Painel Bioenergia: Etanol e Biodiesel IEA-USP, 9-11-2006 Tecnologia para o etanol combustível: situação atual e perspectivas Isaias C Macedo – NIPE, UNICAMP.

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1 Painel Bioenergia: Etanol e Biodiesel IEA-USP, 9-11-2006 Tecnologia para o etanol combustível: situação atual e perspectivas Isaias C Macedo – NIPE, UNICAMP

2 Contexto Em 2006, 420 M t cana estão sendo processadas em 310 usinas (~ 40 novas estão em construção), produzindo 30 M t açúcar e 17 M m 3 etanol. O Brasil é o maior produtor mundial de cana (33,9 %), açúcar (18,5 %) e etanol (36,4%); e também o maior exportador de açúcar e etanol (2005). Etanol corresponde a 40,6% do combustível para veículos leves (total de 19,2 M veículos) (2005).

3 Observações Na implementação da produção de etanol uma completa integração foi obtida nos processos: flexibilidade de produção, melhor qualidade do açúcar e perdas menores. Foi necessário um extenso desenvolvimento de tecnologia para a produção, logística e uso final. Foi também necessária uma legislação específica, subsídios iniciais ao programa e uma grande negociação entre produtores, produtores de veículos, agentes do governo e a “competição”: a indústria do petróleo. Agentes no desenvolvimento: setor privado (CTC, Allelyx, Canavialis, fornecedores de equipamentos e insumos); setores públicos (Planalsucar, IAC); Universidades e Institutos.

4 Tecnologia, 1975-2000 1980/ 1990 Introdução de variedades de cana desenvolvidas no Brasil Uso da vinhaça em ferti-irrigação Controles biológicos na produção de cana Melhorias nas operações agrícolas (cultivo, colheita) Introdução do sistema de moagem com “4 rolos” Microbiologia para as fermentações “abertas” em grande escala; processo e controles Flexibilidade na produção: etanol / açúcar Aumento na produção de energia (auto-suficiencia) Especificações para o etanol; motores E-100 Mistura, tancagem e transporte de etanol

5 Tecnologia, 1975-2000 1990/2000 Avanços no gerenciamento técnico (agrícola e industrial) Geração de energia elétrica excedente Avanços na automação industrial Otimização do corte, carregamento e transporte da cana Mapeamento do genoma da cana; transformações Mecanização da colheita Motores Flex-fuel

6 Tecnologia, 1975-2000 Resultados, período 1975-2000, S. Paulo: + 33% t cana / ha + 8% açúcar % cana + 14% conversão: (açúcares na cana) para (etanol) + 130% produtividade na fermentação, m 3 etanol /(m 3 reator. dia) Para o Centro-Sul, médias em 2003/4 foram: Produtividade em cana: 84,3 t / ha Açúcar % cana: 14,6 Conversão Industrial: 86%

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8 Observando a evolução do custo de produção, podemos dizer que a agro-indústria da cana no Brasil está no estágio de “tecnologia madura”, com os menores custos mundiais e com alta qualidade dos produtos? Neste caso: estamos buscando melhorias contínuas (e pequenas) para os processos, nos próximos anos?

9 Tecnologias para o futuro Nos próximos anos é necessário fazer a implementação completa das tecnologias já disponíveis Evolução tecnológica: agricultura “de precisão”, processos de separação, maior integração da colheita / carregamento / transporte, automação industrial; variedades (áreas novas) Uso final: evolução do flex-fuel e outros Sub-produtos: energia excedente (iniciado); etanol de bagaço e palha (5 – 10 anos) Produtos derivados da sacarose (vários) Perspectivas de médio – longo prazo para variedades geneticamente modificadas Médio – longo prazo: a implementação de “bio-refinarias” com utilização eficiente de sacarose e resíduos (bagaço e palha)

10 O uso de resíduos Cana, Brasil, 2005: 60 M t sacarose; 120 M t bagaço e palha 30% excedentes de bagaço + 50% palha poderiam levar a 48 M t (MS), com custo de recuperação baixo (~1 €/GJ). No mundo, custos de biomassa (resíduos, plantações para energia) são 2 - 3 €/GJ; espera-se 1.5 €/GJ, futuro Bio-refinarias poderão contar com alguns novos processos de conversão: Biomassa (hidrólise) → açúcares, (etanol, outros): comercial ~ 2010 to 2020 Biomassa (gasificação) → energia elétrica ou combustíveis por síntese (etanol, DME, gasolina, diesel); comercial ~ 2015 to 2025. Ambos dependem de tecnologias mais eficientes e baratas, e de biomassa mais barata.

