Este material aborda o estado atual e as perspectivas de desenvolvimento para a tecnologia de pirólise no contexto mais abrangente das fontes renováveis de energia.
Edgardo Olivares Gómez Professor e Pesquisador Associado ao Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético-NIPE Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP
1. Introdução
Este material aborda o estado atual e as perspectivas de desenvolvimento para a tecnologia de pirólise no contexto mais abrangente das fontes renováveis de energia. Apresenta-se a tecnologia convencional para a obtenção de carvão vegetal, suas principais características técnicas e operacionais. A pirólise não convencional é considerada sobre a base do atual desenvolvimento tecnológico e suas perspectivas futuras.
No Brasil a tecnologia de pirólise rápida é uma novidade em termos de implementação, sendo verificada a existência de só uma unidade piloto para testes e demonstração da tecnologia. A planta tem uma capacidade nominal de 100 kgh-1 (base seca), e pertence à Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP. Tal unidade é operada na forma de testes para pesquisa e desenvolvimento da tecnologia pelo grupo de bio-combustíveis da própria Universidade, o qual agrupa pesquisadores e professores do Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético-NIPE e da Faculdade de Engenharia Agrícola-FEAGRI da UNICAMP, e os sócios da Bioware Tecnologia, pequena empresa de base tecnológica incubada na Incubadora de Empresas de Base Tecnológica-INCAMP também da UNICAMP.
São abordados alguns dos aspectos mais relevantes na atual situação de desenvolvimento da tecnologia de pirólise rápida e que se constituem em barreiras, tais como, scale-up da tecnologia, redução de custos, aprendizado, disseminação de informações acerca do bio-óleo e da tecnologia, entre outros. Finalmente, são discutidas as possíveis tendências e os desafios para a tecnologia em um horizonte de curto e médio prazo.
2. A Pirólise e o Processo Convencional: Conceituação
A pirólise pode ser definida como a degradação térmica de qualquer material orgânico na ausência parcial ou total de um agente oxidante, ou até mesmo, em um ambiente com uma concentração de oxigênio capaz de evitar a gaseificação intensiva do material orgânico. A pirólise geralmente ocorre a uma temperatura que varia desde os 400°C até o início do regime de gaseificação intensiva.
Os gases, líquidos e sólidos são gerados em proporções diferentes, dependendo dos parâmetros considerados como, por exemplo, a temperatura final do processo, pressão de operação do reator, o tempo de residência das fases sólidas, líquidas e gasosas dentro do reator, o tempo de aquecimento e a taxa de aquecimento das partículas de biomassa, o ambiente gasoso e as propriedades iniciais da biomassa. O principal objetivo no processo de pirólise é a obtenção de produtos com densidade energética mais alta e melhores propriedades do que àquelas da biomassa inicial. Na Tabela 1 se mostram os principais processos mais comumente conhecidos para se realizar a pirólise de materiais lignocelulósicos.
O processo de pirólise mais usado é a carbonização para a produção de carvão vegetal de madeira para a produção de energia.
Este material aborda o estado atual e as perspectivas de desenvolvimento para a tecnologia de pirólise no contexto mais abrangente das fontes renováveis de energia. Apresenta-se a tecnologia convencional para a obtenção de carvão vegetal, suas principais características técnicas e operacionais. A pirólise não convencional é considerada sobre a base do atual desenvolvimento tecnológico e suas perspectivas futuras.
No Brasil a tecnologia de pirólise rápida é uma novidade em termos de implementação, sendo verificada a existência de só uma unidade piloto para testes e demonstração da tecnologia. A planta tem uma capacidade nominal de 100 kgh-1 (base seca), e pertence à Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP. Tal unidade é operada na forma de testes para pesquisa e desenvolvimento da tecnologia pelo grupo de bio-combustíveis da própria Universidade, o qual agrupa pesquisadores e professores do Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético-NIPE e da Faculdade de Engenharia Agrícola-FEAGRI da UNICAMP, e os sócios da Bioware Tecnologia, pequena empresa de base tecnológica incubada na Incubadora de Empresas de Base Tecnológica-INCAMP também da UNICAMP.
São abordados alguns dos aspectos mais relevantes na atual situação de desenvolvimento da tecnologia de pirólise rápida e que se constituem em barreiras, tais como, scale-up da tecnologia, redução de custos, aprendizado, disseminação de informações acerca do bio-óleo e da tecnologia, entre outros. Finalmente, são discutidas as possíveis tendências e os desafios para a tecnologia em um horizonte de curto e médio prazo.
2. A Pirólise e o Processo Convencional: Conceituação
A pirólise pode ser definida como a degradação térmica de qualquer material orgânico na ausência parcial ou total de um agente oxidante, ou até mesmo, em um ambiente com uma concentração de oxigênio capaz de evitar a gaseificação intensiva do material orgânico. A pirólise geralmente ocorre a uma temperatura que varia desde os 400°C até o início do regime de gaseificação intensiva.
Os gases, líquidos e sólidos são gerados em proporções diferentes, dependendo dos parâmetros considerados como, por exemplo, a temperatura final do processo, pressão de operação do reator, o tempo de residência das fases sólidas, líquidas e gasosas dentro do reator, o tempo de aquecimento e a taxa de aquecimento das partículas de biomassa, o ambiente gasoso e as propriedades iniciais da biomassa. O principal objetivo no processo de pirólise é a obtenção de produtos com densidade energética mais alta e melhores propriedades do que àquelas da biomassa inicial. Na Tabela 1 se mostram os principais processos mais comumente conhecidos para se realizar a pirólise de materiais lignocelulósicos.
O processo de pirólise mais usado é a carbonização para a produção de carvão vegetal de madeira para a produção de energia.
