Economia & Energia
Ano X -No 57:
Agosto-Setembro 2006
ISSN 1518-2932

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e&e No 57

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Termo de Parceria 13.0020.00/2005

 

 

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Teor de Carbono em Combustíveis da Biomassa

Um Modelo para o Desenvolvimento Nacional

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Texto para Discussão:

Teor de Carbono em

 Combustíveis da Biomassa

Omar Campos Ferreira

Introdução

Este trabalho faz parte do levantamento de dados para a revisão do Balanço de Carbono (objeto do Termo de Parceria 13.0020.00/2005) firmado entre a Organização Social Economia e Energia – e&e – OSCIP e o Ministério da Ciência e Tecnologia – MCT.

O Balanço de Carbono na área de Energia foi elaborado a partir dos dados energéticos do Balanço Energético BEN/MME e de coeficientes de emissão usados para apuração do inventário das emissões que contribuem para o efeito estufa na área energética.

O Brasil é parte da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas comprometendo-se a efetuar periodicamente um levantamento das emissões causadoras do efeito estufa. A Organização e&e e o MCT firmaram um Termo de Parceria (Nº 13.0020.00/2005) onde, através do Balanço de Carbono, pode-se localizar eventuais falhas na apuração dessas emissões que periodicamente são inventariadas, sendo os resultados incluídos na Declaração que o País apresenta à Convenção.

No Brasil a biomassa participa de forma significativa na matriz energética. As emissões de CO2 provenientes da biomassa não são contabilizadas[1] como formadoras do efeito estufa já que em sua produção este gás é extraído da atmosfera. Contudo, a contabilidade dos gases emitidos pela biomassa é apurada já que outros gases, como o metano, são incluídos no inventário. Por outro lado, a compreensão dos mecanismos de reciclagem do carbono na atmosfera através da biomassa é importante para a compreensão do fenômeno do aquecimento global.

A importância da biomassa na matriz energética brasileira torna necessário um tratamento mais cuidadoso das emissões dela provenientes, já que a abordagem padrão definida pelo IPCC (International Panel on Climate Change) está mais dirigida a perfis energéticos onde a biomassa é menos importante. Apenas para realçar a relevância do assunto, vale lembrar que quase um terço de nossa energia primária provêm da biomassa e os produtos da cana (mesmo não considerando pontas e palha) já representam o segundo energético primário em termos de oferta bruta no País.

O objetivo deste trabalho é apurar os coeficientes mais adequados para exprimir, para os principais combustíveis com origem na biomassa, o teor de carbono por energia contida no combustível (medida pelo poder calorífico inferior) expresso em tonelada de carbono por Tera-Joule (tC/TJ). Devido à diversidade de processos de produção desses combustíveis, as informações disponíveis na literatura técnica nem sempre apresentam o grau de coerência necessário à produção de dados para as Comunicações Nacionais à Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudanças do Clima. Procuramos partir, em cada caso, de informações de uma única fonte, baseadas em trabalhos de laboratório com a suficiente especificação das amostras e dos métodos utilizados, cotejando os resultados com os fornecidos pelo IPCC e investigando as eventuais discrepâncias, inclusive com a realização de ensaios e de medições.

a) Lenha.

A lenha é composta majoritariamente por celulose, hemicelulose e lignina, em proporções variáveis conforme a espécie vegetal, e substâncias menores, como resinas, nutrientes da planta e outras. É natural, pois, encontrar ampla variação entre os dados de diferentes fontes de informação sobre suas características físico-químicas, em particular os teores de carbono e de hidrogênio e os poderes caloríficos superior e inferior que entram na avaliação do coeficiente de emissão de gases de efeito estufa, conforme a metodologia adotada pelo IPCC.

Pesquisa em artigos publicados na Internet mostrou valores do poder calorífico variando de 4.700 (eucalipto, acácia, gravílea) a 6.870 kcal/kg (mimosa), madeiras estas de uso industrial, sem menção explícita do teor de umidade; para a lenha de uso residencial comum não há informações que permitam a avaliação do teor de carbono e do poder calorífico.

De acordo com o Balanço Energético Nacional/2004, cerca de 63% da lenha são destinados à transformação em carvão vegetal e ao uso como energético nas indústrias de alimentos e bebidas, papel e celulose e cerâmica; a espécie mais usada para essas finalidades é o eucalipto, extensamente estudado por empresas siderúrgicas de Minas Gerais (Acesita, Belgo-Mineira e Mannesmann, entre outras) e pela Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais – CETEC. A Série de Publicações Técnicas do CETEC contém importantes informações sobre o processo de produção de carvão vegetal, sendo praticamente a única fonte pública de dados sobre as propriedades físico-químicas do eucalipto. Assim, o coeficiente de emissão para o eucalipto pode ser considerado como representativo do uso energético da lenha.

O conhecimento do conteúdo de carbono, hidrogênio e oxigênio de um combustível e de seu poder calorífico superior permite calcular o poder calorífico inferior. Este é base para os valores recomendados pelo IPCC dos coeficientes de teor de carbono por energia e é também utilizado atualmente pelo BEN/MME para expressar a energia em tonelada equivalente de petróleo (1 tep = 10000 Mcal).

