UNIVERSIDADE ESTADUAL "JÚLIO DE MESQUITA FILHO" FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS CAMPUS DE BOTUCATU ANÁLISE DE DECISÃO SOBRE O APROVEITAMENTO DO PALHIÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR, POSTO NA UNIDADE INDUSTRIAL, PARA FINS DE COGERAÇÃO. HERMAS AMARAL GERMEK Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP - Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia - Área de Concentração em Energia na Agricultura. BOTUCATU Fevereiro de 2005 ii UNIVERSIDADE ESTADUAL "JÚLIO DE MESQUITA FILHO" FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS CAMPUS DE BOTUCATU TÍTULO: ANÁLISE DE DECISÃO SOBRE O APROVEITAMENTO DO PALHIÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR, POSTO NA UNIDADE INDUSTRIAL, PARA FINS DE COGERAÇÃO. HERMAS AMARAL GERMEK Orientador: Prof. Dr. Elias José Simon Co-orientador: Prof. Dr. Tomaz Caetano Cannavam Rípoli Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP - Campus de Botucatu, para obtenção do título de Doutor em Agronomia - Área de Concentração em Energia na Agricultura. BOTUCATU Fevereiro 2005 FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA SEÇÃO TÉCNICA DE AQUISIÇÃO E TRATAMENTO DA INFORMAÇÃO – SERVIÇO TÉCNICO DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAÇÃO UNESP - FCA - LAGEADO - BOTUCATU (SP) Germek, Hermas Amaral, 1951- G373a Análise de decisão sobre o aproveitamento do palhiço da cana-de-açúcar, posto na unidade industrial, para fins de cogeração / Hermas Amaral Germek. –- Botucatu, [s.n.], 2005. xv, 107 f. : il. color., gráfs., tabs. Tese (Doutorado) -- Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências Agronômicas. Orientador: Elias José Simon. Co-orientador: Tomaz Caetano Cannavam Rípoli. Inclui bibliografia. 1. Energia – Fontes alternativas. 2. Energia elétrica e calor - Cogeração. 3. Energia da biomassa. 4. Cana-de- açúcar. 5. Cana-de-açúcar – Colheita. I. Simon, Elias José. II. Rípoli, Tomaz Caetano Cannavam III. Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (Campus de Botucatu). Faculdade de Ciências Agronômicas. III. Título. CDD 333.7938 iii UNIVERSIDADE ESTADUAL "JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS CAMPUS DE BOTUCATU CERTIFICADO DE APROVAÇÃO TÍTULO: ANÁLISE DE DECISÃO SOBRE O APROVEITAMENTO DO PALHIÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR, POSTO NA UNIDADE INDUSTRIAL, PARA FINS DE COGERAÇÃO. AUTOR: HERMAS AMARAL GERMEK ORIENTADOR: PROF. DR. ELIAS JOSÉ SIMON CO-ORIENTADOR: PROF.DR. TOMAZ CAETANO CANNAVAM RÍPOLI Aprovado pela Comissão Examinadora Prof. Dr. Tomaz Caetano Cannavam Rípoli – ESALQ/USP – Piracicaba – Presidente Prof. Dr.Walter Molina Junior – ESALQ/USP- Piracicaba Prof. Dr. José Carlos Teixeira da Silva – FE/UNESP-Bauru Prof. Dr. Edgar Gomes Ferreira de Beauclair – ESALQ/USP – Piracicaba Prof. Dr. Nilson Augusto Villa Nova – ESALQ/USP – Piracicaba Data da Realização: 11 de fevereiro de 2005 Horário: 8:30h Local: Sala de apresentação da Pós-graduação-FCA/UNESP iv AGRADECIMENTOS (ordem alfabética) Alcides Lopes Leão - Prof. Dr. – FCA/UNESP – Botucatu – SP Alfredo Colenci Junior – Prof. Dr. – CEETEPS/FATEC – USP – São Paulo – SP Antonio Celso Sturion – Eng. Agr. MSc. – Piracicaba – SP Clovis Massachi Muraishi - Us. Açuacreira Guaira - SP Daniel Henrique Gonçalves - Prof. MSc.Ribeirão Preto - SP Eder Ricardo Biasoli – Prof. Dr. FUNDUNESP - São Paulo - SP Edgard Gomes F. de Beauclair - Prof. Dr. - ESALQ/USP - Piracicaba - SP Elias José Simon - Prof. Dr.- FCA/UNESP - Botucatu - SP Elmo da Silva - CTC Copersucar - Piracicaba - SP Guilherme Cella - Techpetersen – Piracicaba - SP Inês Andrade - Biblioteca FCA/UNESP - Botucatu - SP Jaime Luiz Bassinello - Eng. Agr.Us. Açucareira Guaira - SP Jaqueline de Moura Gonçalves – PG/FCA/UNESP – Botucatu – SP José Carlos Teixeira da Silva - Prof. Dr. - FE/UNESP - Bauru - SP José Paulo Stupiello - Prof. Dr. ESALQ/USP / STAB – Piracicaba – SP Kleber Pereira Lanças - Prof. Dr.- FCA/UNESP – Botucatu - SP Laura Laganá - Profa. – CEETEPS / Superintendência - São Paulo - SP Luiz Gonzaga Benetti - Grupo Andrade - Ribeirão Preto - SP Marcelo Fuzato - Prof. CEPEC's - Piracicaba - SP Marco Antonio Carleto - Us.Santa Adélia - Jaboticabal - SP Maria Cecília Ribeiro Nantes - Economista. Doméstica. - Ribeirão Preto - SP Marilena do Carmo Santos – PG/FCA/UNESP – Botucatu – SP Marlene Rezende de Freitas – PG/FCA/UNESP – Botucatu – SP Nilson Augusto Villa Nova - Prof. Dr. ESALQ/USP – Piracicaba - SP Odivaldo José Seraphim - Prof. Dr.- FCA/UNESP – Botucatu - SP Plínio Nogueira de Arruda Sampaio – FATEC/TQ – Taquaritinga - SP Silvia Amaral Germek - FUNDUNESP - São Paulo - SP Solange Bason – FATEC-TQ – Profa.Taquaritinga – SP Tomaz Caetano Cannavam Rípoli - Prof. Dr.- ESALQ/USP – Piracicaba - SP Vitório Laerti Furlani Neto - UFSCar - Araras – SP Walter Francisco Molina Jr. Prof. Dr.- ESALQ/USP – Piracicaba - SP CADA UM SABE PORQUE. v DEDICATÓRIA A meus pais: Emílio e Yone (in Memorium) À Ediméia As minhas irmãs: Cecília e Silvia À minha esposa: Maria Aparecida A meus filhos Rita Isabel, Carolina, Hermas JR e Guilherme Aos demais membros da família vi Pensamento Para a maior parte da humanidade, o mundo não será um lugar aprazível no século XXI. Mas não precisa ser assim. Com previsão e uma ação decisiva, pode-se criar um mundo melhor para todos. Instituto Internacional de Pesquisa em Política Alimentar. A 2020 Vision For Food, Agriculture, and the Environment. vii SUMÁRIO Páginas Lista de Tabelas ................................................................................................................. x Lista de Figuras ................................................................................................................. xii RESUMO ...........................................................................................…................... xiii SUMMARY ........................................................................................….................. xiv 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1 1.1. Caracterização e importância do problema .........................................……..... 1 1.2. Objetivos............................................................................................................ 2 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 4 2.1. Considerações de ordem geral ............................................................................ 