No Brasil, maior produtor mundial de carvão vegetal do mundo, esse produto é usado, principalmente, na indústria como agente redutor e fonte de energia na fabricação de ferro-gusa e aço. Quantidades bem menores de carvão vegetal são usadas no setor residencial para a cocção de alimentos, principalmente em regiões rurais, além de aquelas comercializadas como carvão vegetal para churrasco.
No Brasil, a Vallourec & Mannesmann Tubes do Brasil (V&MT) desenvolveu um forno retangular de alta capacidade para a fabricação de carvão vegetal a partir de madeira e recuperação do alcatrão. Esse forno opera para o fornecimento de carvão vegetal para as empresas produtoras de ferro-gusa, substituindo os fornos redondos tradicionais usados nas suas antigas instalações. O forno aumenta o rendimento da carbonização, a utilização de produtos derivados, a produtividade, a qualidade do carvão vegetal, além de melhorar as condições ambientais e ocupacionais. A reciclagem de produtos (gases) é usada como fonte de energia durante a carbonização e para iniciar novos ciclos de carbonização.
O alcatrão é recuperado e armazenado para uso posterior para a produção de energia ou para a obtenção de produtos mais valiosos por meio da sua destilação. A empresa BIOCARBO INDÚSTRIA E COMÉRCIO LTDA. agrega valor a este subproduto da pirólise por meio da sua destilação fracionada, embora com rendimentos muito baixos de aproximadamente 50% (em massa), obtendo-se produtos químicos que já têm mercado na Europa e os Estados Unidos.
Uma avaliação termodinâmica global simplificada deste processo de carbonização oferece os resultados mostrados na Tabela 2.
A partir da década de 90 começaram a ser desenvolvidas tecnologias e equipamentos de pirólise mais eficientes visando a sua utilização na produção de carvão vegetal. O principal objetivo destes empreendimentos tecnológicos foi o de aumentar o rendimento gravimétrico da fase sólida, diminuir o tempo de fabricação do carvão aumentando a eficiência energética do processo, melhorar tecnicamente alguns processos intermediários, além de recuperar os líquidos e gases como fontes de energia ou para outras finalidades. A seguir, são descritos alguns equipamentos e tecnologias desenvolvidas para melhorar a produção de carvão vegetal.
3. A Pirólise de Elevado Rendimento Gravimétrico da Fase Sólida
Um rendimento de carvão vegetal entre 38 e 48% foi obtido no Hawaii Natural Energy Institute-HNEI, da Universidade do Havaí. O processo baseia-se na pirólise sob pressão elevada, com taxas de aquecimento e temperatura final controladas, em um reator de leito fixo. A mistura de biomassa age como um catalisador na reação de pirólise, aumentando o rendimento de carvão vegetal. Devido à alta pressão, as fases de vapor da pirólise (H2O e líquidos da pirólise) estão em contato efetivo com as fases sólidas, maximizando a formação de carvão vegetal. O poder calorífico, teor de carbono fixo e de voláteis no carvão foram semelhantes a outros carvões comercializados [2].
4. O Processo Contínuo de Produção de Carvão Vegetal e de Melhoramento Energético da Biomassa
A empresa ACESITA desenvolveu um processo contínuo de pirólise para a produção de carvão vegetal com recuperação de líquidos que esteve em operação no final da década de 80 e início dos anos 90. O conceito deste tipo de forno concebia a recirculação dos gases da pirólise para queima e aproveitamento da sua entalpia sensível. A tecnologia previa também a separação e recuperação dos líquidos da pirólise. Os rendimentos médios alcançados em carvão vegetal e alcatrão foram de 33 e 11% respectivamente. A planta, com capacidade de processamento de 0,5 tonh-1 de madeira, produzia em torno de 0,2 tonh-1 de carvão vegetal. Esta unidade se encontra atualmente desativada.
Nos últimos anos tem-se verificado também uma evolução em relação ao conceito de processo de torrefação. A torrefação é considerada um processo de pré-pirólise durante a qual são liberadas desde a partícula de biomassa durante seu aquecimento a taxas controladas, somente água e algumas das substâncias voláteis mais leves (menor peso molecular). Este procedimento tecnológico apresenta um potencial muito promissor quando se trata do desenvolvimento de novos materiais que possam competir no mercado dos energéticos densos de biomassa, como é o caso da lenha e o carvão vegetal de lenha.
A principal vantagem deste conceito é que a biomassa, previamente densificada, pode alcançar melhores propriedades energéticas através do tratamento termoquímico da sua estrutura morfológica, melhorando-se as suas propriedades físico-químicas. Trate-se, por outro lado, de uma alternativa tecnológica que tende a reduzir os negativos impactos ambientais produzidos pelas particulares atividades predatórias relacionadas com a produção de carvão vegetal de lenha.
Embora tem-se demonstrado que a tecnologia de torrefação de resíduos densificados é economicamente viável devido, principalmente, ao baixo custo dos resíduos de biomassa em estado polidisperso (de 9 a 20 R$/ton em função da distância de transporte), as expectativas para a tecnologia, num horizonte de curto prazo (próximos 10 anos), estão sustentadas na possibilidade de redução dos custos envolvidos nos processos intermediários, tratando-se só da utilização destes resíduos. Estes processos consideram a preparação da matéria-prima e a sua densificação. Para se ter uma idéia da importância dos processos de preparo da matéria-prima e sua densificação, é relevante dizer que uma unidade de fabricação de briquetes de alta densidade (BAD) de 500 kgh-1 de capacidade de processamento de resíduos requer uma potência nominal instalada da ordem de 105 kW.
No mundo hoje, existem poucas opções tecnológicas conhecidas de equipamentos para a densificação de biomassa polidispersa. Por outro lado, estes equipamentos de densificação, pelo seu elevado preço no mercado, podem tornar inviável o projeto de uma unidade de torrefação de briquetes de biomassa.
