Viterbo's analyses on opportunities for large-scale 2nd gen biofuels from Brazil

1. Brazil is one of the 4 giants
Fonte: Bussinger, Frederico. “From the Ports we have to the Logistics we need”. Depto Hidroviário de SP; Apres. ao banco Mundial, mar 2009

2. Brazil is becoming the world’s granary

3. what reasons for such a trade growth in Brazil ??

4. one of the major reasons is that biomass productivity =
water x sun x soil x science3

5. water and soil availability
In: “Os desafios da Soja no Brasil”. Apres. APROSOJA, jun 2010

6. rain: comparison at soybean belts
Soybean US
Soybean in Brazil:
Mainly between 1.200 a 3.000 mm/y (176% > US)
Soybean belt in the US:
Mainly between 20 and 40, or 508 e 1.016 mm/year
Rain falls in inches/year
According to BrasilAgro
Consultants, Brazil has
almost 1/4 of the world’s
land with more than 975
mm of rain per year.

7. “Solar Energy Map” – Daily average. 2007
Divisão de Clima e Meio Ambiente – INPE
Labsolar – UFSC
Soybean in Brazil:
Totally between 4,90 and 5,95 kwh/m2/day (55% > US)
Soybean belt in the US:
Mainly between 3,0 and 4,0 kwh/m2/day
sun: comparison at soybean belts
Soybean US

8. soil: world’s largest arable land is Brazil cerrado*
*cerrado = savannah
In a special report about the Brazilian productivity in agriculture (http://www.economist.com/node/16886442), The Economist magazine has shown that
THE POTENTIAL ARABLE LAND IN THE COUNTRY IS AS MUCH AS 400 MILLION HECTARES, what is more than the potential in the US and Russia altogether.
<--INTO CERRADO ONLY
<--ALL OVER THE COUNTRY,
EXCLUDING THE AMAZON REGION
ENERGY CROPS IN BRAZIL
2013

9. science: the EMBRAPA phenomena
Source: CONAB. In: Barbosa, Murillo. “A navegação brasileira e o agronegócio”. Pres. ANTAQ mar. 2008.
Productivity
improvement
with major
collaboration
from EMBRAPA
• The Brazilian Agroscience Reseach Company EMBRAPA, extensively cited into The Economist’s report,
is the largest (but not the single) research company in Brazil, with aprox. 9,800 employees, being 2450
researchers, 2500 analysts, 1800 technicians, 3000 assistants and a anual budget of US$ 1 bn in 2013.
• Embrapa is the main responsible for the agricultural productivity improvement shown by the country
along the last decades.

10. biomass case 1: forestry

11. sun and forestry assets
“Mapeamento dos Recursos de Energia Solar no Brasil”
Divisão de Clima e Meio Ambiente – INPE
Labsolar – UFSC, 2007 média diária

12. water and forestry assets
According BrasilAgro, Brazil
has almost one quarter of the
world's land with more than
975 mm of rain per year.

13. water and energy crops
According BrasilAgro,
Brazil has almost 25% of the
world's land with more than
975 mm of rain per year.

14. water and biomass power plants
According BrasilAgro, Brazil
has almost one quarter of the
world's land with more than
975 mm of rain per year.

15. railways and energy crops

16. Brazil forestry assets in 2012 (ha)
million ha

17. forestry assets and industrial uses
Forestry
Assets
Industrial
Uses

18. energy crops and pellets projects
Energy
Crops
Pellets
Projects

19. Certification
Pellets
Projects
Energy
Crops
Industrial
Uses
Forestry
Assets

20. Brazil forestry competitivity in the world scenario
ARA = Amsterdam, Rotterdam, Antwerp
odt = oven dry ton

21. Brazil productivity of forestry per hectare

22. Brazilian production of industrial forestry
However, the estimation of 271,5 M m3
does not represent na effectivelly available
supply for the period, since the age of
plantations may differ.
According to the Brazilian Institute of
Statistics (IBGE), the anual production of
wood logs from forestry plantations in
2012 was aprox.
193,9 M m³
or
166,4 Mton
and this total had the following destination:
Industrial use: 67,4% (130,7 M m³)
Firewood: 28,3% (54,9 M m³)
Charcoal: 4,3% (8,3 M m³)

23. forestry production of residues at the Field
Coefficient: residue/product: (15,2 + 7,1)/(70,4+7,3) ⋲ 29%residues at forestry farming
Alocação de Biomassa e Ajuste de Equações para Estimativa de Biomassa em Compartimentos Aéreos de Eucalyptus benthamii, (Embrapa Florestas)
Bol. Pesq. Fl., Colombo, n. 49, p. 83-95, jul/dez. 2004