O método de medição do poder calorífico baseia-se, no balanço de energia, na combustão completa da amostra, em geral com oxigênio puro, a volume constante, e na transferência de calor para a água do calorímetro. A diferenciação entre o poder calorífico superior (PCS) e o inferior (PCI) resulta da consideração do estado final da mistura de gases de combustão e do vapor d´água que se forma na queima de substâncias hidrogenadas[2]. Se o estado de equilíbrio térmico dos produtos da combustão com a água do calorímetro ocorre sem a condensação do vapor d´água, o poder calorífico medido é o inferior; se o vapor se condensa e a mistura é resfriada à temperatura inicial (geralmente a do ambiente, tomada como 25°C), maior quantidade de calor é cedida ao calorímetro e o resultado é o poder calorífico superior. A equação que relaciona os dois poderes caloríficos é:

PCS = PCI + m(c ΔT + L),                    (1)

sendo m a massa da água de combustão, ΔT a diferença de temperatura entre o ambiente e a temperatura de equilíbrio antes da condensação e L o calor latente de condensação do vapor d´água.

O poder calorífico da lenha de eucalipto foi obtido das seguintes fontes de informação:

-          “Fonte primária de energia – madeira combustível”, Martins, H; SPT 01, CETEC, 1980 – PCS = 4.700 kcal/kg;

-          “State of the Art on Charcoal Production in Brazil”, Almeida, M. R. et al, Florestal Acesita, 1982 – PCS = 4.200 kcal/kg (calculado pelo balanço de massa na carbonização);

-           “Produção de energia do fuste de Eucalyptus grandis”, Vale, A. T et al, UnB, 1997 – PCS = 4.640 kcal/kg;

-          “Principles of World Science”, Côté, N. A et al, Springer Verlag, 1962 – PCS = 4.500 kcal/kg. 

O valor médio desses dados é PCS = 4.510 ± 220 kcal/kg.

O teor de hidrogênio da madeira é mostrado na tabela abaixo:

 Tabela 1 – Características físico-químicas da lenha seca de Eucalyptus Grandis (SPT-008)

Constituinte

Carbono

Oxigênio

Hidrogênio

Teor % em massa

50

44

6

Cada grama de hidrogênio gera 9 g de água; assim, a combustão de 60g contidas em 1 kg da lenha gera 540g de água. O PCI é:

            PCI = PCS – massa de água x (1 kcal/kg.°C * 75°C + 540 kcal/kg), no caso:

            PCI = 4.510 – 0,540 x 615 = 4.178 kcal/kg.[3]   

O coeficiente de emissão da lenha calculado com esses dados é:

      fc = 0,500kgc /(4.178 kcal/kg * 4,186 kJ/kcal) = (0,495 / 18,3 * 106) kgc / MJ          = 28,6 tC /TJ.

Este resultado difere em menos de 5% do coeficiente recomendado pelo IPCC.

b) Carvão vegetal.

A revisão do balanço de carbono para o carvão vegetal visa a proposição de um conjunto coerente de coeficientes de emissão a ser usado em trabalhos futuros. A produção do carvão vegetal deixa, como sub-produtos, o alcatrão insolúvel que pode ser recuperado em condições econômicas para ser usado como combustível, o líquido pirolenhoso, contendo água, alcatrão solúvel, ácido acético, metanol e gases. As proporções das substâncias resultantes da pirólise variam com a qualidade da lenha e com a temperatura de pirólise. O alcatrão é uma substância mal caracterizada, fato que, aliado à variação de sua composição com a temperatura de carbonização, dificulta a avaliação de sua contribuição para o fator de emissão global.

As características das substâncias serão avaliadas a 400°C, temperatura típica da pirólise praticada comercialmente no Brasil. A proporção das várias substâncias pode ser descrita com boa aproximação pela equação de reação[4]:

 2C42 H66 O28          3 C16 H10 O2 + 28 H2 O + 5 CO2 + 3 CO + C28 H46 O9.

Os teores dos elementos de interesse calculados pela equação acima são satisfatoriamente próximos daqueles citados na SPT-008 do CETEC para a lenha seca, como se mostra:

Tabela 2 – Composição elementar da lenha de E. grandis.

Elemento

Carbono

Oxigênio

Hidrogênio

Equação

0,495

0,440

0,064

SPT 008

0,500

0,433

0,061

Observe-se que a fase de aquecimento da lenha até a temperatura de pirólise não está incluída na equação. Na prática, uma fração da lenha carregada no forno de carbonização, estimada em 5% em massa, é queimada com o forno aberto, em condições atmosféricas, emitindo predominantemente CO2 calculável com o coeficiente apropriado[5]. O uso da equação acima, juntamente com os poderes caloríficos obtidos das Publicações Técnicas, permite calcular os coeficientes de emissão da lenha, do carvão vegetal e dos efluentes líquidos e gasosos.