Estimativas realizadas a partir de estudos técnico-econômicos e de viabilidade desta tecnologia mostram custos unitários de produção na fabricação de BAD de cerca de 38 US$/ton de madeira torrefada ou 120 R$/ ton de madeira torrefada (câmbio de US$1=R$3,14). O material torrificado tem em torno de 40% de carbono fixo e PCS-Poder Calorífico Superior variando entre 21e 24 MJkg-1. O processo demonstrou ter uma eficiência global de conversão de cerca de 90% [3].
Dadas as atuais restrições ambientais impostas aos recursos dendroenergéticos e as necessidades de melhoramentos efetivos dos processos de pirólise, principalmente na atual indústria mundial de fabricação de carvão vegetal a partir de lenha, a tendência para os próximos 10 a 15 anos é a modernização do parque tecnológico carvoeiro mediante a utilização de tecnologias modernas, mais eficientes e avançadas de produção de carvão vegetal, com sistemas integrados de recuperação de alcatrão e de produção de insumos energéticos e químicos.
5. A Pirólise Rápida para a Obtenção de Bio-Óleo
Nas três últimas décadas, o uso potencial da biomassa como fonte de combustíveis líquidos, produtos químicos e materiais, deu um novo impulso ao uso conceitual da pirólise. O conceito de pirólise rápida para a produção de líquidos orgânicos desperta cada vez mais o interesse, junto às pesquisa e às aplicações comerciais dos diversos produtos obtidos a partir do bio-óleo, seu principal produto, os quais se desenvolvem rapidamente, principalmente na América do Norte e na Europa. A pirólise rápida é um conceito advindo da necessidade de se produzir insumos líquidos energéticos e não energéticos.
Através do controle dos principais parâmetros do processo tais como: taxa de aquecimento, temperatura de operação do reator, tempo de residência das fases dentro do reator, tempo de aquecimento das partículas de biomassa e da pressão de operação, dentre outras, é possível a condução do processo visando o maior rendimento gravimétrico da fase líquida.
As principais características do processo de pirólise rápida são: curtos tempos de aquecimento das partículas e de residência para os vapores que se formam dentro do reator, elevadas taxas de aquecimento, elevados coeficientes de transferência de calor e massa, e temperaturas moderadas da fonte de aquecimento. Em geral, o tempo de residência dos vapores no reator deve ser inferior a 2-5 segundos. Todas as tecnologias de pirólise em desenvolvimento no mundo aplicam estes princípios básicos visando maximizar o rendimento gravimétrico de bio-óleo. A produção de um derivativo líquido que poderia ser facilmente armazenado e transportado é, com certeza, a principal vantagem potencial da pirólise rápida em comparação aos outros processos de conversão termoquímica da biomassa.
O líquido da pirólise da biomassa produzido desta forma (o bio-óleo) é um “alcatrão” primário. Ele é formado a partir de sucessivas reações de decomposição, craqueamento, condensação e polimerização, e tem um elevado teor de água na sua composição (água procedente do próprio insumo e água de formação). Reações secundárias entre as fases dentro do reator de pirólise são evitadas procurando aumentar o teor de líquido na corrente trifásica. A obtenção do bio-óleo deve ser realizada fazendo-se um rápido resfriamento dos vapores. Porém, os aerossóis formados durante o próprio processo de resfriamento dos vapores da pirólise rápida são de difícil separação, necessitando-se de projetos específicos a partir da combinação de conceitos físicos, tais como, condensação, impacto, coalescência e separação nas fases gás-líquido, além da necessidade de se conhecer as propriedades químicas desta mistura líquida.
Nos últimos 20 anos têm sido realizadas muitas pesquisas e testes em reatores pilotos e demonstrativos, baseados em diversos conceitos tecnológicos de pirólise rápida. Alguns desses reatores ainda estão em operação, produzindo finos de carvão vegetal e bio-óleo. Porém, até hoje, nem o próprio processo nem a composição exata do bio-óleo são muito conhecidos. Isto porque as reações termoquímicas que ocorrem durante o processo são muito complexas Estudam-se os principais aspectos fenomenológicos, tecnológicos, industriais, econômicos e sócio-ambientais, na sua estreita relação com a qualidade requerida do produto para uma dada aplicação comercial.
Um dos principais objetivos na atualidade é o desenvolvimento em escala industrial de plantas para a produção de bio-óleo visando-se sua aplicação como combustível para a produção de entalpia e energia elétrica, através do uso de caldeiras, fornos e sistemas de geração estacionária.
5.1. Custos de Produção do Bio-Óleo
Segundo avaliação econômica realizada no início dos anos 90, uma planta de pirólise ablativa com capacidade de 907 toneladas de biomassa/dia poderia produzir 680 toneladas de bio-óleo bruto por dia, a um custo de 100 dólares a tonelada. Essa estimativa corresponde a uma taxa de juros de 20% ao ano, e a biomassa a um preço de 44 dólares a tonelada. O custo total seria de 58,7 dólares por tonelada de biomassa seca (53% do custo total). A estimativa de custo do equipamento é de 11 milhões de dólares e o investimento total a ser feito de 44,5 milhões de dólares. Para uma planta menor, com capacidade de 227 toneladas de biomassa por dia, o custo do bio-óleo seria de 158 dólares por tonelada, indicando um importante efeito de escala.
Um estudo sobre a avaliação dos custos de produção do bio-óleo obtido por pirólise rápida de biomassa realizado no New Hampshire Department of Resources and Economic Development, da Universidade de New Hampshire, UK, projeto identificado com o título “Identifying and Implementing Alternatives to Sustain the Wood-Fired Electricity Generating Industry in New Hampshire”, de Janeiro de 2002, estimou a tendência mostrada no gráfico da Figura 1 abaixo apresentada [4]. Trata-se da avaliação da variação do custo unitário de produção do bio-óleo (em US$/litro) como função da umidade inicial do insumo (aparas de madeira ou woodchips) para uma planta com capacidade de 8,3 tonh-1. Observa-se um pronunciado incremento do custo unitário de produção do bio-óleo para umidades da biomassa acima de 35% (base úmida). Foi verificado também, neste estudo, que o custo unitário de produção do bio-óleo não é mais praticamente influenciado pela capacidade das plantas para valores deste parâmetro acima de aproximadamente 4 tonh-1. Este comportamento foi similar para as três umidades da biomassa testadas, de 25, 35 e 55% (base úmida).