24. forestry residues at the Field ⋲ 50 M ton a year
▪ Segundo o Anuário 2013 da Assoc. Bras. dos Produtores de Florestas Plantadas, o Brasil produziu
193,9 M m3 de madeira em tora em 2012. Admitindo que 1 m3 de tora de eucalipto com casca
e/ou pinho com casca pese 0,858 ton, pode-se estimar que o Brasil tenha produzido (193,9*0,858)
166,4 Mton de toras para uso industrial em 2012.
▪ Para esta massa de toras produzidas, estima-se (166,4*0,29) 48,2 Mton de resíduos de árvore
de florestas industriais gerados no campo em 2012.
▪ Os custos de florestas energéticas em São Paulo são de 1,16 US$/GJ para a situação atual (com
44,8 m3/ha.ano, para 21,4 km de média de transporte) e de 1,03 US$/GJ no futuro (com 56
m3/ha.ano, para a mesma distância). Esses valores dão ideia das vantagens comparativas do Brasil,
uma vez que os parâmetros de campo do Brasil, em 2000, representam o ponto futuro projetado
para o Hemisfério Norte em 2020.

25. cost of energy for several feedstocks & places

26. Brazilian eucaliptus opportunities analised in USA
▪ “Recent trends suggest that plantations will either be vertically integrated into the self-generator’s operation,
or maintained by a long-term management and fuel supply contract. We have confirmed this assertion with
bioenergy consultants Energia Renovais do Brazil, Thermopyla Bioenergia SA, POYRY, and ABIB. DOW
Chemicals is pioneering this model with their Aratinga wood-to-energy plant in Bahia state, which will replace a
natural gas-fired steam system at a petrochemical facility with a eucalyptus fueled cogeneration unit. The Brazilian
Industrial Biomass and Renewable Energy Association predicts that the current technical potential of eucalyptus
fuel to be equivalent to 896 MW of power, and that about half of that is economically recoverable,
suggesting around 450 MW is available from this source to generate facility electricity and process steam.”
▪ “In 2011, ERB was reported to be completing three biomass projects in addition to the DOW one, and
reviewing an additional three. When we contacted ERB, POYRY, and Thermopyla Sustainability throughout the
fall of 2012 and early winter 2013, our correspondence suggested a similar amount of activity, all based on
eucalyptus fueled systems, and each attempting to be eligible for DG incentives. The level of discretion that
characterized our conversations gives us reason to believe that this space is n fact growing, but is extremely
competitive and that achieving acceptable levelized costs of electricity remains challenging.”
▪ “Companies like Vale, Anglo American, Gerdau, Usiminas, and others all have made concerted efforts to
improve the non-hydro renewable component of their energy mix. Vale has it’s own renewable energy division, Rio
Tinto has joined a partnership with GE Energy to explore renewables, and Anglo has already replaced
30% of the hydro capacity for one of its iron ore plants with wood pellets. They perceive hydro
intermittency and high taxes for grid electricity to be unacceptable expenditures.”
Challenges and Opportunities for the biomass fueled distributed generation power market in Brazil
MSc. Dissertation – University of Michigan April 2013

27. BNDES funding for forestry
Average 25% per year

28. BNDES funding for forestry

29. biomass case 2: elephant grass

30. elephant grass: overview
▪ Alta eficiência fotossintética e de matéria seca, mas não esgota o solo como a cana. O plantio pode ser em
qualquer lugar com mínima fertilidade do solo, luz do sol e pluviosidade (entre 800 e 4.000 mm ano).
▪ Sua descrição data de 1827 (África Tropical - 10ºN e 20ºS) desde o nível do mar até 2.200 m entre 18 e 30ºC.
▪ Espécie: Pennisetum purpureum Schumacher, família Poaceae, subfamília Panicoideae, tribo Paniceae.
▪ Com o mesmo hectare plantado de cana-de-açúcar, obtém-se entre 15 e 20 ton de massa seca. O Eucalipto
devolve entre 10 e 15 ton de massa seca.
▪ Elevada capacidade de produção de biomassa, fibras, ligninas, alta relação C:N e quanto maior é essa relação
mais promissora é a planta para a queima. Com rápido crescimento, pode ser colhido até duas vezes por ano.
▪ Embrapa Agrobiologia: testes com variedades que podem crescer em solos pobres, com o mínimo de
fertilizantes, utilizando bactérias nitrificantes, mas sem sacrificar a produtividade de biomassa.
▪ É altamente eficiente na fixação de CO2, podendo obter carvão vegetal para produção de ferro gusa, depois
do cumprimento de algumas exigências. As cinzas são ricas em sílica e viram cimento livre de carbono.
▪ Possui uma relação extremamente atrativa no quesito US$/GJ.
▪ Os principais desafios do capim elefante são:
✓Existem mais de 200 genótipos (cultivares), necessitando avaliações específicas para cada local de plantio.
✓Elevado teor de água (até 80%): necessidade de secar no campo e/ou por processamento;
✓Baixa densidade natural (seco~100 kg/m3): compactação para viabilizar transporte e armazenamento;
✓Custo logístico pode ser elevado: água (umidade) e ar (baixa densidade)
✓Teores de K e cinzas mais altos: problemas para carvão na siderurgia
✓Planejamento para larga escala (evitar a supressão das etapas de viabilidade e piloto de campo)