4 2.2. A cana-de-açúcar ................................................................................................ 14 2.3. O setor produtor de cana-de-açúcar .................................................................... 14 2.4. A operação de pré-colheita utilizando a queima da lavoura, o ambiente e a saúde ................................................................................................................... 17 2.5. A lavoura de cana-de-açúcar e os resíduos da pós-colheita ............................... 19 2.6. Matriz energética brasileira ................................................................................ 22 2.7. A tecnologia de geração de vapor, combustível e rendimentos ......................... 26 2.8. Energia da biomassa ........................................................................................... 30 2.9. Comércio de energia no Brasil e a legislação..................................................... 34 2.10. Sistema de recolhimento do palhiço na lavoura de cana-de-açúcar ................ 38 2.11. Métodos matemáticos de análise de experimentação e a abordagem metodológica ................................................................................................... 41 viii 2.12. Avaliação de eficiência dos equipamentos de cogeração................................. 49 3.. MATERIAL E MÉTODOS..................................................................................... 53 3.1. Método.................................................................... ............................................. 53 3.2. Tratamentos.......................................................................................................... 53 3.3. Levantamento de dados de campo ....................................................................... 56 3.3.1. Ficha de levantamento de dados de campo junto às unidades industriais .... 57 3.4. O modelo matemático de simulação ................................................................... 57 3.4.1. Diagrama de blocos do estudo ..................................................................... 58 3.4.2. Cálculos ....................................................................................................... 60 3.4.2.1. Cálculo do custo operacional do sistema de transferência de palhiço ............................................................................................... 60 3.4.2.2. Cálculos dos custos do sistema de limpeza a seco, investimentos – b1 e operacional – b2 ........................................................................ 62 3.4.2.3. Cálculos dos custos de investimento - d1 e operacional - d2 do sistema de desenfardamento de palhiço ............................................ 66 3.4.2.4. Cálculos dos custos de investimento - e1 e operacional - e2 do sistema de desfibramento de palhiço ............................................. 67 3.3.3. Valores potenciais de disponibilidade de palhiço recolhido ....................... 70 3.3.3.1.Valores mínimos, em toneladas, de palhiço safra ............................ 70 3.3.3.2.Valores Máximos, em toneladas, de palhiço safra ............................ 70 3.3.4. Determinação da equação objetivo .............................................................. 71 3.3.5. Definindo as equações de restrição ............................................................. 74 3.3.5.1. Considerações e diagrama de blocos da recepção de cana em colheita integral ..................................................................................................... 75 3.3.5.2. Equações restritivas do palhiço do sistema de colheita integral ............... 76 ix 3.3.5.3. Considerações e diagrama de blocos da recepção do palhiço no sistema de recolhimento a granel ............................................................ 77 3.3.5.4. Equações restritivas do palhiço do sistema de recolhimento a granel..... 78 3.3.5.5. Considerações e diagrama de blocos da recepção do palhiço no sistema de recolhimento em fardos ........................................................ 79 3.3.5.6. Equações restritivas do palhiço do sistema de recolhimento em fardos .. 80 3.5. Cálculo do potencial de geração de energia do palhiço com relação ao bagaço.. 81 3.5.1. Cálculo da potência gerada pelo bagaço ....................................................... 83 3.5.2. Cálculo da potência gerada pelo palhiço ...................................................... 84 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 87 4.1. Resultados quanto a aplicação da equação objetivo ............................................ 91 4.2. Resultados da avaliação da relação energética entre o palhiço e o bagaço ......... 96 5. CONCLUSÕES ......................................................................................................... 98 6. RECOMENDAÇÕES ............................................................................................... 99 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 100 ANEXOS x Lista de Tabelas Páginas 01. Poder calorífico superior – PCS e poder calorífico inferior – PCI das folhas de cana-de-açúcar Zulauf, (1985) ................................................................................. 24 02. Poder calorífico e umidade de diferentes resíduos canavieiros estocados ................ 32 03. Peso específico aparente do bagaço Huggot, (1984) ................................................ 33 04. Valores médios de PCS – poder calorífico superior e PCU – poder calorífico útil de algumas biomassas, em kcal/kg .......................................................................... 35 05. Valores econômicos - PROINFRA de 2003, sugeridos para a comercialização de energia alternativa no Brasil nas diversas regiões brasileiras. (Valores em R$/MWh)................................................................................................................... 38 06. PCI - poder calorífico inferior do bagaço da cana-de-açúcar a diferentes umidades e o correspondente aumento energético. Peres (1982).............................................. 49 07. Características do vapor d'água em função da pressão Huggot, (1984) ................... 51 08. Levantamento e dados de campo dos custos e capacidades das máquinas Caterpillar tipo pá carregadeira utilizada no manuseio do bagaço no pátio da unidade industrial do grupo Andrade de Pitangueiras-SP ......................................... 