Um rendimento de carvão vegetal entre 38 e 48% foi obtido no Hawaii Natural Energy Institute-HNEI, da Universidade do Havaí. O processo baseia-se na pirólise sob pressão elevada, com taxas de aquecimento e temperatura final controladas, em um reator de leito fixo. A mistura de biomassa age como um catalisador na reação de pirólise, aumentando o rendimento de carvão vegetal. Devido à alta pressão, as fases de vapor da pirólise (H2O e líquidos da pirólise) estão em contato efetivo com as fases sólidas, maximizando a formação de carvão vegetal. O poder calorífico, teor de carbono fixo e de voláteis no carvão foram semelhantes a outros carvões comercializados [2].
4. O Processo Contínuo de Produção de Carvão Vegetal e de Melhoramento Energético da Biomassa
A empresa ACESITA desenvolveu um processo contínuo de pirólise para a produção de carvão vegetal com recuperação de líquidos que esteve em operação no final da década de 80 e início dos anos 90. O conceito deste tipo de forno concebia a recirculação dos gases da pirólise para queima e aproveitamento da sua entalpia sensível. A tecnologia previa também a separação e recuperação dos líquidos da pirólise. Os rendimentos médios alcançados em carvão vegetal e alcatrão foram de 33 e 11% respectivamente. A planta, com capacidade de processamento de 0,5 tonh-1 de madeira, produzia em torno de 0,2 tonh-1 de carvão vegetal. Esta unidade se encontra atualmente desativada.
Nos últimos anos tem-se verificado também uma evolução em relação ao conceito de processo de torrefação. A torrefação é considerada um processo de pré-pirólise durante a qual são liberadas desde a partícula de biomassa durante seu aquecimento a taxas controladas, somente água e algumas das substâncias voláteis mais leves (menor peso molecular). Este procedimento tecnológico apresenta um potencial muito promissor quando se trata do desenvolvimento de novos materiais que possam competir no mercado dos energéticos densos de biomassa, como é o caso da lenha e o carvão vegetal de lenha.
A principal vantagem deste conceito é que a biomassa, previamente densificada, pode alcançar melhores propriedades energéticas através do tratamento termoquímico da sua estrutura morfológica, melhorando-se as suas propriedades físico-químicas. Trate-se, por outro lado, de uma alternativa tecnológica que tende a reduzir os negativos impactos ambientais produzidos pelas particulares atividades predatórias relacionadas com a produção de carvão vegetal de lenha.
Embora tem-se demonstrado que a tecnologia de torrefação de resíduos densificados é economicamente viável devido, principalmente, ao baixo custo dos resíduos de biomassa em estado polidisperso (de 9 a 20 R$/ton em função da distância de transporte), as expectativas para a tecnologia, num horizonte de curto prazo (próximos 10 anos), estão sustentadas na possibilidade de redução dos custos envolvidos nos processos intermediários, tratando-se só da utilização destes resíduos. Estes processos consideram a preparação da matéria-prima e a sua densificação. Para se ter uma idéia da importância dos processos de preparo da matéria-prima e sua densificação, é relevante dizer que uma unidade de fabricação de briquetes de alta densidade (BAD) de 500 kgh-1 de capacidade de processamento de resíduos requer uma potência nominal instalada da ordem de 105 kW.
No mundo hoje, existem poucas opções tecnológicas conhecidas de equipamentos para a densificação de biomassa polidispersa. Por outro lado, estes equipamentos de densificação, pelo seu elevado preço no mercado, podem tornar inviável o projeto de uma unidade de torrefação de briquetes de biomassa.
Estimativas realizadas a partir de estudos técnico-econômicos e de viabilidade desta tecnologia mostram custos unitários de produção na fabricação de BAD de cerca de 38 US$/ton de madeira torrefada ou 120 R$/ ton de madeira torrefada (câmbio de US$1=R$3,14). O material torrificado tem em torno de 40% de carbono fixo e PCS-Poder Calorífico Superior variando entre 21e 24 MJkg-1. O processo demonstrou ter uma eficiência global de conversão de cerca de 90% [3].
Dadas as atuais restrições ambientais impostas aos recursos dendroenergéticos e as necessidades de melhoramentos efetivos dos processos de pirólise, principalmente na atual indústria mundial de fabricação de carvão vegetal a partir de lenha, a tendência para os próximos 10 a 15 anos é a modernização do parque tecnológico carvoeiro mediante a utilização de tecnologias modernas, mais eficientes e avançadas de produção de carvão vegetal, com sistemas integrados de recuperação de alcatrão e de produção de insumos energéticos e químicos.
5. A Pirólise Rápida para a Obtenção de Bio-Óleo
Nas três últimas décadas, o uso potencial da biomassa como fonte de combustíveis líquidos, produtos químicos e materiais, deu um novo impulso ao uso conceitual da pirólise. O conceito de pirólise rápida para a produção de líquidos orgânicos desperta cada vez mais o interesse, junto às pesquisa e às aplicações comerciais dos diversos produtos obtidos a partir do bio-óleo, seu principal produto, os quais se desenvolvem rapidamente, principalmente na América do Norte e na Europa. A pirólise rápida é um conceito advindo da necessidade de se produzir insumos líquidos energéticos e não energéticos.
Através do controle dos principais parâmetros do processo tais como: taxa de aquecimento, temperatura de operação do reator, tempo de residência das fases dentro do reator, tempo de aquecimento das partículas de biomassa e da pressão de operação, dentre outras, é possível a condução do processo visando o maior rendimento gravimétrico da fase líquida.
