (pois tecnicamente haveria menos uso de combustível fóssil) e, consequentemente, contribuindo para reduzir o efeito estufa. Socialmente pode gerar novos postos de trabalho, e aumentar o nível tecnológico. Comercialmente, além de abrir um novo e amplo mercado de serviços e bens duráveis, tanto a nível nacional como internacional, no caso da gaseificação da madeira poderia aplicar o conceito de uso múltiplo da floresta, otimizando os custos de geração de energia. A conjugação com projetos agro-industriais, como por exemplo na área de papel e celulose e a indústria sucroalcoleira, poderá vir a permitir potencializar a utilização de florestas energéticas já existentes e reorientar e revitalizar o Programa Nacional do Álcool - Proálcool. Empresarialmente, destaca-se a participação da iniciativa privada associada a empresas públicas em projeto de geração de energia, e o trabalho em conjunto com empresas e entidades internacionais. Como resultado, há um intercâmbio positivo em termos de critérios e métodos de gestão e planejamento de projetos, trazendo novas oportunidades para as empresas do Setor Elétrico dentro do novo cenário institucional.

CUSTOS DIRETOS ENVOLVIDOS NA GASEIFICAÇÃO Como exemplo dos custos diretos envolvidos numa produção de energia através de biomassa apresenta-se na tabela 2 um exemplo. Nele pode-se ver os custos envolvidos num sistema misto de diesel/gasificador. Tabela 2. Custos para produção de Eletricidade

Produção de Energia com um Sistema diesel/gaseificador - 100kW Capital de Investimento (incluindo equipamento e instalação) Consumo de biomassa Consumo de Diesel Mão de obra Manutenção/peças de reposição Custo de geração de eletricidade(fu50%) através de: Capital investido no sistema de produção de gás Investimento em combustível de biomassa Invetimento em diesel Mão de obra Manutenção

$75,000 100kg/hora 10 l/hora 2 operadores / turno $750/ano $0.084/kwh $0.027 $0.010 $0.025 $0.020 $0.002

CONCLUSÃO Embora as plantas comerciais em operação sejam poucas devido a dificuldades técnicas, a produção de energia a partir da gaseificação pode ser vista como uma forma promissora num país abundante em biomassa como o Brasil. Estudos realizados sobre essa tecnologia ao redor do mundo são numerosos, principalmente pela preocupação ambiental crescente e com a preocupação do futuro dos combustíveis fósseis, uma vez que eles não são renováveis. Neste contexto o Brasil se encontra em níveis tecnológicos compatíveis aos países desenvolvidos, possuindo uma planta comercial operacional à base de resíduos da plantação de arroz. Dentro do escopo do PIR a gaseificação da biomassa, num horizonte de logo prazo, o metanol que poderia ser produzido por ela poderia ser utilizado pelas células de combustível. Também o gás proveniente do gasoduto da Bolívia poderia ser utilizado para aumentar o poder calórico do combustível que seria utilizado pela Turbina á gás. No contexto de um Desenvolvimento sustentável, ela traz várias vantagem, pois além dos impactos positivos à natureza, gera mais empregos aumentando o nível sócio-econômico da região. Modelagens (TCHOBANOGLUS et al, 1994) demonstram a viabilidade econômica (gaseificador + gás natural) com taxa de desconto de 12% a.a. onde a custo de energia gira em torno de

62,00 a 63,00 US$/MWh, mostrando que ela pode ser uma opção viável em comparação a outras formas de geração de energia através de fontes alternativas . A viabilidade econômica desta tecnologia dependerá fundamentalmente da internacionalização dos benefícios ambientais e da utilização de mecanismos de incentivo, sejam nacionais ou internacionais para atingir níveis de investimento e custos operacionais mais viáveis

PALAVRAS CHAVES Gaseificação, Biomassa, Energia, Meio Ambiente, Planejamento Energético, Mecanismos de Desenvolvimento Limpo, Efeito estufa

REFERÊNCIAS [1] SQUAIELLA, D.J.F.; HAGE, S.F. Possibilidades de Inserção da Energia Solar Fotovoltáica na Região do Médio Paranapanema. Relatório Final do Projeto de Formatura, PEA. EPUSP, São Paulo 1999. [2] LACERDA, A.G.A.; MARUYAMA, F.M. Geração de Energia Elétrica à partir de células de combustível. Relatório Final do Projeto de Formatura 2000, PEA. EPUSP, São Paulo 2000. [3] CENBIO, Projeto WSP/SIGAME. Ano 3 n9. [4] CENBIO. A Civilização da Biomassa, Gaseificador de leito fixo de pequeno porte para

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Autor Responsável: Miguel Edgar Morales Udaeta GEPEA – USP Av. Prof. Luciano Gualberto, trv3, 158 CEP: 05508-900 São Paulo - SP - Brasil eMail: [email protected]

biomassa usado em uma plantação de cacau na Indonésia. Ano 3 nº11. [5] SOUZA, M.V.; IZZO, R. Estudos (avaliativos) da Biomassa para geração de Energia Elétrica no Médio Paranapanema. Relatório Final de Projeto de Formatura 1997, PEA. EPUSP, São Paulo 1997. [6] TCHOBANOGLOUS, G.; HILARY, T.; SAMUEL A.V. Gestión Integral de Residuos Sólidos. McGraw-Hill, Madrid, 1994. [7] REIS, L.B.; UDAETA, M.E.M.; GALVÃO, L.C.R.; BIAGUE, M.F. Relatório Executivo MPP, GEPEA – USP. EPUSP, São Paulo 2000. [8] KINTO, O.T. Produção Local de Energia através da Gaseificação da Biomassa para Geração de EE no MPP. Relatório Final do Projeto de Formatura 2001, PEA. EPUSP, São Paulo 2001. [9] UNICAMP, www.fem.unicamp.br/~em313/ paginas/textos.htm,, 2001. [10] SEADE, www.seade.org.br, 2001. [11] BGTECHOLOGIES, www.bgtechnologies.net/, 2001. [12] THERMOGENICS, www.thermogenics.com, 2001. [13] CEMBIO, www.cenbio.org.br/, 2001. [14] UNDP, www.undp.org/seed/eap/Publications/ 2000/2000b.html, 2001. [15] CEMBIO, http://www.ambiental.com.br/ Cenbio/biomassa/tecnolog.htm, 2001.