Biogás obtido pela vinhaça da cana de açúcar

Biogás de Vinhaça
Proposta de Projeto Brasileiro-Alemão
CLIB2021/IFG/UFG
Prof. Dr. Joachim W. Zang, IFG, Campus Goiânia
Prof. Dra. Warde Antonieta da Fonseca-Zang
Contato: zang@ifg.edu.br
www.ifg.edu.br
www.clib2021.de

Sumário
1. Grupo de Trabalho/IFG/UFG/CLIB2021
Alemanha, Bio-economia.
2. Tema do Projeto: Biogás de Vinhaça.
3. Usinas de Etanol, Bioeletricidade e Vinhaça.
4. Tecnologia e Inovação do Projeto:
Biogás e bio-metano da Vinhaça.
5. Impacto no Setor Energético Brasileiro.
2
CLIB/IFG/UFG

1. Grupo de Trabalho
• Cooperação Internacional
Participantes:
Cluster Industrielle Biotechnologie CLIB2021
Düsseldorf, Alemanha.
Chairman: Dr. Achim Marx
3
CLIB/IFG/UFG

• Participantes do CLIB2021:
Cerca 90 membros, entre eles empresas como
BASF, BAYER, EVONIK-
Degussa, HENKEL, DURAG, universidades e
centros de pesquisa como o Instituto Fraunhofer.
4

• Participants do CLIB2021 no projeto Biogás:
DURAG, Fraunhofer Institut, Schaumann Group,
University of Bielefeld, Nova Institute.
5
Bio-Methane from Sugar Cane Vinasse
CLIB2021-IFG

1. Grupo de trabalho
Biogás de Vinhaça
• Universidade de Ciências Aplicadas de Trier
FH Trier, parceiro do IFG desde 2004
• Prof. Dr. Ulrich Bröckel
6

Biogás de Vinhaça
Projeto de Cooperação Internacional
7
Instituto Federal de Goiás IFG – www.ifg.edu.br
Grupo de Pesquisa: NUPTECS/CNPq www.ifg.edu.br/nuptecs
Química Tecnologica:
Prof. Dr. Joachim W. Zang,
Prof. Dr. Warde Antonieta da Fonseca-Zang,
Prof. Dr. Sérgio Botelho de Oliveira.
Engenharia Mecanica:
Prof. Ms. Jaír Dinoah.
Engenharia Elétrica:
Prof. Dr. Elder Geraldo Domingues
Redes: Prof. Dr. José Luis Domingos,
Prof. Ms. Wagner Bento.
CLIB/IFG/UFG

Biogás de Vinhaça
• Participantes:
Faculdade de Agronomia da Universidade
Federal de Goiás – UFG
http://www.agro.ufg.br/
• Prof. Dr. Wilson Mozena Leandro
• Prof. Dr. Alfredo Borges de Campos
8

Biogás de Vinhaça
• Colaboradores:
Laboratório Nacional do Ministério de
Agricultura, Pecuária e Abastecimento em
Goiás [LANAGRO/MAPA]
• Quím. Luis Sávio Teixeira, Chefe do
Laboratório de Fertilizantes e Pesquisador no
grupo NUPTECS/IFG
• www.agricultura.gov.br
9

Biogás de Vinhaça
Projeto de Cooperação Internacional
• Colaboradores: Sindicatos da Indústria de
Fabricação de Açúcar e Etanol do Estado de Goiás
Presidente: André Luiz Baptista Lins Rocha
• http://www.sifaeg.com.br ou
• http://www.sifacucar.com.br
10
CLIB/IFG/UFG

• Collaborador:
DENUSA Destilaria – Goiás
capacidade 1,6 Mill. tons/ano de processamento de
cana-de-açúcar.
11
CLIB2021-IFG
CLIB2021-IFG-visit, DENUSA, 28.03.2012
http://www.denusa.com.br