As principais características do processo de pirólise rápida são: curtos tempos de aquecimento das partículas e de residência para os vapores que se formam dentro do reator, elevadas taxas de aquecimento, elevados coeficientes de transferência de calor e massa, e temperaturas moderadas da fonte de aquecimento. Em geral, o tempo de residência dos vapores no reator deve ser inferior a 2-5 segundos. Todas as tecnologias de pirólise em desenvolvimento no mundo aplicam estes princípios básicos visando maximizar o rendimento gravimétrico de bio-óleo. A produção de um derivativo líquido que poderia ser facilmente armazenado e transportado é, com certeza, a principal vantagem potencial da pirólise rápida em comparação aos outros processos de conversão termoquímica da biomassa.
O líquido da pirólise da biomassa produzido desta forma (o bio-óleo) é um “alcatrão” primário. Ele é formado a partir de sucessivas reações de decomposição, craqueamento, condensação e polimerização, e tem um elevado teor de água na sua composição (água procedente do próprio insumo e água de formação). Reações secundárias entre as fases dentro do reator de pirólise são evitadas procurando aumentar o teor de líquido na corrente trifásica. A obtenção do bio-óleo deve ser realizada fazendo-se um rápido resfriamento dos vapores. Porém, os aerossóis formados durante o próprio processo de resfriamento dos vapores da pirólise rápida são de difícil separação, necessitando-se de projetos específicos a partir da combinação de conceitos físicos, tais como, condensação, impacto, coalescência e separação nas fases gás-líquido, além da necessidade de se conhecer as propriedades químicas desta mistura líquida.
Nos últimos 20 anos têm sido realizadas muitas pesquisas e testes em reatores pilotos e demonstrativos, baseados em diversos conceitos tecnológicos de pirólise rápida. Alguns desses reatores ainda estão em operação, produzindo finos de carvão vegetal e bio-óleo. Porém, até hoje, nem o próprio processo nem a composição exata do bio-óleo são muito conhecidos. Isto porque as reações termoquímicas que ocorrem durante o processo são muito complexas Estudam-se os principais aspectos fenomenológicos, tecnológicos, industriais, econômicos e sócio-ambientais, na sua estreita relação com a qualidade requerida do produto para uma dada aplicação comercial.
Um dos principais objetivos na atualidade é o desenvolvimento em escala industrial de plantas para a produção de bio-óleo visando-se sua aplicação como combustível para a produção de entalpia e energia elétrica, através do uso de caldeiras, fornos e sistemas de geração estacionária.
5.1. Custos de Produção do Bio-Óleo
Segundo avaliação econômica realizada no início dos anos 90, uma planta de pirólise ablativa com capacidade de 907 toneladas de biomassa/dia poderia produzir 680 toneladas de bio-óleo bruto por dia, a um custo de 100 dólares a tonelada. Essa estimativa corresponde a uma taxa de juros de 20% ao ano, e a biomassa a um preço de 44 dólares a tonelada. O custo total seria de 58,7 dólares por tonelada de biomassa seca (53% do custo total). A estimativa de custo do equipamento é de 11 milhões de dólares e o investimento total a ser feito de 44,5 milhões de dólares. Para uma planta menor, com capacidade de 227 toneladas de biomassa por dia, o custo do bio-óleo seria de 158 dólares por tonelada, indicando um importante efeito de escala.
Um estudo sobre a avaliação dos custos de produção do bio-óleo obtido por pirólise rápida de biomassa realizado no New Hampshire Department of Resources and Economic Development, da Universidade de New Hampshire, UK, projeto identificado com o título “Identifying and Implementing Alternatives to Sustain the Wood-Fired Electricity Generating Industry in New Hampshire”, de Janeiro de 2002, estimou a tendência mostrada no gráfico da Figura 1 abaixo apresentada [4]. Trata-se da avaliação da variação do custo unitário de produção do bio-óleo (em US$/litro) como função da umidade inicial do insumo (aparas de madeira ou woodchips) para uma planta com capacidade de 8,3 tonh-1. Observa-se um pronunciado incremento do custo unitário de produção do bio-óleo para umidades da biomassa acima de 35% (base úmida). Foi verificado também, neste estudo, que o custo unitário de produção do bio-óleo não é mais praticamente influenciado pela capacidade das plantas para valores deste parâmetro acima de aproximadamente 4 tonh-1. Este comportamento foi similar para as três umidades da biomassa testadas, de 25, 35 e 55% (base úmida).
Figura 1. Variação do custo unitário de produção do bio-óleo (US$/litro) como função da umidade inicial do insumo (aparas de madeira ou woodchips) para uma planta com capacidade de 8,3 tonh-1.
No Brasil, atualmente, poucas pesquisas estão em andamento na área de pirólise rápida de biomassa. O grupo de bio-combustíveis da Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP trabalha na obtenção de bio-óleo a partir da tecnologia de reator de leito fluidizado borbulhante. Na Figura 2 mostra-se uma foto da planta de pirólise rápida pertencente a este grupo de desenvolvimento [5]. Suas principais rotas de trabalho são: desenvolvimento de uma tecnologia própria, obtenção e melhoramento da qualidade do bio-óleo, redução dos custos envolvidos, estudo para a expansão das aplicações dos produtos e co-produtos do processo de pirólise, e o estudo do aumento de escala da tecnologia.
Figura 2. Planta de pirólise rápida com tecnologia da UNICAMP (100 kgh-1 base seca)
5.2. Mercado para o Bio-Óleo
O bio-óleo é uma mistura orgânica muito complexa, formada por centenas de compostos diferentes pertencentes a muitos grupos químicos. O Poder Calorífico Superior-PCS do bio-óleo varia, em média, entre 18 e 20 MJkg-1, ou seja, aproximadamente metade do valor do PCS do óleo combustível convencional[[1]]. O teor de água pode variar de 15% a aproximadamente 40% (em peso). A densidade do bio-óleo é também alta, cerca de 1,2 kgl-1.