Tabela 3 –

Dados para o cálculo de coeficientes de emissão para lenha e carvão vegetal.

 

Lenha

Carvão Vegetal

Água

CO2

CO

Alcatrão + pirolenhoso

Massa – g

2036

702

504

220

84

526

M. carbono – g

1008

576

-

60

36

336

Teor C

0,496

0,821

-

0,273

0,429

0,639

PCS – kcal/kg

4510

6940

-

0

2350

6610 (alcatrão)

PCI

4178

6750

-

0

2350

6390(alcatrão)

Coef.Emis.

tC/TJ

28,6

29,1

-

0

43,6

23,9

c) Produtos da cana de açúcar:

O coeficiente de emissão para o álcool calculado pela fórmula química (18,8 tC/TJ) difere pouco do apurado no balanço das Emissões (18,5 tC/TJ), sugerindo que a contabilidade do carbono nos insumos e produtos está correta. O coeficiente usado no inventário, no entanto, é bastante inferior a este valor (14,81 tC/TJ) já que levou em conta apenas o teor de CO2 emitido pelos veículos.

O balanço consolidado para destilarias (tabela 16, p. 36 do Relatório Final) considera como insumos o caldo de cana, o melaço e outras recuperações, e como produtos o álcool anidro e o hidratado. O bagaço, que corresponde à parte fibrosa da cana, não é contabilizado no sistema destilaria. O melaço é subproduto da indústria de açúcar, o que mostra ter havido alguma dificuldade em tratar a indústria sucroalcooleira como sistema. Não sendo nosso propósito, nesta fase, incluir a produção de açúcar, procuramos tratar apenas da produção de álcool, considerando como insumo a cana (açúcares fermentáveis - representados pela sacarose - fibras e água); como produto e co-produto aparecem o álcool (em anidro equivalente) e o bagaço excedente; os rejeitos são os gases de combustão, representados pelo CO2, o gás de fermentação (CO2 de fato) e o glicerol, considerado como representante dos compostos de carbono rejeitados como vinhoto. A tabela a seguir mostra o fluxo de compostos de carbono na destilaria, os teores de carbono das substâncias consideradas e o balanço de carbono.

Tabela 4 – Dados para o balanço de carbono de destilaria de álcool.

 

Componente

t/tCana

Teor de C

Massa C

PCI TJ/t

f C

 

Insumos

Sacarose

0,1401

0,4214

- 0,059

 

 

Fibras

0,1401

0,4432

- 0,062

 

 

 

Produtos

Álcool

0,060

0,522

+ 0,031

0,0278

18,8

Bagaço exc.

0,0222

0,443

+ 0,014

 0,0183*

24,2

 

Rejeitos

CO2 comb.

0,190

0,273

+ 0,052

 

 

CO2 fermen.

0,073

0,273

+ 0,020

 

 

Glicerol vinh.

0,0053

0,3914

+ 0,002

 

 

                     Σ MC =- 0,001 ( 0,8 %)     * base seca 

1 – “Balanço das emissões de gases do efeito estufa na produção e uso do etanol no Brasil” SMA/SP – 2004

2 – “Análise Exergética da Produção de Etanol da Cana-de-Açúcar”, Esteves, O.A. – Diss. Mestrado em Planejamento Energético – CCTN/UFMG-1995.

3 –“Tratamento de Efluentes na Indústria Sucroalcooleira”, CTC Copersucar-1995.

4 – Fórmulas: Sacarose C12 H22 O11 – Glicerol C3 H8 O3

Com o tratamento descrito, o balanço de carbono para destilaria de álcool fecha com desvio relativo inferior a 1%.

Conclusão

Tabela 4  - (Resumo) Comparação entre os valores recomendados pelo IPCC e os propostos no presente trabalho em tC/TJ

 

Este Trabalho

IPCC

Trabalho de Referência COPPE/MCT

Lenha

28,6

29,9

29,9

Carvão Vegetal

29,1

29,9

29,9

Alcatrão + pirolenhoso

23,9

-

-

Álcool etílico

18,8

-

14,81

Bagaço Excedente

24,2

29,9

29,9

 


[1] Naturalmente isto não inclui a eventual destruição do estoque de biomassa acumulada em florestas nativas.

[2] A água geralmente contida na lenha não entra nesse cálculo, devendo ser eliminada pela secagem preliminar da amostra em estufa ou ser excluída da massa da amostra.

[3] O Balanço Energético Nacional/2001 registra PCI = 3.100 kcal/kg para lenha comercial com 25% de umidade.

[4] A SPT-008 menciona como origem da informação o trabalho de Klar, M Technologie de la distillation du bois”, Librairie Poly Technique, Paris, 1925.

[5] “Emissões de gases de efeito estufa na produção e no uso do carvão vegetal”, Ferreira, O.C -E&E, nº 20, 2000.


 

Graphic Edition/Edição Gráfica:
MAK
Editoração Eletrônic
a

Revised/Revisado:
Monday, 16 November 2009
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