31. Total de Países: 5 4 3 1 3 5 2 3 3 2 1 2 1 4 8
MURPHY, J. Feedstock trends in the
advanced biofuels industry. St. Louis:
Fuel Ethanol Workshop, jun. 2010.
In: A corrida tecnológica pelos
biocombustíveis de segunda geração:
uma perspectiva comparada. BNDES
Setorial 32, set. 2010
4
3
4
1
2
2
1
1
1
3
1
2
1
1
0
1
5
14
2
elephant grass is to become a major feedstock

32. reason for the world’s choice by elephant grass
Demirbas, A. Competitive liquid biofuels from biomass. Applied Energy 88 (2011) 17–28
2.65/gallon 21.8
2.80/gallon 24.0
2.81/gallon 22.3
3.81/MBTU (20 kg) 5.0
2.71/gallon 20.3
59/ton 1.77
813/ton 25.0
179/ton 11.9
2.17/gallon 27.2
-
-
20 - 80/ton 1 – 4
(wet mass) (dry mass)
US wholesale $/GJ
(indexmundi.com / july 2014)
The actual cost of Elephant Grass is USD 30/ton of dry mass.
After very probable productivity achievements to be done
by EMBRAPA BRAZIL, USD 20 is a reazonable value to admit.
IRENA : Renewable Energy Technologies: Cost Analyses Series
June 2012 (tech cost analysis)

33. science-based essay: a limit for biomass productivity
Ciência e Cultura - Soc. Bras. para o Progresso da Ciência; vol.60, no.3, Sept. 2008
▪ fluxo solar no globo S= 1,36 kW/m2; S ⋲ 26.000 ton. de biomassa/ha x ano (1g de biomassa seca ⋲ 19 kj ).
▪ o fluxo sofre decréscimos devido a SETE fatores de rendimento ”η”, os quais multiplicam “S” :
1. rotação e translação da terra: g = 0,200
2. absorção pela atmosfera e nuvens: a = 0,530
3. faixa útil do espectro da luz solar: s = 0,425
4. fração do tempo em que há canavial no campo: i = 0,700
5. rendimento na absorção dos fótons pela clorofila: q = 0,215
6. rendimento na conversão para energia química: d = 0,900
7. fração que resta após o consumo metabólico: r = 0,500
x 26.000 ⋲ 79 ton massa seca/ha.ano
Média da cana no Brasil após salto tecnológico final dos 80’
(dados aprox.):
50 ton cana + 6 ton palha ⋲ 56 ton massa verde/ha.ano
massa seca ⋲ 32% ⋲ 18 ton massa seca/ha.ano
Anuario Estatistico da Agroenergia MAPA 2012, pg 28