São sugeridas algumas aplicações para o bio-óleo. Combustíveis líquidos (Premium), como os hidrocarbonetos leves e a mistura aromática de gasolina e substâncias como o diesel, poderiam ser produzidos por catálise. O uso como óleo combustível em motores estacionários em substituição ao óleo diesel é possível, embora seja necessário resolver problemas como a corrosão, baixo valor de aquecimento e envelhecimento (reações de polimerização) durante o armazenamento.
O bio-óleo é também uma fonte de produtos químicos refinados, com um alto preço no varejo. Por exemplo, com o bio-óleo é possível produzir compostos para aditivos e aroma de alimentos como a alilsiringol (que custa US$ 1000,00 por kg), siringaldeído e siringol (ambos custam US$ 400,00 por kg).
Nos últimos anos tem sido dispensada uma atenção especial ao desenvolvimento de materiais com o uso de frações do bio-óleo. O derivados fenólicos presentes no bio-óleo insolúvel, principalmente derivados da despolimerização da lignina, são utilizados com êxito para substituir o fenol petroquímico durante a formulação de resinas do tipo fenol-formaldeído (PF-resinas). Este tipo de resina é utilizada como ligante em vários tipos de madeira compensada e também é um material básico nas indústrias de abrasivos e adesivos. A substituição de 50% (em peso) de fenol é viável, sem alterar ou afetar o desempenho da resina.
Fibras curtas de carbono ativado, que servem para a fabricação de filtros para tratamento da água, podem ser produzidas com o uso de material residual da destilação do bio-óleo ou do alcatrão da pirólise lenta. O piche residual recuperado durante a destilação do bio-óleo também serve como ligante em eletrodos. O bio-piche, como é conhecido, é mais reativo do que o piche de alcatrão de carvão fóssil, resultando em uma rede transversalmente ligada com coque.
5.3. Produção de energia elétrica a partir do Bio-Óleo
A produção de eletricidade a partir da pirólise de biomassa é uma das alternativas tecnológicas cuidadosamente considerada nos projetos de P&D. Uma das vantagens potenciais dessa tecnologia é a desvinculação da produção de eletricidade com a produção de biomassa, isto é, o óleo resultante da pirólise poderia ser transportado até as centrais elétricas e as limitações relativas ao tamanho da planta e aos impactos ambientais poderiam ser superadas.
A pirólise rápida da biomassa e o subseqüente uso do combustível líquido nos motores de combustão interna é um processo tecnológico novo que ainda deve apresentar-se com mais pesquisa. Porém, apesar da fase de desenvolvimento incipiente desta tecnologia estudos prévios indicam que poderá haver um potencial nicho de mercado para a produção de eletricidade por meio de pirólise rápida em unidades de pequena escala (capacidade entre 5 e 25 MW), principalmente no atendimento das cargas de ponta. As recentes análises de viabilidade apresentadas na literatura exploram mais a vantagem da desvinculação da produção de bio-óleo e da sua utilização na produção de eletricidade, permitindo uma melhor exploração do conceito de economia de escala para regiões com potencial disponibilidade de insumos de biomassa.
5.4. Tendências e Desafios para a Pirólise Rápida de Biomassa
A viabilidade econômica da produção do bio-óleo é altamente dependente de fatores como:
1. Parâmetros de custo: Neste caso são considerados os seguintes aspectos:
a. Da aplicação que se tenha para o bio-óleo o qual define, a princípio, o seu preço de venda (consideram-se o mercado de energéticos e o mercado de insumos químicos);
b. Do preço de venda do insumo (a biomassa) na região onde se instalariam as plantas de bio-óleo.
2. Tamanho da planta:
Trata-se da capacidade em alimentação de biomassa das plantas (economia de escala).
3. Desempenho da planta:
Trata-se da eficiência de separação e recuperação do bio-óleo. Os finos de biocarvão, a princípio, não interessam muito nesta análise, mas que podem beneficiar os custos e a análise de viabilidade econômica é uma realidade.
4. Parâmetros financeiros:
Refere-se ao cenário financeiro, taxas de juro consideradas, impostos, etc.
Estes resultados são fruto de uma análise de sensibilidade paramétrica realizada para a escala da planta de pirólise rápida da UNICAMP. Esta unidade foi instalada e operada em regime de pesquisa e demonstração dentro das dependências do Centro de Tecnologia Canavieira-CTC em Piracicaba-SP, usando-se gramíneas como capim elefante e palha de cana como insumo.
A partir destes resultados podemos inferir que para se obter um balanço econômico satisfatório na produção e comercialização deste produto é preciso a observância de questões tais como:
1. Disponibilidade de insumo de biomassa (resíduos) e de métodos de coleta e condicionamento a custos competitivos e com a qualidade requerida;
2. Eficiências de recuperação de bio-óleo acima de 60 % ;
3. As plantas devem ter uma capacidade acima de 200 kgh-1 (prevêem-se plantas de 500 a 1000 kgh-1 de capacidade, com 1 ou vários reatores em paralelo) e;
4. Mercado atraente financeiramente para os produtos do processo.
Algumas aplicações podem não ser atraentes. Na verdade, uma análise multivariável deve ser feita em cada caso.