60 10. Resumo dos valores calculados em R$/tonelada em função dos custos e capacidades das máquinas Caterpillar tipo pá carregadeira com base nos valores obtidos no manuseio do bagaço no pátio da unidade industrial do grupo Andrade de Pitangueiras-SP, considerando 30 operações por hora ...................................... 61 11. Resumo dos dados calculados para a unidade modelo ............................................. 70 12. Valores de custos de investimento e operacionais calculados ou adotados com base nos dados de campo e expressos em TPH – Toneladas de palhiço hora .................. 71 13. Resultados da aplicação da equação (25) de relação bagaço/palhiço considerando a produtividade agrícola média do Estado de São Paulo de 71,3t/ha ....................... 83 14. Resumo das equações de restrição das rotas adotadas para uma unidade industrial idealizada de capacidade de processamento 60 TCH de cana, ou seja uma Destilaria de 120.000 de álcool por dia ................................................................... 87 15. Resumo dos resultados com referência ao custo do investimento do processo de adequação do palhiço para uma unidade industrial padrão de 60TCH .................... 91 16. Resumo dos resultados com referência ao faturamento bruto da comercialização da energia elétrica com base na tabela Proinfra, correspondente ao processo de adequação do palhiço de uma unidade industrial de 60TCH .................................... 92 xi 17. Resumo dos resultados com referência ao custo unitário, correspondente ao processo de adequação do palhiço, expresso em R$/TPH ........................................ 92 18. Resumo dos resultados com referência ao índice da relação do custo de implantação do processo de adequação do palhiço - IRT e do faturamento bruto para uma unidade industrial padrão de 60TCH ........................................................ 92 19. Custos estimados das rotas tecnológicas de colheita integral de cana, recolhimento a granel e em fardos em R$/EBP- Equivalente barril de petróleo e em R$/TP- Tonelada de palhiço. Áreas agrícola, industrial e total .............................................. 94 20. Potência gerada (KW) para 100TCH, nos diferentes usos possíveis da biomassa .... 95 21. Resultados obtidos da aplicação da fórmula "c" deduzida por este estudo aplicando-se os valores percentuais variáveis de recolhimento do palhiço da lavoura (fpr%) em função da relação percentual de toneladas de palhiço por tonelada de cana (tTC%) também deduzida neste estudo, considerando o Poder Calorífico do palhiço de 1.500kcal/kg ...................................................................... 95 22. Valores percentuais de incremento de potência devido ao uso do palhiço como fonte adicional de combustível, do tipo biomassa, ao bagaço .................................. 96 xii Lista de Figuras Páginas 01: Sistema de alimentação de bagaço nas caldeiras segundo Hugot (1984) ................. 07 02. Foto das frações que constituem o palhiço e que causam obstrução do sistema rotativo de alimentação das caldeiras. Foto Stupiello (2001) ................................... 10 03. Foto do sistema de recolhimento de palhiço a granel, após enleiramento. Foto: Stupiello (2001) .............................................................................................. 11 04. Foto do sistema de enleiramento do palhiço que antecede o processo de recolhimento a granel ou em fardos. Foto Ripoli (2001) ........................................ 11 05. Fotos do sistema de recolhimento com enfardamento do palhiço por sistemas, cilíndrico ou retangular e o mecanismo de manuseio e transporte de carga seca. Foto Ripoli (2003) ................................................................................................... 12 06. Foto do sistema de colheita integral da cana-de-açúcar e matéria estranha vegetal com o sistema de corte de palmito e limpeza desligado. Foto: Stupiello (2001).. 12 07. Esquema de limpeza de cana-de-açúcar a seco existente no Brasil. Fonte:Techpetersen ................................................................................................. 13 08. Fotos com detalhes de um sistema de limpeza a seco de colmos de cana-de- açúcar, implantada no Brasil..Techpetersen .......................................................... 18 09. Foto de duas caldeiras de alta pressão 65kg/cm2 com o sistema de alimentação de bagaço da câmara de queima de leito fluidizado e das esteiras de distribuição do bagaço operando com pá carregadora. Usina Santa Adélia. Foto Carleto 2004. 29 10. Comparação de custos operacionais (R$/EBP), em função das variações das Eficiências de Campo dos sistemas, do palhiço posto na usina ............................. 40 11. Procedimentos para desenvolvimento do modelo ................................................... 46 12. Diagrama de blocos da fabricação de açúcar, melaço e eletricidade proposta por Paturau (1992) ......................................................................................................... 52 13. Foto do equipamento de pá carregadora utilizada no sistema de descarregamento do palhiço e no manuseio do material no pátio de bagaço. Foto Stupiello (2001) ... 55 14. Diagrama de blocos do processo de cogeração estudado empregando formas diferentes de colheita do palhiço a ser utilizado como combustível nas caldeiras, na forma de biomassa, delimitando a área de abrangência do estudo ...................... 59 15. Foto do conjunto do sistema rotativo de alimentação de combustível nas caldeiras que se obstrui com as frações de palhiço da Usina Vale do Rosário-SP. Foto do autor (2004) ................................................................................................. 72 16. Custos do palhiço posto no pátio da unidade industrial expressos em R$/TP – toneladas de palhiço, obtidos da transformação dos valores expressos em R$/EBP – equivalente barril de petróleo, dos estudos realizados por Ripoli (2003) ............. 74 xiii 17. Diagrama de bloco das operações unitárias envolvidas no sistema de colheita integral .................................................................................................................... 