Biogás de Vinhaça
12
CentroAlcool Inhumas
22/09/2011

• Collaborator:
Secretária do Estado de Ciencia e Tecnologia – Goiás
– SECTEC Secretario: Mauro Netto Faiad
• Secretária de Indústria e Comercio – Goiás – SIC
Secretario: Alexandre Baldy
13
CLIB2021-IFG
Biogás de Vinhaça

• Embaixada da Alemanha no Brasil
14
CLIB2021-IFG
Visita do embaixador e do cônsul no IFG,
21.03.2012, Apresentação do projeto de cooperação .
Biogás de Vinhaça

• 23 e 24 de abril de 2012, Düsseldorf, Alemanha
15
CLIB2021-IFG
International
CLIB2021 – conference
Apresentação do projeto Biogás de Vinhaça para representantes do Governo Federal da
Alemanha e da União Europeia, membros do CLIB da
Alemanha, Rússia, França, Bélgica, Holanda, Espanha, Polônia, Japão, Canada, Nova
Zelândia, China entre outros.
CLIB/IFG/UFG

16
CLIB2021-IFG
CLIB/IFG/UFG
Potencial da bio-economia na União Europeia
Em 2010 a bio-economia na UE representou cerca:
 2 trilhões de Euros de faturamento ;
 1 trilhão de Euros de valor acrescentado;
 22 milhões de empregos, cerca 9% da forca de
trabalho da UE.
Fonte: Eveline Lecoq, European Commission, DG Research, Palestra, International CLIB-conference, Düsseldorf,
Alemanha, 23/4/2012.
Disponível em: http://ec.europa.eu/research/bioeconomy/

2. Tema: Setor Sucroenergético-
Biogás de Vinhaça.
• A produção do bio-etanol a partir de cana-de-
açúcar deixa entre 10 e 18 litros de vinhaça
para cada litro de etanol produzido (em média
14 L).
• No projeto, a Vinhaça será aproveitada para a
produção de biogás e fertilizante.
etanol vinhaça
17

Conceito: Biogás
• O biogás é um combustível gasoso que possui
um conteúdo energético muito
elevado, semelhante ao do gás natural.
• O biogás um gás inflamável, produzido por
microrganismos.
• O metano CH4é o principal constituinte do
biogás.
18
CLIB/IFG/UFG

Conceito: Biogás
• A composição do biogás é:
– Metano (CH4):
40 – 70% do volume de gás produzido.
– Dióxido de carbono (CO2):
30 – 60% do volume de gás produzido.
– Também possui traços de: - Hidrogênio (H2):
0 – 1% do volume.
– Sulfeto de hidrogênio (gás sulfídrico, H2S):
0 – 3% do volume.
– Vapor de água:
0 – 10% do volume.
19
CLIB/IFG/UFG

Produção de biogás
• O biogás é produzido na decomposição de
matéria orgânica por microorganismos sem a
presença de oxigênio (anaeróbia).
• A produção de biogás é possível a partir de
resíduos orgânicos, como fezes de
animais, lodo dos esgotos, lixo doméstico e
efluentes industriais.
20
http://erc-pune.org/seyretfiles/uploads/thumbnails/user_62/biogas.jpg

Produção de biogás – um exemplo
21
http://www.ruralcostarica.com/biodigester.html
CLIB/IFG/UFG

22
http://energy-guru.com/Biomass%20Energy%20Information.htm

23
CLIB/IFG/UFG

Proposta de Projeto Brasileiro-
Alemão
Biometano da Vinhaça
Vinhaça, resíduo da produção
de etanol no Brasil. Produção de Biogás e carro movido a gás.
Schaumann, Hamburg, Alemanha.
No Brasil são produzidas 30
milhões de toneladas de etanol
por ano, deixando mais que 420
milhões de toneladas de resíduos
líquidos na forma de vinhaça,
O projeto de P&D sugere a produção de biogás
a partir da vinhaça, com uma capacidade de
produzir acima de 2 bilhões de metros cúbicos
de biometano purificado por ano.
CLIB/IFG/UFG