O desafio a curto e médio prazo deve estar direcionado ao equacionamento dos seguintes aspectos:
Desenvolvimento dos processos tecnológicos unitários relacionados com a sua produção visando aperfeiçoar a qualidade e eficiência de obtenção: Neste caso é importante salientar que mais estudos devem ser realizados sobre formas de recuperação dos aerossóis da pirólise rápida (bio-aerossóis), formação, crescimento, composição química, deposição, precipitação e separação do fluxo de gases, além de serem testados novos sistemas de separação;
Desenvolvimento das aplicações e dos processos para sua implementação: no caso do seu uso como energético, o desenvolvimento das misturas de bio-óleo com álcoois poderia representar um passo de avanço importante, dada a sua incompatibilidade com hidrocarbonetos convencionais;
“Scale-up” da tecnologia: o “scale-up” da tecnologia deve levar em conta os efeitos da mudança de escala no rendimento gravimétrico e energético e a qualidade do bio-óleo. Estudos nesta direção estão sendo realizados;
Redução de custos: recentes estudos têm demonstrado que o custo de produção do bio-óleo encontra-se ainda entre 10 e 100% do custo de produção do óleo combustível;
Estabelecimentos de normas para os produtores e usuários da tecnologia e os produtos: são necessários trabalhos de caracterização e estandardização no uso e a distribuição do bio-óleo. Estabelecimentos de normas relacionadas com a saúde ambiental e segurança no manuseio, transporte e uso final do bio-óleo;
Disseminação de informações sobre o uso do bio-óleo e dos benefícios econômicos e ambientais decorrentes da tecnologia e dos produtos.
Para se alcançar uma maturidade tecnológica que permita a aplicação desta tecnologia e seus produtos em escala comercial são necessárias ainda pesquisas básicas e aplicadas. Uma dada aplicação terá impacto de escala quando seja atraente economicamente em cada uma das etapas dos processos envolvidos.
6. Bibliografia
[1] V&MT. Raad, T., SG/C – Florestal. Pessoal Comunication. In: tulraad@vmtubes.com.br. Access by http://www.vmtubes.com.br;
[2] Walter, A.C. da Silva; Faaij, A. and Bauen, A. New Technologies for Modern Biomass Energy Carries. In: Rosillo-Calle, F.; Bajay S. and Rothman, H. Industrial Uses of Biomass Energy: The example of Brazil. First Edition. London, England, published by Taylor & Francis, volume único, 2000, p. 200-253.
[3] Felfli, F. Torrefação de Biomassa. Viabilidade Técnica e Potencial de Mercado. Tese de Doutorado. Faculdade de Engenharia Mecânica-FEM, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, São Paulo, 2003;
[4] NH Department of Resources and Economic Development. “Identifying and Implementing Alternatives to Sustain the Wood-Fired Electricity Generating Industry in New Hampshire”, New Hampshire, UK, January 2002. Access by http://www.unh.edu;
[5] Olivares-Gómez E. Estudo da Pirólise Rápida de Capim Elefante em Leito Fluidizado Borbulhante mediante a Caracterização dos Finos de Carvão. Tese de doutorado. FEAGRI, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, São Paulo, 2002;
[[1]] O PCS do óleo combustível convencional é considerado como sendo em torno de 40 MJkg-1
O bio-óleo é uma mistura orgânica muito complexa, formada por centenas de compostos diferentes pertencentes a muitos grupos químicos. O Poder Calorífico Superior-PCS do bio-óleo varia, em média, entre 18 e 20 MJkg-1, ou seja, aproximadamente metade do valor do PCS do óleo combustível convencional[[1]]. O teor de água pode variar de 15% a aproximadamente 40% (em peso). A densidade do bio-óleo é também alta, cerca de 1,2 kgl-1.
São sugeridas algumas aplicações para o bio-óleo. Combustíveis líquidos (Premium), como os hidrocarbonetos leves e a mistura aromática de gasolina e substâncias como o diesel, poderiam ser produzidos por catálise. O uso como óleo combustível em motores estacionários em substituição ao óleo diesel é possível, embora seja necessário resolver problemas como a corrosão, baixo valor de aquecimento e envelhecimento (reações de polimerização) durante o armazenamento.
O bio-óleo é também uma fonte de produtos químicos refinados, com um alto preço no varejo. Por exemplo, com o bio-óleo é possível produzir compostos para aditivos e aroma de alimentos como a alilsiringol (que custa US$ 1000,00 por kg), siringaldeído e siringol (ambos custam US$ 400,00 por kg).
Nos últimos anos tem sido dispensada uma atenção especial ao desenvolvimento de materiais com o uso de frações do bio-óleo. O derivados fenólicos presentes no bio-óleo insolúvel, principalmente derivados da despolimerização da lignina, são utilizados com êxito para substituir o fenol petroquímico durante a formulação de resinas do tipo fenol-formaldeído (PF-resinas). Este tipo de resina é utilizada como ligante em vários tipos de madeira compensada e também é um material básico nas indústrias de abrasivos e adesivos. A substituição de 50% (em peso) de fenol é viável, sem alterar ou afetar o desempenho da resina.
Fibras curtas de carbono ativado, que servem para a fabricação de filtros para tratamento da água, podem ser produzidas com o uso de material residual da destilação do bio-óleo ou do alcatrão da pirólise lenta. O piche residual recuperado durante a destilação do bio-óleo também serve como ligante em eletrodos. O bio-piche, como é conhecido, é mais reativo do que o piche de alcatrão de carvão fóssil, resultando em uma rede transversalmente ligada com coque.
5.3. Produção de energia elétrica a partir do Bio-Óleo
A produção de eletricidade a partir da pirólise de biomassa é uma das alternativas tecnológicas cuidadosamente considerada nos projetos de P&D. Uma das vantagens potenciais dessa tecnologia é a desvinculação da produção de eletricidade com a produção de biomassa, isto é, o óleo resultante da pirólise poderia ser transportado até as centrais elétricas e as limitações relativas ao tamanho da planta e aos impactos ambientais poderiam ser superadas.