76 18. Diagrama de bloco das operações unitárias envolvidas no sistema de recolhimento de palhiço a granel ............................................................................. 78 19. Diagrama de bloco das operações unitárias envolvidas no sistema de recolhimento de palhiço em fardos .......................................................................... 80 xiv ANÁLISE DE DECISÃO SOBRE O APROVEITAMENTO DO PALHIÇO DA CANA-DE-AÇÚCAR, POSTO NA UNIDADE INDUSTRIAL, PARA FINS DE COGERAÇÃO. Botucatu, 2005. 107 p. Tese (doutorado em Agronomia / Energia na Agricultura) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista. Autor: HERMAS AMARAL GERMEK Orientador: PROF. DR. ELIAS JOSÉ SIMON Co-orientador: PROF. DR. TOMAZ CAETANO CANNAVAM RÍPOLI RESUMO O estudo aborda as novas tendências da gestão ambiental em reduzir a poluição, evitando-se as queimadas de cana-de-açúcar e o aproveitando de resíduos agrícolas para fins de geração de energia alternativa, de ciclo limpo, com o emprego de biomassa, atendendo as recomendações da Agenda 21 e do protocolo de Kyoto de reduzir fontes poluidoras e melhorar a qualidade de vida e da saúde da população com o emprego de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo - MDL. Mostra que a modelagem matemática de simulação de processos operacionais é um instrumento eficaz de gerenciamento auxiliando na tomada de decisões, possibilitando ao setor sucroalcooleiro introduzir este instrumento de gestão, pouco empregado pelo mesmo, reduzindo, com isto, riscos e custos na definição de rotas tecnológicas de processos pelas empresas. Apresenta uma equação de simulação de diversas rotas tecnológicas para adequar o tamanho do particulado do palhiço, ao sistema existente que alimenta as caldeiras e que permite avaliar as vantagens econômicas de se empregar o palhiço, e/ou a matéria estranha vegetal da colheita da cana-de-açúcar, como fonte de biomassa para fins de cogeração, juntamente com o bagaço e para isto, define a rota de menor custo. Nas simulações realizadas foi possível determinar que a rota tecnológica de menor custo de adequação dessa biomassa foi a da colheita integral seguida do recolhimento em fardos e a granel que não apresentaram diferenças significativas entre si, ressaltando que análise da simulação deve abranger ambos os setores agrícola e industrial resultando em uma visão mais adequada. Determinou-se, por equações lineares que o palhiço pode contribuir com o incremento da disponibilidade energética adicional ao bagaço na ordem de 5,59% a 55,94% dependendo das características do canavial e do percentual de recolhimento adotado, além do que o aproveitamento do palhiço e resíduos vegetais canavieiro permite gerar recursos financeiros adicionais na produção sucroalcooleira. ____________________________________ Palavras-chave: Cana-de-açúcar; Palhiço; Cogeração; Energia alternativa; Biomassa; Colheita. xv OPERATIONS RESEARCH OF THE "PALHIÇO" OF SUGAR-CANE, IN THE INDUSTRY UNITY, TO CO-GENERATION. Botucatu, 2005. 107 p. Tese (doutorado em Agronomia/Energia na Agricultura) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista. Author: HERMAS AMARAL GERMEK Adviser: PROF. DR. ELIAS JOSÉ SIMON Co-adviser: PROF. DR. TOMAZ CAETANO CANNAVAM RÍPOLI SUMMARY This study reflects on the new tendencies of environmental management in reducing pollution avoiding burning the sugar-cane and taking the advantage of agricultural residues, in order to generate clean cycle of alternative energy with the utilization of biomass, meeting the recommendations of “Agenda 21” and Kyoto Protocol, to reduce pollutant sources and improve the population’s health and life quality, making a good use of – Clean Development Mechanism (MDL).The study shows that the mathematical modeling of operational process simulation is an effective instrument of management that supports a taking of stand, to enable the sugar-cane sector to introduce this not much utilized instrument, reducing the risks and costs in the definition of technological routes of processes by the companies. It presents an equation of simulation of several technological route to adapt the size of the fragment of the "palhiço", to the existent system that it feeds the kettles and that it allows to evaluate the economical advantages of using the "palhiço", agricultural residue of the crop of the sugar- cane, as biomass source for co-generation aim, together with the bagasse and for this purpose, it defines the route of smaller cost. In the accomplished simulations it was possible to determine that the technological route of smaller cost of adaptation of the "palhiço" (crop residues) was the one of the crop in bales following by the crop in bulk and finally for the system of crop of integral sugar cane. Emphasizing that analysis of the simulation should include both agricultural and industrial sections for not incurring in mistakes of isolated evaluation. It was also determined by linear equations that the "palhiço" can contribute with the increment of the additional energy readiness to the bagasse in the strip from 5,59% to 55,94% depending on the to suck cane plantation and of the percentile of adopted withdrawal, and the “palhiço” utilization is viable ____________________________________ Keywords: Sugar-cane; Palhiço; Co-generation; Alternative Energy; Biomass; harvesting. 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. Caracterização e importância do problema A energia alternativa, consubstanciada na proposta de MDL – Mecanismo de Desenvolvimento Limpo, contempla como princípio a preservação ambiental e a redução da dependência dos recursos da natureza, fazendo frente aos anseios da sociedade atual. O Brasil domina a tecnologia de produção de álcool que é considerada uma fonte energética alternativa de ciclo limpo. Possui terras agriculturáveis a serem cultivadas para a geração de combustível alternativo visando atender a demanda mundial e o comércio de crédito de carbono como “commodity” ambiental. Entretanto, atualmente, para a colheita manual tem sido aplicada a pré- operação de queima dos canaviais perdendo a energia contida nesta fração da biomassa denominada por palhiço e fere os princípios de conservação ambiental preconizados nas recomendações da Agenda 21. Além disso, a legislação estadual, Lei 11.241 de 19/09/2002, prevê que a partir do ano 2020 a pré-operação de queimada dos canaviais deverá ser totalmente abolida no Estado de São Paulo. (DOE 2002) e o processo já teve seu início com metas anuais de redução cada vez maiores sobre a área a ser colhida. O palhiço, e que concentra boa parte da energia atualmente perdida nas queimadas, foi definida por Ripoli e Ripoli (2004) como sendo: “material remanescente sobre a superfície do talhão após a colheita, principalmente, a mecanizada, constituído de folhas verdes, palhas, ponteiros e ou suas frações; frações de colmos (industrializável ou não); eventualmente frações de raízes e partículas de terra a eles aderida”. 