Utilização do biogás
• Uso direto:
Substituição de GLP ou lenha em
residências rurais.
25
http://pakagri.blogspot.com.br/2007_01_01_archive.html
http://www.auslandsimmobilienportal.de/suche/imag
es/listing_photos/1814_biogasanlage.gif

• Na geração de energia elétrica, através de
geradores elétricos acoplados a motores de
explosão adaptados ao consumo de gás.
26
Gerador de energia elétrica e calorifica “cogeração”
a partir de biogás, 750 KW.
Schaumann, Hamburg, Alemanha

• No aquecimento de processos industriais:
alimentos, cerâmicas, mineração dentre
outros.
27
CLIB/IFG/UFG
AGDR, Goiás,
http://www.sgc.goias.gov.br/upload/fotos/2012-05/ceramica-032.jpg
http://img.directindustry.de/images_di/photo-
m2/entalkoholisierungsanlage-fur-die-nahrungsmittelindustrie-424772.jpg

• Biogás purificado -> biometano
Uso em motores Otto ou
como matéria prima na indústria química.
28
http://www.sepuran.de/product/sepuran/en/Pages/default.aspx
Sepuran-green,
Evonik, purificação
de biogás com
membranas
metano -> metanol
CLIB/IFG/UFG

3. Usinas de Etanol, Bioeletricidade e
Vinhaça.
• A cana-de-açúcar:
Como cultivo comercial de maior
importância no mundo, a cana
ocupa mais de 20 milhões de
hectares com destaque para o
Brasil, que, com uma área
plantada de cerca de 7 milhões
de hectares, responde por cerca
de 42% do total produzido no
mundo.
29
Copyright 2012 Prof. Dr. Joachim W. Zang, IFG, Goiânia, GO, Brazil

Cultivo da Cana-de-açúcar
• A demanda de fertilizantes para o cultivo da
cana é reduzida em grande parte por conta dos
resíduos industriais que são retornados para o
campo, todo o potássio é provido pela
fertirrigação – Vinhaça.
30
Fertirrigação , Fonte: LEMES, 2008.

Processo de bioetanol
• A cana não pode ser armazenada por mais do
que poucos dias.
• Uma vez na usina, a cana é lavada (somente a
cana inteira) e segue para o sistema de
preparo e extração em moendas para a
extração do caldo se realiza sob pressão de
rolos, montados em conjuntos com quatro a
sete sucessivos ternos de moenda.
31
CLIB/IFG/UFG

Produção de Etanol em Goiás.
32
Copyright 2011-2012 Prof. Dr. Joachim W. Zang, IFG, Goiânia, GO, Brazil CLIB/IFG/UFG

Processo Industrial
• No conjunto de rolos da moenda, o caldo, que
contém a sacarose, é separado da fibra
(bagaço), que segue para a planta de energia
da usina, na qual é usada como combustível.
33

Processo Industrial
• O mosto segue para as dornas de
fermentação onde é adicionado com
leveduras (fungos unicelulares da espécie
Saccharomyces cerevisae) e fermentado por
um período de 8 a 12 horas,
dando origem ao vinho
(mosto fermentado, com
uma concentração de 7%
a 10% de álcool).
34

Processo Industrial
• Após a fermentação, as leveduras são
recuperadas e tratadas para novo uso,
enquanto o vinho é enviado para as colunas
de destilação.
35

Processo Industrial
• Na destilação, o bioetanol é recuperado
inicialmente na forma hidratada, com
aproximadamente 96° GL deixando a vinhaça
ou vinhoto como resíduo, normalmente numa
proporção de 10 a 18 litros por litro de
bioetanol hidratado produzido (média 14 litros).
36
CLIB/IFG/UFG