34. science proofs of elephant grass’ productivity in BR
Ton dry mass/ha.year Elephant Grass Genotype Hosting Institution Cropping Year Scientific Source
1 80,8 Gramafante Embrapa Agrobiologia RJ 1999 http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC00000000
22000000100031&script=sci_arttext
2 66,0 n.a. Univ. Fed Viçosa MG 2002 http://www.scielo.br/pdf/cagro/v33n2/v33n2a15.pdf
3 63,0 CNPGL 92 F 94-1 Empr. MT de Pesq., Assist. e Ext. Rural MT 2008
http://www.bdpa.cnptia.embrapa.br/busca?b=pc&id=327010&bi
blioteca=vazio&busca=autoria:%20fava,%20A.%20R.&qFacets=au
toria:%20fava,%20A.%20R.&sort=&paginacao=t&paginaAtual=1
4 61,3 Cameroon-Piracicaba Embrapa Agrobiologia RJ 1999 http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC00000000
22000000100031&script=sci_arttext
5 57,2 CNPGL 96 F 25-1 Empr. MT de Pesq., Assist. e Ext. Rural MT 2008
http://www.bdpa.cnptia.embrapa.br/busca?b=pc&id=327010&bi
blioteca=vazio&busca=autoria:%20fava,%20A.%20R.&qFacets=au
toria:%20fava,%20A.%20R.&sort=&paginacao=t&paginaAtual=1
6 56,0 Cameroon Univ. Fed. Rural RJ RJ 2010 http://cursos.ufrrj.br/posgraduacao/ppgf/files/2013/08/Disserta
%C3%A7%C3%A3o-PPGF-Juliano-Br%C3%A1s-Zanetti.pdf
7 52,7 BAG - 2 Univ. Fed. Rural RJ RJ 2010 http://cursos.ufrrj.br/posgraduacao/ppgf/files/2013/08/Disserta
%C3%A7%C3%A3o-PPGF-Juliano-Br%C3%A1s-Zanetti.pdf
8 51,8 Cubano Pinda Univ. Est. Norte Fluminense RJ 2012 http://uenf.br/pos-graduacao/producao-
vegetal/files/2014/03/Andr%C3%A9-Vicente.pdf
9 51,0 Napier Volta Grande Univ. Est. Norte Fluminense RJ 2012 http://uenf.br/pos-graduacao/producao-
vegetal/files/2014/03/Andr%C3%A9-Vicente.pdf
10 49,5 Guaçú Instituto de Pesquisas Técnológicas SP SP 1993 http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?pid=MSC00000000
22000000100029&script=sci_arttext#back1
Assuming 50 ton of dry mass/ha.year as a standard, the project will require
40,000 ha of arable land to produce
2.0 Mton of dry mass,
which is equivalent to 2.5 Mton/y biomass 20% moisture for the Green Refinary.
Sugarcane would require 100,000 ha.

35. required area for 1.6 Mton dry mass
R = 9,6 Km Área necessária para 1,6 Mton de massa seca por ano com 55 ton/ha
5,000 ton/day (*360) = 1.8 Mton/year (dry mass)
The current project requires 1.6 Mton/year
Radius R for 1,8 or 1,6 Mton/y, according to the productivity:

36. dry mass and heating values: stalk and leaf
Zanetti, J . Identificação de Genótipos de Capim-Elefante (Pennisetum purpureum Schumach.)
de Alta Produção de Biomassa com Qualidade para Fins Energéticos. Dissertação UFRRJ, 2010.
≈ 1,700 mm of rain
4.228 kcal/kg
4.132 kcal/kg
4.012 kcal/kg
3.890 kcal/kg
The share of stalk / leaves may differ from different genotypes and crops
In the table above, there are % values from 41/59 up to 71/29
Stalks have ≈10% more energy contents than leaves, since those has less lignin
Then, coefficients to be maximized are:
Dry mass ton/ha ; stalk/leave ; Carbon/Nitrogen

37. nitrogen fertilizing increases production strongly
66
Pegoraro et al. Manejo da água e do nitrogênio em cultivo de capim-elefante. Ciênc. agrotec., Abr 2009, vol.33, no.2, p.461-467

38. nitrogen increases production during dry seasons too
Fertilizing improved productivity on
50% during the dry season (no irrigation)
Mistura et. al. Disponibilidade e qualidade do capim-elefante com e sem irrigação adubado com nitrogênio e potássio na estação seca.
R. Bras. Zootec., v.35, n.2, p.372-379, 2006

39. strategic importance of drying the grass
Perspectivas do setor de biomassa de madeira para a geração de energia.
BNDES Setorial 33, pg 272, 273
Pinheiro, Rendeiro e Pinho. Densidade Energética de Resíduos Vegetais.
Biomassa e Energia, v.2., n.2., p.113-123, 2005
▪ Drying reduces the overall weight that should be transported to the Biorefinary.
▪ It avoids degradations by bacteria during transportation and storage.
▪ It increases significantly the Heating Value of the biomass materials.

40. drying at farms may require very simple equipment
▪ At the farm field, it is expected to be easy to dry the elephant grass from “75 – 80%” towards 20%.

41. elephant grass dryes easily and may take 30 hs only
Zotti et.al. Curva de desidratação e teor protéico do feno de capim-elefante
Paraíso (Pennisetum hybridum). Agencia Paulista de Tecnol. do Agronegócio.
▪ Elephant Grass dried by simple
spreading over concrete floor, under a
common shelter/hangar at the farm.
▪ The grass was turned over every 2
hours during the drying period.
▪ The table below shows the
environmental condition on the
different days that the experiment
was made.