2 No entanto, o tamanho do particulado que constitui o palhiço é bem diferente do bagaço o qual é bastante homogêneo e diz respeito a fibra contida nos colmos e na matéria- estranha vegetal que passou pelos processos de desfibramento e esmagamento nas moendas. Apresenta, em média, 50% de umidade. Tal característica do palhiço tem causado obstrução no sistema rotativo, de alimentação mecânica das caldeiras, e dificultando a eficiência da queima das caldeiras de alta pressão que operam com leito fluidizado ao invés de grelhas. A alternativa que vem sendo empregada para contornar o problema de obstrução e de eficiência de queima tem sido a mistura do palhiço com os colmos de cana-de- açúcar antes do processo de desfibramento, permitindo o fracionamento do tamanho do particulado. Este sistema é antagônico, pois prejudica a eficiência de extração bem como aumenta o teor de fibra industrial, reduzindo a capacidade de moagem de acordo com a fórmula de Hugot (1984). Assim, torna-se necessário um estudo para determinar rotas tecnológicas de menor custo para o aproveitamento dos resíduos da colheita e otimização das tecnologias de produção sucroalcooleira de cogeração, adequando o tamanho do particulado da fração da biomassa a ser agregada ao bagaço. A hipótese deste estudo é que, por meio da técnica de modelagem matemática, pode-se chegar à rota tecnológica de menor custo, ou seja rota econômica para o aproveitamento do palhiço como fonte de cogeração de energia elétrica no setor sucroalcooleiro, para ser comercializada junto às concessionárias privadas, bem como conhecer qual será o incremento de geração de energia que o palhiço oferecerá com relação ao bagaço. 1.2. Objetivos Os objetivos, deste estudo, foram os de: • Verificar se a utilização da modelagem matemática poderá ser empregada na avaliação do melhor sistema operacional a ser adotado, reduzindo os custos, risco e tempo de testes. 3 • Examinar qual seria o procedimento operacional de menor custo de processamento na adequação do palhiço para diferentes formas de ser recebido na unidade industrial. • Determinar a potência gerada pelo palhiço quanto ao incremento de energia potencial que existe no palhiço em relação ao bagaço devido à sua importância na matriz energética de fontes alternativas do tipo biomassa. Desta forma, acredita-se que o aproveitamento do palhiço como fonte adicional de combustível misturado ao bagaço poderá se tornar efetivamente uma fonte de biomassa para ser empregada na cogeração e propiciar a agregação de renda pela comercialização da energia elétrica na rede pública e com isso colaborar na eliminação da pré operação de queimada dos canaviais para a colheita da matéria prima e melhorar a qualidade do ambiente atendendo à legislação ambiental brasileira, às recomendações da Agenda 21 e ao protocolo de Kyoto. E no futuro, também, propiciar a comercialização do "commodity" ambiental tendo em vista que mais de 55% dos países causadores da poluição mundial assinaram o acordo de redução de 8% das emissões de CO2 na atmosfera tendo como base o ano de 1990 e que passa a vigorar mundialmente a partir de fevereiro de 2005. 4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Considerações de ordem geral De acordo com as informações da ONU (1992). em 1972, um grupo de empresas analisando os cenários e as tendências do futuro das gerações com os modelos de desenvolvimento dos países, da forma em que estavam sendo feitas, explorando os recursos da natureza sem um equilíbrio sustentável, o mundo entraria em crise comprometendo este futuro. Esta reunião ficou conhecida como o encontro de Estocolmo e a partir disso, os marcos teóricos possibilitaram entender a evolução dos cenários e as tendências do desenvolvimento mundial. Neste encontro ficou evidenciado que os recursos da natureza eram finitos, principalmente, no que diz respeito à disponibilidade de água potável e energia de fontes fósseis. Na seqüência, os cientistas e estudiosos começaram a determinar a melhor forma de se ter o desenvolvimento dos países de modo sustentável, preservando a natureza e assim o futuro das gerações e, em 1992, ocorreu no Brasil o encontro de diversos países e organizações mundiais, denominado ECO-92 e produziu as recomendações denominadas como Agenda 21, ONU (1992). Dentre estas recomendações ficou evidenciado que o desenvolvimento sustentável exige que o mercado e o ambiente sejam questões integradas, devendo haver ações que minimizem a pobreza, incentivando a agricultura sustentável, mudando os padrões de consumo, otimizando os recursos disponíveis, minimizando os rejeitos, com o uso de tecnologias ambientalmente saudáveis e menos dependentes dos recursos finitos da Terra. 5 Recomenda, ainda a Agenda 21, ONU (1992), a proteção da atmosfera terrestre evitando a destruição da camada de ozônio e a poluição do ar, priorizando as fontes renováveis de energia, a prática de conservação do uso do solo, com aumento da produtividade, a rotação de culturas, a redução de agrotóxicos e o combate ao desmatamento, evitando a utilização de queimadas que degradam o solo e as fontes de água, com perdas da vida silvestre e da biodiversidade, além do aquecimento global, reconhecendo que as florestas e plantas são sorvedouros de CO2. Assim deverá, por meio da educação, ser fomentada a conscientização ambiental promovendo o desenvolvimento sustentável, fortalecendo valores e ações ambientalmente corretas nas atitudes de tomadas de decisões. Estes fatos são bem destacados no estudo da Agenda 21 Por dez anos os países em desenvolvimento procuraram seguir estas recomendações, segundo Eston (1990), visando a redução dos impactos ambientais e suas formas de empregar estas recomendações, muitas das quais, nunca executadas, e em 2002, em uma nova reunião foi formalizado o Protocolo de Kyoto, onde, os