11 Gasificação Resultados comerciais: 10 – 100 MW(t); de pequenos motores automotivos até ciclos combinados com turbinas a gás. Tecnologias em desenvolvimento: há muitos projetos (escala piloto).Dois conceitos importantes visam energia elétrica (ciclos BIG-CC); e mais recentemente a síntese de combustíveis. Todos precisam de reduções de custos importantes para competir com óleo a $30./bbl, ou com energia elétrica “convencional”. P&D: sistemas de alimentação de biomassa; gasificação com ar, para gás de médio PC; limpeza dos gases; turbinas para gás de baixo PC; reatores de síntese (exemplo, reatores em fase líquida para DME).

12 Hidrólise e as “bio-refinarias” Açúcares (e etanol) de material lignocelulósico: a tecnologia poderia levar a uma grande gama de aplicações, no mundo. Forte P&D (plantas piloto, e semi-comerciais) visando redução de custos Pré-tratamentos no futuro deverão ser na maioria físicos (explosão com vapor, água quente pressurizada); os processos de hidrólise / fermentação seriam simultâneos, com uso dos açúcares de 5 e 6 carbonos (para etanol). Processos poderiam atingir 52% de recuperação de energia da biomassa, contra 35 % hoje. Biomassa e investimento seriam ~75 - 80% do custo total. P&D: Demonstração dos pré-tratamentos físicos; alimentação de biomassa; microorganismos e enzimas para os processos (CBP, ou mais simples).

13 Produtos derivados de açúcares (sacarose, glucose, hidrolisados) Houve expansão mundial nos últimos 15 anos, com alguns produtos chegando a 1 M t / ano. Atingiram 23 % do mercado global de adoçantes (2002): frutose, glucose, polióis. Ácidos orgânicos: cítrico, glucônico, lático, ascórbico): 0,7 M t / ano (1998) Amino-ácidos (MSG, lisina, treonina): ~1.5 M t / ano Polióis: 1.4 M t / ano (48% sorbitol, 2001); glicerol (de todas as fontes) foi 0,8 M t / ano (2000). Enzimas: menores volumes, alto valor agregado; de todas as fontes, US$ 1500. M / ano, dobrando até 2008. Plásticos: promessas, fase pré-comercial; PLA, PHAs, 3- GT; 10 M t / ano seriam usadas apenas para embalagens, substituindo derivados de petróleo.

14 Derivados de sacarose e etanol: Brasil Alguns já são produzidos comercialmente no Brasil (L- lisina; MSG; extratos de leveduras; ácido cítrico; sorbitol). Plásticos (PHB) estão em estágio pré- comercial. Possibilidades para produtos de maior escala (~1 M t / ano) e especialidades (10 – 50k t / ano) estão sendo avaliadas em várias usinas. Derivados do etanol estão sendo re-avaliados. Entre 1980 e 1990 mais de 30 produtos usavam até 0,5 M m3 etanol / ano; em 1993 a capacidade instalada para 14 produtos era superior a 100000 t / ano.

15 Considerações na seleção do produto Disponibilidade do processo: patentes, aquisição da tecnologia, desenvolvimento interno Qualidade requerida do açúcar (caldo, açúcar bruto ou refinado, HTM); custo açúcar/custo total Investimento, e necessidade de operação anual Natureza do processo (complexidade, custos associados, efluentes, proteção ambiental) Escala de produção e adequação à usina Economia; os mercados de exportação (quase sempre necessários) e as taxas de câmbio O arranjo comercial: parcerias?

16 O desenvolvimento destes novos produtos nas usinas deve considerar que: Materiais e sistemas auxiliares em geral apresentam custo relativamente baixo (açúcar, energia, tratamento e disposição de efluentes) Uma usina “média” usando 1/2 de sua cana, produziria ~ 70000. t / ano de um produto novo; seria provavelmente auto-suficiente em energia, e poderia usar o sistema de efluentes da usina. Tecnologias estão em muitos casos disponíveis (licenciamento ou compra) para novos produtos (embora nem sempre as “melhores”) A comercialização é um ponto muito difícil para as usinas; parcerias e associações adequadas podem ser necessárias, especialmente nos casos de exportação.

17 Resumo Nos próximos 10 – 20 anos o uso mais eficiente da biomassa da cana (e possivelmente de variedades modificadas geneticamente) poderá aumentar significativamente a gama de produtos e seu valor. Energia (eletricidade e combustíveis líquidos) poderá ser uma fração ainda maior destes produtos Algumas tecnologias em desenvolvimento avançado (no exterior) podem ser chaves para esta transformação: a hidrólise de biomassa (com as diversas fermentações para outros produtos); e a gasificação de biomassa, para energia elétrica ou combustíveis. A cana de açúcar aparece como a matéria prima ideal para estas futuras “bio-refinarias” pelo seu custo relativamente baixo, grande disponibilidade e pelo “mix” de 1/3 sacarose com 2/3 de material ligno-celulósico pré-processado.