Resíduos do Processo Industrial
• Considerando todo o processo de produção de
bioetanol de cana, os resíduos consistem em:
1- Na vinhaça (entre 800 a 1.000 litros
por tonelada de cana processada para
bioetanol),
2- Na torta de filtro (aproximadamente 40 kg
úmidos por tonelada de cana processada) e
3- Nas cinzas das caldeiras, 17 kg por tonelada
de bagaço (ELIA NETO, 2007).
37

Os resíduos são valorizados
• Nas plantas brasileiras, tais resíduos são
valorizados e constituem subprodutos, que
são reciclados e utilizados como
fertilizantes, contribuindo para reduzir a
necessidade de incorporar fertilizantes
minerais e evitar a demanda por irrigação nos
canaviais.
38

Bioeletricidade
• Para processar uma tonelada de cana precisa 12
kWh de energia elétrica.
• A totalidade da energia consumida no processo
pode ser provida por um sistema de produção
combinada de calor e potência (sistema de
cogeração) instalado na própria usina, utilizando
apenas bagaço como fonte de energia.
39
CLIB/IFG/UFG

Autosuficiência de Energia Elétrica
• Com efeito, a maioria das usinas de álcool e
açúcar de cana produzem a energia de que
necessitam.
• No Brasil, as usinas conseguem exportar
excedentes cada vez mais relevantes de
energia elétrica para a rede pública, graças à
crescente utilização de equipamentos de
melhor desempenho (bioeletricidade).
40

Bioeletricidade
• Palha:
• “deverá ser agregada como combustível
suplementar ao bagaço, possibilitando a
geração de energia elétrica em níveis ainda
mais elevados e gerando maiores excedentes
de energia elétrica, superiores a 100 kWh por
tonelada de cana processada“.
41
CLIB/IFG/UFG

Crédito de Carbono
• Projetos de MDL da Comissão Interministerial de
Mudança Global do Clima (CIMGC), vinculados ao
Ministério de Ciência e Tecnologia:
“Até março de 2008, existiam 24 projetos brasileiros
de cogeração com bagaço de cana registrados na
Convenção-Quadro das Nações Unidas para
Mudança do Clima (United Nations Framework
Convention on Climate Change – UNFCCC)”.
42

24 projetos brasileiros MDL
• Os fatores de emissão adotados dependem da
região onde os projetos estão situados, valendo
0,136 e 0,2826 toneladas de CO2 equivalente por
kWh gerado
(Fonte: MCT, 2008; Ecoinvest , 2008)
• Valor US$ 10/ton CO2 equivalente (FORBES, 2011).
Estimativa do valor do CO2-equivalente da energia
elétrica produzida pela queima de bagaço:
0,2 t/kWh * 10 US$/t = 0,20 US$/kWh
43

4. Tecnologia e Inovação do Projeto
CLIB 2021 – IFG - UFG:
Biogás da Vinhaça
44
CLIB/IFG/UFG

Biodigestão da vinhaça
• Novos estudos para a produção de bioeletricidade
é a biodigestão da vinhaça, que, ainda
• melhorando seu potencial fertilizante,
• poderá proporcionar excedentes adicionais de
energia elétrica às usinas de Bioetanol.
45
CLIB/IFG/UFG

Biogás da Vinhaça
• Estima-se que a vinhaça resultante da
produção de um metro cúbico de bio-
etanol, tratada anaerobiamente (na ausência
de oxigênio), produziria 115 metros cúbicos
de biogás, capazes de gerar, por sua vez,
• 169 kWh de bioeletricidade, já descontados
os consumos de processo.
• Fonte: LAMONICA, 2006.
46