países signatários se comprometeram a reduzir 8% das emissões de CO2 na atmosfera tendo como base o ano de 1990. Alguns destes países não encontraram solução imediata de redução do CO2 na atmosfera, que compromete a camada de ozônio que protege a Terra dos raios solares prejudiciais a saúde e promotores do aquecimento global. Entretanto, o Brasil, um país continental com grandes extensões de terra agriculturável pode perfeitamente explorar, por meio da agricultura sustentável, atividades que venham a atender as necessidades mundiais e, assim, colaborar com a melhoria da qualidade de vida da Terra, aproveitando-se das oportunidades que estão sendo apresentadas frente à problemática mundial. O Brasil já domina a tecnologia de produção do álcool carburante produzido por meio de fonte alternativa e renovável e de ciclo limpo (cana-de-açúcar), que conta com uma área plantada de aproximadamente 5 milhões de hectares e que representa, apenas, 1,3% da área total disponível para a atividade agrícola. O uso do álcool como fonte renovável de energia é de fundamental importância no balanço da matriz energética mundial dada a sua contribuição dos benefícios ambientais e a geração de postos de trabalho, pois, permite reciclar o CO2 da atmosfera por meio do processo fotossintético, atendendo uma das recomendações da Agenda 21. 6 No Brasil, a exploração canavieira sempre contemplou economicamente o valor do açúcar contido na matéria-prima que é processado para a obtenção de açúcar, de álcool ou aguardente e seus derivados. Estudos mostram que a energia contida na matéria-prima e que lhe confere alto poder calorífico nunca ou quase nunca foi valorizada no Brasil, pois não havia até a poucos anos o comércio regular e de longo prazo que incentiva a sua transformação em energia elétrica, para ser comercializado na rede pública. Deste modo, apesar de existir tecnologia de cogeração de alta eficiência no mundo, as unidades industriais brasileiras não foram concebidas para plena exploração do potencial energético da cultura canavieira. A tecnologia adotada é a de incineração do bagaço para a geração de energia elétrica utilizada internamente e da queima do palhiço, para facilitar o corte manual. Germek (1985). Recentemente, segundo Koblitz (2004), o Brasil revisou a sua matriz energética e acompanhando a tendência mundial de valorização de fontes renováveis, tais como a eólica, e de biomassas, passou, a partir de 2000, a contemplar o uso de fontes renováveis de energia sob novas leis e decretos. Estes definiram formas de comercialização da energia elétrica brasileira por meio de leilões, assegurando por longo prazo, as garantias para a amortização do capital investido no sistema de cogeração abrindo espaço e oportunidade para comercialização de 1.100MW de energia de fontes de biomassa, na qual a fibra da cana se destaca juntamente com os resíduos do processamento de cereais e de serragem da madeira. Na lavoura, os sistemas de colheitas foram modelados por Sartori (2001) e valorizados seus custos por Ripoli (2003) e outros autores, porém não se encontrou material que orientasse qual seria o menor custo do processamento do palhiço na unidade industrial recebido no pátio até a alimentação do sistema de cogeração misturado ao bagaço. Algumas tentativas estão sendo empreendidas no setor sucroalcooleiro, segundo Cela (2003) tais como a mistura do palhiço na matéria-prima, e assim reduzindo o tamanho dos particulados que constituem o palhiço e que tem causado problema de entupimento do sistema alimentador de bagaço das caldeiras, (figura 1), dificultando seu emprego na forma originária da lavoura mas isso reduz a capacidade e a eficiência do processo de extração e pode comprometer a qualidade do produto final como fica evidenciado nos comentários de Hugot (1984) e explicitados na sua equação de avaliação da capacidade de moagem. A equação de Hugot (1984) para avaliar a capacidade de extração de um tandem de moagem é a seguinte: 7 C = [0,8K {c n (1-0,06 n D) L D2 √N }] ÷ f sendo: C = Capacidade de Moagem em TCH. K = fator relativo a alimentação forçada f = Fibra na cana expresso em fração decimal. c = Coeficiente relativo ao preparo da cana. n = rpm Rotação por Minuto do primeiro terno. L = Comprimento dos rolos em metros. D = Diâmetro dos cilindros em metros. N = Número total de rolos Figura 1: Sistema de alimentação de bagaço nas caldeiras segundo Hugot (1984). Na impossibilidade de testar sistema e procedimentos no mundo real devido a seus elevados custos e riscos bem como estudar variações e compreender o sistema de modo a prever as situações futuras pode-se empregar a técnica da modelagem matemática, ou simulação para a busca de soluções, e que foi desenvolvida a partir do problema para definir a blindagem de reatores nucleares, que ocorreu em 1940 e que foi solucionada por Von Newmann e Ulam de acordo com Silva (2003) no projeto conhecido como análise de "Monte Carlo" em que os custos e riscos não permitiam a elaboração de testes no mundo real. Depois deste estudo a modelagem matemática e simulação passaram a fazer parte como instrumento de gestão na tomada de decisão das pesquisas. Segundo Sartori (2001), Vieira (2003), Ripoli (2004), apesar do país dominar a tecnologia de produção sucroalcooleira, e dos trabalhos do setor agrícola sobre o poder Bagaço / Palhiço 12 rpm Palhetas rotativas 8 calorífico disponível no palhiço da cana-de-açúcar serem altamente significativos, a energia nele contida vem sendo pouco aproveitada pelo setor industrial na cogeração para fins de comercialização na rede pública. Avaliando a situação brasileira nota-se que atualmente o Brasil conta com uma área de 851 bilhões de hectares dos quais 376 milhões de hectares estão disponíveis para a agricultura e apenas 5 milhões de hectares são utilizados pela cultura da cana-de-açúcar o que representa cerca de 1,3 % da área disponível para a atividade agrícola. Vieira (2003). O Brasil foi o único país do mundo que conseguiu desenvolver, em nível comercial, uma alternativa energética para os combustíveis fósseis segundo Eston (1990), pois o ciclo cana/etanol é considerado um produto de ciclo limpo e apresenta seguinte análise para justificar a afirmação: "Um hectare de plantação produz, por ano, 75 toneladas de cana-de- açúcar, que fornecem 8,5 toneladas de açúcar ou 5.400 litros de álcool e 19,5 toneladas de bagaço, com 