42. Cropping : Brazil

43. baling: Brazil

44. cropping and baling: Brazil

45. sample of data of production

46. Features to Consider in the Planning Stage

47. Growth Schedule (days): Campos city - RJ
20 45 90
120 days – more than 4m height 150 days – Cameroon Genotype

48. Other Places
Palmeiras – GO, 120 days
Cameroon Genotype
Anchieta – ES, 120 days
Cameroon Genotype

49. Cameroon Genotype: Panorama - SP
≈ 5,70 m

50. biomass case 3: residues from agriculture

51. Brazil agriculture – major products output

52. Brazil potential biomass from agriculture residues

53. A
+
Plásticos: PET, eletrônicos, veículos ...
+
Borrachas: pneus ...
+
Qualquer material rico em C e H ...
Nova Tecnologia
+ Carbocompostos

54. A

55. Ethanol and Diesel
1. A produtividade da cana alcançou seu ápice,
mostrando incremento insignificante
comparado a outros importantes cultivares.
2. Apesar do aumento da produtividade na
quantidade (+ 7% ton cana/ha, em 10 anos), a
cana tem decaído em qualidade (-12% em kg
de *ATR/ton cana, em 7 anos) *açúcar total recuperável
3. Enquanto a Petrobrás controla os preços dos
produtos de petróleo, variações na produção
de cana, no preço do açúcar e no custo
relativo à gasolina tornam o mercado e o
preço do etanol muito instável se comparado
com o diesel, o mais estável dos combustíveis.
-12%
2
1
3

56. Process
▪ A Tecnologia consiste em transformar qualquer tipo de material orgânico em combustível leve
(diesel ou querosene) de alto padrão de qualidade seja do ponto de vista de eficiência energética, do
ponto de vista ambiental, de segurança e de saúde.
▪ O processo consome qualquer material que contenha carbônio e hidrogênio, levando a uma rápida
transformação do complexo orgânico tridimensional, mantendo as ligações de carbono e hidrogênio,
de forma a gerar a molécula linear de diesel (Cn H2n+2), e evitando sua ligação com os gases leves.
▪ Uma das principais características do processo é a alta eficiência que permite a transferência da
energia da matéria prima em óleo combustível sintético (diesel ou querosene) superior a 80%.

57. Process
▪ Carregamento e pré-tratamento da metéria
prima
▪ Reator de oxidação
▪ Condensador
▪ Separador de água e óleo
▪ Sistema de processamento de biogás
▪ Extração de óleo em excesso e separação de
carvão
▪ Reator de purificação de água
▪ Gerador a biocombustível
▪ Sistema de resfriamento de água
▪ Sistema de controle
▪ A planta exige 1.300 m2 (coberto) para
equipamentos e 700 m2 (aberto) para estoque
de input e output.
± 12 metros

58. Process
▪ Todos os parâmetros do processo são
monitorados no funcionamento, de acordo
com o programa de trabalho selecionado (que
podem ser vários). Os parâmetros críticos são
controlados e possuem software de parada
automática em caso de não conformidades.
▪ Temperatura interna do reator de oxidação e
da coluna de destilação:
▪ Se a temperatura vier acima ou abaixo da
conformidade, e se o sistema de controle não
regular o problema sozinho, é gerado um aviso
de alarme ao operador. Se por acaso o
operador não resolver o problema
manualmente, há um segundo nível de alarme.
▪ O sistema também possui:
✓ Barreira de contenção, para o caso de
vazamentos de óleo
✓ Alarme de sobrepressão
✓ Parada automática nos procedimentos de
emergência.
± 12 metros

59. Product: Green Diesel = Diesel ≠ Biodiesel
▪ A produção da fábrica objetiva produzir um biocombustível sintético chamado GREEN DIESEL.
▪ Este é um combustível com características físico-químicas iguais ao diesel de origem fóssil, o que
NÃO OCORRE com o biodiesel convencional. A similaridade do GREEN DIESEL com o diesel fóssil
pode ser vista na tabela abaixo.

60. Conversion efficency – Italian biomass
▪ Tal como visto na tabela anterior, o sistema transforma 80% do input da energia de biomassa em
GREEN DIESEL. Na tabela abaixo, é possível verificar os rendimentos de conversão energética para
diferentes tipos de materiais orgânicos já testados na Itália:
1 ton

61. Certification

62. Certification

63. Certification