potencial energético

POTENCIAL ENERGÉTICO DO HIDROGÊNIO NOS RESÍDUOS
CANA DE AÇÚCAR
*ALEXANDRE SORDI, JOÃO CARLOS CAMARGO*
*DE – DEPARTAMENTO DE ENERGIA, FACULDADE DE ENGENHARIA
MECÂNICA – UNICAMP.
1. RESUMO
O hidrogênio poderá constituir no futuro uma fase avançada para a
utilização dos combustíveis gasosos pela humanidade. No entanto, como vetor
energético, o hidrogênio precisa ser retirado de alguma substância onde ele se
encontra. Os hidrocarbonetos fósseis, atualmente, são essas principais fontes.
Também pode ser obtido de fontes renováveis de energia, como por exemplo, a
biomassa. Com a tecnologia da gaseificação da biomassa obtém-se esse
combustível, menos poluente que os combustíveis fósseis, o qual pode ser
direcionado para geração de energia elétrica distribuída em células a combustível
de alta temperatura como as do tipo SOFC. A célula a combustível é uma
tecnologia mais eficiente e que emite quantidades bem inferiores de poluentes
quando comparada com as máquinas térmicas tradicionais. O direcionamento dos
resíduos da cana de açúcar, como o bagaço e a palha, para sistemas de
gaseificação integrados a células a combustível é uma alternativa de
aproveitamento mais eficiente da biomassa. O potencial energético desses
resíduos no Brasil, utilizando-se essa tecnologia é de aproximadamente 79000
GWh de eletricidade.
Palavras chave: Hidrogênio, biomassa, gaseificação, célula a combustível.
2. ABSTRACT
The hydrogen can constitute in the future an advanced phase for the use
of the gaseous fuels for the humanity. However, as energy vector, the hydrogen
needs to be retired of some substance where he meets. The fossil hydrocarbons,
currently, are those main sources. It can also be obtained of renewable energy
sources, as the biomass. With the technology of the biomass gasification it is
obtained that fuel, less pollutant than the fossil fuels, which can be addressed for
electric power distributed generation in high temperature fuel cells as the type
SOFC. The fuel cell is a more efficient technology and that emits very inferior
amounts of pollutant when compared with the traditional thermal machines. The
use of the sugar cane residues, as the trash and bagasse, for integrated
gasification systems into fuel cells it is an alternative of more efficient use of the
biomass. The energy potential of those residues in Brazil, being used that
technology is of approximately 73100 GWh of electricity.
Key words: Hydrogen, biomass, gasification, fuel cell.
3. INTRODUÇÃO
A energia é um insumo essencial para a humanidade, e sua busca
sempre mobilizou a sociedade. A princípio e por um longo período para satisfazer
suas necessidades básicas como cocção de alimentos, aquecimento e defesa. No
entanto, a partir da era industrial, há três séculos apenas, é que se intensificou a
exploração dos recursos naturais para obtenção de combustíveis de maior
densidade energética. Primeiramente sólidos como o carvão, depois com os
líquidos derivados do petróleo, e atualmente estamos presenciando a ascensão
do consumo de combustíveis gasosos como o gás natural.
Num futuro poderemos vislumbrar a era da economia do hidrogênio, que
está sendo considerado o novo “combustível” do futuro. Alicerçada principalmente
no avanço tecnológico das células a combustível – dispositivo eletroquímico que
converte a energia química do hidrogênio diretamente em eletricidade. A
economia do hidrogênio tem ainda um longo caminho para se desenvolver e fazer
frente à consolidada economia do petróleo.
A obtenção do hidrogênio é um dos grandes desafios dessa nova
economia já que é um gás não disponível na natureza em sua forma gasosa. Ele
pode ser produzido a partir de várias fontes, renováveis ou não renováveis.
Dentre as fontes renováveis destaca-se aqui a biomassa, pois com a tecnologia
da gaseificação da biomassa obtém-se o hidrogênio que poderá ser utilizado para
geração de energia elétrica e térmica em células a combustível.
O Brasil como o grande produtor mundial de cana de açúcar, possui um
grande potencial para uma futura economia do hidrogênio. Pois, além da reforma
do etanol, a gaseificação do bagaço de cana é uma fonte de hidrogênio para ser
convertida em eletricidade em células a combustível.