50% de umidade. No processo de produção agrícola, a queima do canavial produzem 1,2 tonelada de CO2 e absorve 0,9 tonelada de oxigênio da atmosfera". A queima deste bagaço, que produz quase a mesma energia que o álcool, libera quatro toneladas de CO2. Por sua vez, os 5.400 litros de álcool, ou 4,27 toneladas, sendo queimados, produz 8,2 toneladas de CO2. Portanto, o ciclo combustível total da cana-de-açúcar emite para a atmosfera 13,4 toneladas de CO2. Pois bem: esta mesma quantidade de cana retira da atmosfera para crescer, 109 toneladas de CO2 e devolve 70 toneladas de oxigênio. Resumindo, o ciclo cana/etanol retira da atmosfera cerca de oito vezes o CO2 que produz, enquanto a queima da gasolina produz três toneladas de CO2 por tonelada de combustível sem nenhuma compensação, e produz outros poluentes muito mais nocivos". Este autor comenta ainda que a pré operação de queima do canavial em condições não reguláveis e otimizadas para a colheita gera 1,2 toneladas de CO2 e que é perdido para a atmosfera e que poderia ser aproveitado, com a queima otimizada em caldeiras para a geração de vapor também proporcionaria a geração de energia elétrica adicional pelas unidades industriais. Vieira (2003) informa que das 308 unidades industriais, 128 estão localizadas no Estado de São Paulo e foram responsáveis pela moagem de 192 milhões de toneladas de cana-de-açúcar na safra 2002/2003 o que representa 60% da produção brasileira em uma área de 2,35 milhões de hectares plantados com esta cultura. A safra de 2002/2003 foi responsável pela produção de 448 milhões de sacas de 50kg de açúcar e de 12,5 bilhões de litros de álcool 9 sendo as 128 unidades industriais do Estado de São Paulo responsáveis pela participação de 64%do açúcar, 66% do álcool anidro e 56% do álcool hidratado do país. A fibra da cana-de-açúcar e o palhiço oriundos desta nova situação de corte mecanizado com recolhimento do resíduo da colheita irão permitir uma maior cogeração de energia elétrica nas unidades industriais. Isso trará benefícios para o desenvolvimento sustentável do setor sucroalcooleiro brasileiro e de sua matriz energética com novas fontes de energia renovável e limpa de acordo com Ripoli (2004) Para Feller (2003) a colheita da cana crua pode seqüestrar da atmosfera 1,6 toneladas de carbono por hectare por ano enquanto que o plantio direto de grãos pode seqüestrar de 0,4 a uma tonelada de carbono por ano por hectare. Neste sentido, a unidade industrial típica, produtora simplesmente de açúcar e de álcool deverá no futuro se transformar em uma ilha de produção de energia alternativa, com o aproveitamento energético total da cana-de-açúcar, Germek (1985) O emprego das técnicas de pesquisa operacional ou “operations research” permitirá a construção de modelos operacionais com abordagem científica para fins de resolução de problemas para a administração executiva, contribuindo para a tomada de decisões, Wagner (1986). A área industrial tem cobrado do setor agrícola matéria-prima rica em sacarose e com a menor quantidade de resíduos estranhos, visando facilitar a produção de açúcar e álcool de acordo com Stupiello (2001). A colheita mecanizada, sem a queima do canavial é crescente cada vez mais no setor sucroalcooleiro, diminuído a quantidade de terra contida nesta matéria-prima, mas tem aumentado a quantidade de resíduo vegetal, trazendo benefícios ao meio ambiente e à saúde do ser humano, de acordo com Ripoli (2004). Este resíduo vegetal, remanescente da cultura canavieira, rico em energia representa uma fonte alternativa para a cogeração de energia elétrica agregando valor na agroindústria sucroalcooleira. Este material é definido como palhiço, (figura 2), por ser constituído de palha, folhas verdes, ponteiros, terra e outros materiais vegetais e representa uma fonte de biomassa para a geração de energia, segundo Ripoli (1991). 10 Figura 2: Foto das frações que constituem o palhiço e que causam obstrução do sistema rotativo de alimentação das caldeiras. Foto Stupiello (2001). Diversos estudos foram desenvolvidos para definir o melhor sistema de recolhimento deste material para ser empregado na cogeração de energia, destacando-se os sistemas de recolhimento do palhiço a granel empregando-se colhedoras de forragem, autopropelidas ou de arrasto, recolhimento com enfardamento feito por meio de autopropelidas ou de arrasto do tipo de fardo prismático ou cilíndrico ou por sistema de enfardamento por meio de prensas algodoeiras e de colheita integral com as colhedoras operando com os sistemas de corte do palmito e limpezas, por ventilação, desligados, Ripoli (2001). Os estudos neste sentido foram esgotados segundo Ripoli et al (2003) no que diz respeito ao custo da tonelada deste material posto no pátio da unidade industrial ou do custo da energia contido na tonelada do palhiço na unidade industrial para cada sistema de recolhimento que pode ser expresso pela equação: BE=[1-(CC/EP)].100 sendo: BE = Eficiência energética. CC = Equivalente energético da quantidade de combustível consumido pelas máquinas e veículos envolvidos em um determinado sistema. EP = Equivalente energético do palhiço posto na usina. 11 Para Ripoli et al (2003), o sistema de recolhimento de palhiço a granel, (figura 3), emprega combustível nas operações de enleiramento, (figura 4), de recolhimento propriamente dito, de transporte e de descarregamento e com maior porcentagem de terra no material e que irá afetar no teor de energia contida no palhiço e produz maior compactação do solo, além de problemas nos equipamentos e processos da agrotransformação. Figura 3: Foto do sistema de recolhimento de palhiço a granel, após enleiramento. Foto: Stupiello (2001). Este mesmo autor comenta que o sistema de enfardamento (figura 5) também exige combustível nas operações de enleiramento, (figura 4), de enfardamento, de carregamento, de transporte e de descarregamento no pátio, causando também compactação do solo devido ao uso de máquinas e equipamentos nestas operações como a do sistema anterior. Figura 4: Foto do sistema de enleiramento do palhiço que antecede o processo de recolhimento a granel ou em fardos. Foto Ripoli (2001). 