5. Impacto no Setor Energético
Brasileiro
47

5. Impacto no Setor Energético Brasileiro.
70% da energia elétrica no Brasil é produzida por 140
plantas hidrelétricas.
Hydroelectric Power Plant
Serra da Mesa
Hydroelectric Power Plant of
Corumbá
Produção de energia em Goiás cerca
28.500.000 MWh (2010) através de:
- Usinas Hidrelétricas com capacidade
total de 6,115 TW.
- Usinas Termoelétricas com capacidade
total de 0,702 TW.
Cerca dois terços dessa energia é transferida
para outros estados brasileiros.
https://ben.epe.gov.br/BENRelatorioFinal2011.aspx
48

Fluxograma simplificada da produção de etanol a partir
de cana de açúcar.
49

Queima do bagaço
50

Vinhaça
Canal de vinhaça –
Fonte: Rosetta, 2007
Vinhaça – Foto autor, 2011.
Tubulação para condução da Aspersão com canhão hidráulico–
51

Projeto: Biogás da vinhaça
Vinhaça – Foto autor, 2011.
Planta piloto instalada na Alemanha, 750 kW, 4800 m3 Vol.
SCHAUMANN, 2011
52

Produção média de cana-de-açúcar no Brasil:
70 t/ha
1 t cana-de-açúcar -> 86 L etanol + 900 L vinhaça +
40 kg torta de filtro + cinzas + outros álcoois + ácidos
orgânicos (Elia Neto, 2007).
Alemanha:
1 t beterraba -> 86 L etanol + vinasse +
51 kg torta de filtro (Sayed et al. 2005)
Produção de Etanol em Goiás/Alemanha
53

Produtividade per hectare
em ambos os países:
7000-8000 L/ano.
54

Diferença principal Alemanha-Brasil:
No Brasil a energia necessária para a produção de
etanol a partir de cana-de-açúcar está sendo gerada
pelo processo de
cogeração a partir do
bagaço, produzindo mais
energia elétrica e
calorífica que necessária
no processo.
55
CLIB/IFG/UFG

Tabela: Composição química da vinhaça produzida na
Usina Monte Alegre (De Faria Leite, 1996)
Nutrient OM* N P2O5 K2O CaO MgO
Kg / m3 2,70 0,69 0,15 4,92 2,08 0,49
* OM: Organic matter
(matéria organica)
© 2011 Prof. Dr. Joachim W. Zang, IFG, Brazil
56
CLIB/IFG/UFG

57
Açúcar Etanol
Bagaço Vinhaça
Queima -
cogeração
Energia
calorifica
Energia
elétrica
Ferti-
irrigção
Produtos e principais subprodutos da transformação de cana-de-açúcar
–atual

58
Açúcar Etanol
Bagaço Vinhaça
Queima -
cogeração
Energia
calorifica
Energia
elétrica
Produtos e principais subprodutos da transformação de cana-de-açúcar
Fertilizante
Biogás
Digestão
anaerobia
Queima -
cogeração
Purificação Metano
+ Energia
calorifica
+ Energia
elétrica
Situação atual Proposta do projeto
Ferti-
irrigação
Metanol

Indústria Açúcar-Energética em Goiás
Usinas atívas em Goiás 2011 32
De 86.000.000 toneladas de cana-de-açúcar produzidas
em 2010 em Goiás aproximadamente a metade foi usada
para produzir cerca de 3,7 bilhões de litros de etanol.
-> Isso gerou mais que 50 bilhões de litros de vinhaça.
59

Indústria Açúcar-Energética em Goiás
50 bi litros de vinhaça = 50.000.000 m3
Um metro cubico de vinhaça poderia produzir cerca 11,5 m3 de
biogás, qual poderiam ser usados para produzir 169 kWh de
energia elétrica (Lamonica, 2006) melhorando ainda o seu
potencial como fertilizante.
Potenciais para Goiás
60

Indústria Açúcar-Energética in Goiás
50.000.000 m3 vinasse x 11,5 m3 biogas /m3 vinasse =
575.500.000 m3 biogas ou 287.500.000 m3 biometano.
ou
50.000.000 m3 vinasse x 169 kWh/m3 vinasse = 8.450 GWh
Produção anual de energia elétrica em Goiás: 28.500 GWh.
61
Potenciais para Goiás

Potenciais do Projeto no Brasil
Vinhaça, resíduo da produção de etanol no Brasil.
No Brasil são produzidas 30 milhões de toneladas
de etanol por ano, deixando mais que 420
milhões de toneladas de resíduos líquidos na
forma de vinhaça.