4. TRANSIÇÃO ENERGÉTICA
Nota-se claramente a evolução dos combustíveis na história humana. Um
grande período, da aurora das civilizações até a era industrial, predominou a fase
sólida com a madeira e posteriormente o carvão mineral. Há pouco mais de um
século, o aproveitamento do petróleo inaugurou a fase líquida. Atualmente notase um empenho pela utilização do gás natural e futuramente o hidrogênio. Com
isso, delineia-se no horizonte energético a “fase gasosa”. Essa evolução na
utilização dos combustíveis é citada por muitos autores como a descarbonização
da economia, pois os combustíveis utilizados têm cadeias carbônicas cada vez
menores. Este é um importante fato que tem sido percebido nos últimos duzentos
anos através de pesquisas, que o mundo tem perseguido uma progressiva
descarbonização da matriz energética. Seguindo essa tendência, a economia
baseada no hidrogênio para geração de energia representaria o fim da era do
carbono. Essa tendência histórica tem sido demonstrada a exemplo, por HEFNER
(2002) (Figura 1).
Há um consenso na comunidade mundial que a era do petróleo barato
está terminando. Os poços de petróleo que estão sendo descobertos fazem parte
de bacias off-shore com custos crescentes de extração. As grandes bacias
petrolíferas se encontram em países do Oriente Médio onde a instabilidade
política não garante a tranqüilidade almejada para o Ocidente. Além disso, as
questões ambientais associadas com a utilização dos combustíveis fósseis são
motivos de preocupação da comunidade internacional. Esses fatores implicarão
inevitavelmente em custos crescentes para a sociedade cuja economia está
baseada no petróleo.
Figura 1 – Transição do sistema energético global: 1850-2150.
Fonte: Adaptado de HEFNER (2002)
5. HIDROGÊNIO
Atualmente, aproximadamente 96% do hidrogênio produzido no mundo
provém de hidrocarbonetos de origem fóssil. Através da reforma do gás natural
são produzidos cerca de 48% do hidrogênio, o petróleo e o carvão são
responsáveis por 30% e 18% da produção, respectivamente. A eletrólise é
responsável por 4% dessa produção (DOE, 2002). A maioria do hidrogênio
produzido é utilizado no próprio local de produção como a indústria petroquímica,
e apenas uma fração é destinada para fins energéticos. Entretanto, existe uma
grande expectativa no aumento da utilização energética desse combustível devido
à possibilidade da disseminação das células a combustível, bem como da
necessidade mundial por menores emissões de CO2.
5.1 GASEIFICAÇÃO DA BIOMASSA E CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Como já destacado, é possível obter o hidrogênio das fontes renováveis
como, por exemplo, a gaseificação da biomassa. A gaseificação é um processo
de conversão termoquímica realizada a altas temperaturas em torno de 850ºC,
envolvendo oxidação parcial dos elementos combustíveis de constituição da
biomassa. O gás produzido ou gás de síntese (syngas) é composto de CO, CO2,
H2, CH4, traços de hidrocarbonetos pesados, água, nitrogênio e várias outras
substâncias - pequenas partículas de coque, cinza, alcatrão e óleos, que são
consideradas contaminantes. A eficiência da gaseificação térmica geralmente é
de 80 a 85%, medida pela energia da mistura de gás combustível em relação ao
conteúdo energético da biomassa (BAIN et. al., 2002).
A composição do gás e o seu poder calorífico varia de acordo com o tipo
de gaseificador e o processo. A gaseificação utilizando o ar atmosférico tem a
desvantagem da produção de um gás de baixo poder calorífico devido à alta
porcentagem de nitrogênio. Utilizando-se oxigênio puro pode-se obter um gás de
médio poder calorífico, mas aumenta-se o custo operacional do gaseificador. Uma
alternativa que vem sendo estudada é a gaseificação vapor. Franco et. al., (2003),
por exemplo, analisaram um gaseificador do tipo leito fluidizado a pressão
atmosférica para temperaturas entre 750 a 900ºC trabalhando com madeira de
pinnus e eucalyptus, obtiveram um gás de médio poder calorífico variando de 16 a
19 MJ/Nm3. Para o pinnus obteve-se um syngas com uma porcentagem de 34%
de H2, 38% de CO, 15% de CO2, 12% de CH4 e 3% de CnHn.
O syngas pode ser queimado em motores e turbinas a gás e também em
uma forma mais avançada e eficiente, pode ser convertido eletroquimicamente
em eletricidade e calor em uma célula a combustível. Esta tecnologia apresenta
eficiência superior às máquinas térmicas, pois ela não é limitada pela eficiência do
ciclo de Carnot. A Tabela 1 apresenta uma comparação de eficiências entre
tecnologias de geração distribuída de energia elétrica. A faixa de eficiência da
célula a combustível, de 40% a 65%, depende do tipo de célula a combustível: as
células que trabalham a temperatura mais elevada como a MCFC (Célula a
combustível de carbonato fundido) e a SOFC (célula a combustível de óxido
sólido), em torno de 600ºC e 800ºC respectivamente, são as mais eficientes.