A pirólise rápida da biomassa e o subseqüente uso do combustível líquido nos motores de combustão interna é um processo tecnológico novo que ainda deve apresentar-se com mais pesquisa. Porém, apesar da fase de desenvolvimento incipiente desta tecnologia estudos prévios indicam que poderá haver um potencial nicho de mercado para a produção de eletricidade por meio de pirólise rápida em unidades de pequena escala (capacidade entre 5 e 25 MW), principalmente no atendimento das cargas de ponta. As recentes análises de viabilidade apresentadas na literatura exploram mais a vantagem da desvinculação da produção de bio-óleo e da sua utilização na produção de eletricidade, permitindo uma melhor exploração do conceito de economia de escala para regiões com potencial disponibilidade de insumos de biomassa.
5.4. Tendências e Desafios para a Pirólise Rápida de Biomassa
A viabilidade econômica da produção do bio-óleo é altamente dependente de fatores como:
1. Parâmetros de custo: Neste caso são considerados os seguintes aspectos:
a. Da aplicação que se tenha para o bio-óleo o qual define, a princípio, o seu preço de venda (consideram-se o mercado de energéticos e o mercado de insumos químicos);
b. Do preço de venda do insumo (a biomassa) na região onde se instalariam as plantas de bio-óleo.
2. Tamanho da planta:
Trata-se da capacidade em alimentação de biomassa das plantas (economia de escala).
3. Desempenho da planta:
Trata-se da eficiência de separação e recuperação do bio-óleo. Os finos de biocarvão, a princípio, não interessam muito nesta análise, mas que podem beneficiar os custos e a análise de viabilidade econômica é uma realidade.
4. Parâmetros financeiros:
Refere-se ao cenário financeiro, taxas de juro consideradas, impostos, etc.
Estes resultados são fruto de uma análise de sensibilidade paramétrica realizada para a escala da planta de pirólise rápida da UNICAMP. Esta unidade foi instalada e operada em regime de pesquisa e demonstração dentro das dependências do Centro de Tecnologia Canavieira-CTC em Piracicaba-SP, usando-se gramíneas como capim elefante e palha de cana como insumo.
A partir destes resultados podemos inferir que para se obter um balanço econômico satisfatório na produção e comercialização deste produto é preciso a observância de questões tais como:
1. Disponibilidade de insumo de biomassa (resíduos) e de métodos de coleta e condicionamento a custos competitivos e com a qualidade requerida;
2. Eficiências de recuperação de bio-óleo acima de 60 % ;
3. As plantas devem ter uma capacidade acima de 200 kgh-1 (prevêem-se plantas de 500 a 1000 kgh-1 de capacidade, com 1 ou vários reatores em paralelo) e;
4. Mercado atraente financeiramente para os produtos do processo.
Algumas aplicações podem não ser atraentes. Na verdade, uma análise multivariável deve ser feita em cada caso.
O desafio a curto e médio prazo deve estar direcionado ao equacionamento dos seguintes aspectos:
Desenvolvimento dos processos tecnológicos unitários relacionados com a sua produção visando aperfeiçoar a qualidade e eficiência de obtenção: Neste caso é importante salientar que mais estudos devem ser realizados sobre formas de recuperação dos aerossóis da pirólise rápida (bio-aerossóis), formação, crescimento, composição química, deposição, precipitação e separação do fluxo de gases, além de serem testados novos sistemas de separação;
Desenvolvimento das aplicações e dos processos para sua implementação: no caso do seu uso como energético, o desenvolvimento das misturas de bio-óleo com álcoois poderia representar um passo de avanço importante, dada a sua incompatibilidade com hidrocarbonetos convencionais;
“Scale-up” da tecnologia: o “scale-up” da tecnologia deve levar em conta os efeitos da mudança de escala no rendimento gravimétrico e energético e a qualidade do bio-óleo. Estudos nesta direção estão sendo realizados;
Redução de custos: recentes estudos têm demonstrado que o custo de produção do bio-óleo encontra-se ainda entre 10 e 100% do custo de produção do óleo combustível;
Estabelecimentos de normas para os produtores e usuários da tecnologia e os produtos: são necessários trabalhos de caracterização e estandardização no uso e a distribuição do bio-óleo. Estabelecimentos de normas relacionadas com a saúde ambiental e segurança no manuseio, transporte e uso final do bio-óleo;
Disseminação de informações sobre o uso do bio-óleo e dos benefícios econômicos e ambientais decorrentes da tecnologia e dos produtos.
Para se alcançar uma maturidade tecnológica que permita a aplicação desta tecnologia e seus produtos em escala comercial são necessárias ainda pesquisas básicas e aplicadas. Uma dada aplicação terá impacto de escala quando seja atraente economicamente em cada uma das etapas dos processos envolvidos.
6. Bibliografia
[1] V&MT. Raad, T., SG/C – Florestal. Pessoal Comunication. In: tulraad@vmtubes.com.br. Access by http://www.vmtubes.com.br;
[2] Walter, A.C. da Silva; Faaij, A. and Bauen, A. New Technologies for Modern Biomass Energy Carries. In: Rosillo-Calle, F.; Bajay S. and Rothman, H. Industrial Uses of Biomass Energy: The example of Brazil. First Edition. London, England, published by Taylor & Francis, volume único, 2000, p. 200-253.
[3] Felfli, F. Torrefação de Biomassa. Viabilidade Técnica e Potencial de Mercado. Tese de Doutorado. Faculdade de Engenharia Mecânica-FEM, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, São Paulo, 2003;
[4] NH Department of Resources and Economic Development. “Identifying and Implementing Alternatives to Sustain the Wood-Fired Electricity Generating Industry in New Hampshire”, New Hampshire, UK, January 2002. Access by http://www.unh.edu;
[5] Olivares-Gómez E. Estudo da Pirólise Rápida de Capim Elefante em Leito Fluidizado Borbulhante mediante a Caracterização dos Finos de Carvão. Tese de doutorado. FEAGRI, Universidade Estadual de Campinas-UNICAMP, Campinas, São Paulo, 2002;
[[1]] O PCS do óleo combustível convencional é considerado como sendo em torno de 40 MJkg-1