Este projeto de P&D sugere a produção de biogás a
partir da vinhaça, com uma capacidade de produzir por
ano mais que 2,4 bilhões de metros cúbicos de bio-
metano puro ou 70.000 GWh de energia elétrica.
Canal de vinhaça –
Fonte: Rosetta, 2007

Produção de energia elétrica da
usina de Itaipu em 2008
95.000 GWh - local
Potencial de produção de
energia elétrica a partir de
biogás de vinhaça
70.000 GWh - decentralizada
CLIB/IFG/UFG

Agradecimentos
Á Embaixada da República Federal da Alemanha no Brasil,
Ao grupo de biotecnologia Alemão CLIB2021,
á SIFAEG/GEMEA e ao DENUSA Destilaria Jandaia/GO,
ao LANAGRO/MAPA em Goiânia/GO,
aos colegas das nossas e outras instituições de Ensino e
Pesquisa no Brasil e na Alemanha.
Prof. Dr. Joachim Werner Zang
e Profa. Dr. Warde A. da Fonseca-Zang,
Área de Química Tecnológica do IFG.
joachim@quimica-industrial.com
CLIB/IFG/UFG
65

Projeto: Biogás de Vinhaça
• Referências
• BNDS & CGEE. Bioetanol de cana-de-açúcar : energia para o desenvolvimento sustentável. Rio de
Janeiro : BNDES, 2008. 316 p. ISBN: 978-85-87545-24-4.
• BNDES, CGEE, FAO e CEPAL. Bioetanol de cana-de-açúcar - Energia para o desenvolvimento
• Brasil, 2011. Ministério de Minas e Energia. Relatório Final do Balanço Energético Nacional 2010.
Disponível: https://ben.epe.gov.br/BENRelatorioFinal2011.aspx , acesso: 22/05/2012.
• Sustentável. 2008. Disponível em:<www.bioetanoldecana.org/pt/download/resumo_executivo.pdf >.
Acesso em: 14 nov- 2011.
• FORBES. Carbon Credits Price Falling. 2011. <http://www.forbes.com/sites/timworstall/2011/10/16/carbon-
credit-price-falling-excellent-news/>
• MCT – MINISTÉRIO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Mudanças climáticas. Ministério de Ciência e
Tecnologia, 2008. Disponível em: http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/3881.html. Acesso em:
março de 2008.
• MACEDO, I. C. et al. “Greenhouse gases emissions in the production and use of ethanol from sugarcane in
Brazil: The 2005/2006 averages and a prediction for 2020”. Biomass and Bioenergy, v. 32 (4), 2008.
• MOREIRA, J. R. Water use and impacts due ethanol production in Brazil. “Linkages between Energy and
Water Management for Agriculture in Developing Countries International Conference”, Hyderabad,
International Water Management Institute and Food and Agriculture Organization of the United Nations, jan.
2007.
• ROSETTA, G., SANTIAGO, A.D. Adubação - resíduos alternativos. Empresa Brasileira de Pesquisa
Agropecuária – Embrapa. 2007. Disponível em: < http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/cana-de-
acucar/arvore/CONTAG01_39_711200516717.html >
• UNFCCC – UNITED NATIONS FRAMEWORK CONVENTION ON CLIMATE CHANGE. Kyoto Protocol.
United Nations Framework Convention on Climate Change, 2008. Disponível em:
http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830.php, Acesso em: abril de 2008.
66
joachim@quimica-industrial.com

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