Sendo, também, que a sua elevada temperatura de operação permite que o calor
rejeitado seja aproveitado para cogeração (CHP).
Tabela 2 – Comparação das diferentes tecnologias para CHP.
Eficiência
Motor
Motor
Turbina a
Turbina a
Micro-
Célula a
Diesel
G. natural
vapor
gás
turb. a gás
combustível
30 – 50%
25 – 45%
30 – 42%
25 – 40%
20 – 30%
40 – 70%
0,025 –
0,2 – 2
elétrica
40 – 55%
(LHV)
Escala
0,05 – 5
0,05 – 5
-
3 – 200
MW
0,25
Custo
800 -
800 -
US$/kW
1500
1500
Temp.
82 – 480
150 – 260
800 - 1000
700 - 900
500 -
>3000
1300
-
260 – 590
204 – 340
60 – 370
para
CHP (ºC)
Fonte: California Energy Commission & U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and
Renewable Energy, 1999.
O CH4 e o CO presentes no syngas também podem ser aproveitados para
obtenção de H2. O metano CH4 pode ser reformado para obter-se mais hidrogênio
de acordo com a equação abaixo (BISCHOFF & HUPPMANN, 2002):
CH4 + 2H2O Æ CO2 + 4H2
O monóxido de carbono CO presente no syngas pode ser direcionado
para a reação de shift de acordo com a equação abaixo (LOBACHYOV &
RICHTER 1998):
CO + H2O Æ CO2 + H2
No caso da célula a combustível tipo MCFC o processo de reforma corre
internamente. Para a SOFC os gases combustíveis H2, CH4 e CO são oxidados
diretamente no stack sem a necessidade de catalisador (Fuel Cell Handbook,
2002).
5.2 POTENCIAL DOS RESÍDUOS DA CANA
SISTEMA DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL
PARA
PRODUÇÃO
DE
ENERGIA ELÉTRICA
EM
Em 2003 plantou-se 5,2 milhões de hectares de cana. Cada tonelada tem
um potencial energético equivalente ao de 1,2 barril de petróleo. O Brasil é o
maior produtor do mundo, seguido por Índia e Austrália. Na média, 55% da cana
brasileira vira álcool e 45%, açúcar. Planta-se cana, no Brasil, no Centro-Sul e no
Norte-Nordeste, o que permite dois períodos de safra.
Cerca de 75% do álcool produzido é proveniente do caldo de cana
(rendimento próximo de 84 l/t de cana). Os restantes 25% têm origem no melaço
resultante da produção de açúcar (rendimento próximo de 330 l/t de melaço). Em
2002 a produção total de bagaço ficou próxima de 94,4 milhões de toneladas,
gerando uma sobra de 7,2 milhões de toneladas para usos não energéticos. Os
produtos energéticos resultantes da cana representam 12,8% da Matriz
Energética Brasileira de acordo com o BEN (2003).
Desde a colheita da cana-de-açúcar até o processo de obtenção de
açúcar e álcool, quantidades significantes de resíduos são produzidas. O principal
resíduo da colheita da cana é a palha, constituída por pontas e folhas. Cerca de
30 t/ha da biomassa da cana é formada por esses resíduos com um teor de
umidade médio de aproximadamente 50%. Deve-se considerar que apenas 50%
das plantações sejam apropriados para os sistemas de colheita mecanizada (que
faria com que a recuperação dos resíduos fosse possível) (BRAUNBECK &
CORTEZ, 2002). Dessa quantidade de palha disponível, testes tem demonstrado
que na prática 40-60% pode ser efetivamente aproveitada para fins energéticos
(WALDHEIM & MORRIS 2002). O bagaço é o resíduo do processo industrial da
cana, sendo queimado nas caldeiras da usina para produção de vapor e potência:
esse resíduo apresenta uma produção da ordem de 30 t/h com 50% de umidade.
Podem ser obtidos de 240 a 280 quilos de bagaço por tonelada de cana
processada; em base seca esse número cai para 140 quilos (MACEDO &
CORTEZ, 2002). O poder calorífico superior do bagaço de cana tem um valor
aproximado de 17,5 MJ/kg (GÓMES et. al., 1999).
A gaseificação do bagaço de cana foi estudada por Gabra et. al., (2001).
O bagaço foi gaseificado em um reator de leito fluidizado a 900 ºC e com ar
atmosférico. A porcentagem do syngas foi de 7,95% de H2, 59,83% de N2, 11,9%
de CO, 1,97% de CH4, 17,21% de CO2, 0,65% de C2H4 e 0,40% de C2H2 e um
poder calorífico que variou de 3,5 a 4,5 MJ/Nm3. Um resultado semelhante foi
encontrado por Gomes et. al., 1999 com um protótipo de um gaseificador de leito
fluidizado. Para um consumo de 104,46 kg/h de bagaço foram produzidos 252
Nm3/h de um gás com poder calorífico de entre 3,4 e 4,3 MJ/Nm3.
Com uma área plantada de 5,2 milhões de hectares no ano de 2003, a
produção total de resíduos da cana (palha e bagaço) chegou a aproximadamente
156 milhões de toneladas. De acordo com as considerações de Braunbeck &
Cortez, 2002; Waldheim & Morris 2002; Macedo & Cortez, 2002, a quantidade de
resíduos da cana que efetivamente podem ser utilizados para fins energéticos é
de aproximadamente 39 milhões de toneladas. Para um poder calorífico superior
de 17 GJ/t, o potencial energético desse resíduo da cana alcança um valor de 663
PJ. Ou seja, cerca de 79000 GWh de eletricidade para uma eficiência igual a 43%
em sistemas de gaseificação integrados a célula a combustível tipo SOFC. Um
sistema de gaseificação da biomassa integrado com célula a combustível do tipo
SOFC é ilustrado na Figura 2.
Eletricidade
limpeza
do gás
Gasif.
SOFC
CATODO
H2, CO,
CH4, CnHn
ANODO
syngas
Ar
CO2, H2O
Biomassa
Sólidos
enxofre,
alcatrão
calor
cogeração
Ar
Figura 2 – Sistema simplificado de gaseificação integrado com uma célula a
combustível SOFC.
Tabela 2 – Potencial energético do resíduo da cana para diferentes
tecnologias.
ST
GT
IGCC
IGFC
[GWh]
[GWh]
[GWh]
[GWh]
39100
51500
68000
79000
A Tabela 2 acima ilustra uma comparação do potencial de produção de
eletricidade através do resíduo da cana de açúcar para diferentes tecnologias. A
queima direta para acionar um ciclo a vapor ST é a alternativa mais utilizada
atualmente, porém menos eficiente devido à simplificação técnica por limitações
econômicas. Sistemas de gaseificação integrados com turbinas a gás GT e ciclo
combinado IGCC alcançam maiores eficiências do que os ciclos a vapor. Mas é o
sistema de gaseificação integrado com célula a combustível IGFC que pode
alcançar um potencial maior do que as demais tecnologias porque as células a
combustível alcançam maiores eficiências do que as máquinas térmicas.
Mas a célula a combustível ainda é uma tecnologia em fase de
desenvolvimento, principalmente as de alta temperatura como a óxido sólido
SOFC. Para este tipo de célula, a engenharia de materiais de alta temperatura,
selagem dos elementos cerâmicos, dificuldades relacionadas à reforma interna
dos combustíveis (hidrocarbonetos); novos materiais para eletrodos, catalisadores
e eletrólitos sólidos.
O alto custo de investimento dessa tecnologia e a baixa vida útil (cerca de
cinco anos), fazem com que o custo de geração seja mais elevado do que as
turbinas a gás e os motores de combustão interna. Mas quando as limitações
técnicas forem solucionadas e a tecnologia entrar no mercado o custo de
investimento irá decrescer, o que tornará a célula a combustível competitiva
economicamente frente às outras tecnologias.
6. CONCLUSÃO
Utilizando uma tecnologia de geração elétrica mais eficiente como a célula
a combustível promove-se uma melhor utilização dos recursos energéticos,
auxiliando na mitigação dos efeitos ambientais nocivos. Um futuro sistema
energético mundial com uma forte participação do hidrogênio é um meio de se
obter essas características.
O Sistema de gaseificação da biomassa integrado com célula a
combustível IGFC é uma forma de utilização mais racional dos resíduos da
produção de cana de açúcar. O Brasil possui um potencial interessante para a
utilização dessa tecnologia através da biomassa. O futuro planejamento
energético brasileiro deve focar essa alternativa já que a tecnologia das células a
combustível, ao que parece, será em breve uma alternativa viável de geração de
energia elétrica. Obter o hidrogênio para seu funcionamento será uma questão
estratégica e o Brasil, mais uma vez, possui amplas condições de fornecê-lo a
partir de fontes renováveis de energia.
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