12 Figura 5: Fotos do sistema de recolhimento com enfardamento do palhiço por sistemas, cilíndrico ou retangular e o mecanismo de manuseio e transporte de carga seca. Foto Ripoli (2003). O sistema de colheita integral, (figura 6), é o que compacta menos o solo por utilizar uma única passagem na operação de corte e colheita, evitando a agregação de terra no material a ser transportado. A terra na matéria-prima causa problemas de erosão de equipamento, bombas e de tratamento do caldo. De acordo com Ripoli et al (2003). Além disso, de acordo com este autor, a eliminação da limpeza da matéria prima na lavoura diminui o consumo de combustível na operação e permite reduzir o custo da colhedeira de cana-de- açúcar, que está sendo uma tendência tecnológica do setor eliminando o sistema de corte superior dos colmos e de ventilação, simplificando a estrutura de apoio e manutenção de colheita. Figura 6: Foto do sistema de colheita integral da cana-de-açúcar e matéria estranha vegetal com o sistema de corte de palmito e limpeza desligado. Foto: Stupiello (2001). Entretanto, segundo Ripoli (2004) este sistema de colheita integral, (figura 6), exige a limpeza de pré-tratamento das impurezas de origem vegetal, (figura 7) antes do 13 processo de extração, junto à unidade industrial e consumirá energia com o acionamento de motores elétricos, mas economizará em diesel, combustível fóssil. Há que se destacar que a energia elétrica é produzida por cogeração deste próprio material residual da colheita e da extração - bagaço e palhiço. Cuba, um dos países do Caribe produtor de açúcar e de derivados da cana-de- açúcar, segundo Lazzarini (1999) emprega este sistema de limpeza mecânica, (figura 7), com eficiência, que são conhecidos como centros de "acópio" ou recepção e de limpeza e que o Brasil poderá a vir adotar tal prática, já que o preparo do terreno para o cultivo da cana-de- açúcar tem sido aplicado para evitar a incorporação de terra na matéria-prima e o material a ser separado deverá ser constituído de colmos picados e palhiço. Figura 7: Esquema de limpeza de cana-de-açúcar a seco existente no Brasil Fonte:Techpetersen. Há que se destacar que o atual sistema de pagamento de cana pelo teor de sacarose - PCTS, aos fornecedores, só leva em consideração o teor de açúcar e penaliza a fração fibra industrial e, os trabalhos de melhoramento da cana-de-açúcar têm esbarrado no antagonismo da elevação do teor de fibra na cana com o aumento do teor de sacarose. Stupiello (2001). 14 2.2. A cana-de-açúcar Situando agronomicamente a cultura que está sendo estudada neste trabalho, a cana-de-açúcar é classificada botanicamente como pertencente à grande família Poacea do gênero Saccharum e as principais espécies são a officinarum L., a spontaneum L., sinense Roxb., Barberi Jesw., robustum Jesw e edule Hask. É originária da Oceania particularmente da Nova Guiné a conhecida como cana nobre ou tropicais. Graner et al (1973). Estes autores descrevem como sendo uma planta propagada por meio de pedaços de colmos denominados toletes. Os colmos são formados por nós e entre-nós (meritálo) que na base apresentam uma zona de radículas de onde saem as raízes finas e fibrosas formando um sistema fasciculado muito desenvolvido. O colmo é cilíndrico, grosso e no topo saem as folhas da base dos nós, de forma alternada com bainhas invaginantes com pelos lignificados conhecidos como joçal; podendo ou não apresentar inflorescência do tipo panícula. Existem diversas variedades cultivadas no Brasil fruto do cruzamento híbrido das espécies na busca de variedades resistentes às moléstias e com elevado teor de sacarose armazenados nas células do meritálo. Para Delgado (1985), da planta emprega-se na agroindustrialização os açúcares do meritálo e as fibras do colmo e a existência do "joçal" que dificulta a colheita ncentivou o uso generalizado das queimadas visando a sua eliminação para a colheita manual, O atual perfil varietal apresenta baixo teor de fibra, principalmente nas mais ricas em açúcar e precoces, força os geneticistas, segundo Stupiello (2001), à procura por fontes alternativas de energia. 2.3. O setor produtor de cana-de-açúcar A cana-de-açúcar é produzida no Brasil desde a sua colonização, trazida pelos portugueses e é considerada um dos principais agronegócios brasileiros que na safra 2002/2003 produziu 448 milhões de sacas de 50kg de açúcar e 12,5 bilhões de litros de álcool e, segundo Vieira (2003), é considerado um dos principais produtos que influenciam positivamente na balança de divisas brasileira. 15 A produtividade média da cultura da cana-de-açúcar em 2002, segundo Vieira (2003), foi de 71,3t/ha no Estado de São Paulo, mostrando que esta matéria-prima energética é muito bem adaptada às condições edafo-climáticas brasileiras. A cana-de-açúcar produz, além do açúcar e do álcool, uma série de produtos e sub-produtos, segundo Paturau (1982) e Lazzarini (1999). E que além de ser responsável pela produção de diversos produtos e sub-produtos a atividade canavieira gera muitos postos de trabalho, principalmente no campo e para pessoas menos qualificadas que tem dificuldade de arranjar trabalho que exige maior grau de capacitação, com quem também concorda Vieira (2003). Inicialmente, na época colonial o corte da cana-de-açúcar era realizado pelos escravos, e para aumentar o rendimento do corte foi introduzido o uso do fogo como forma de despalha e eliminação do joçal, porém esta prática traz o inconveniente agrícola de reduzir a quantidade de matéria orgânica e o ressecamento do solo e piora a qualidade tecnológica industrial, de acordo com Graner (1973). No início do Proálcool - Programa Nacional do Álcool, começou a ser introduzido o corte manual após a queimada da lavoura como forma de aumentar o rendimento do trabalhador de acordo com Delgado (1985). Com os problemas surgidos em Guariba-SP, nos anos 70, onde os cortadores de cana realizaram greves na busca de melhores condições de trabalho igualando direitos iguais aos da cidade e que cortavam manualmente a cana-de-açúcar queimada, começou o setor a empregar máquinas para o corte mecânico da lavoura, podendo ser queimada ou crua. A introdução do corte mecânico se deu pelo Estado de São Paulo em escala comercial em 1973, seguido do Estado de Alagoas, segundo Ripoli (1977). Este autor comenta que o corte mecânico é crescente no setor canavieiro e que no Estado de São Paulo e na safra 1990/2000 operavam 390 unidades. Na safra 2001/2002 a quantidade subiu para 508 respondendo pela mecanização de 30 a 35% das lavouras paulista, porém a declividade do terreno tem sido a principal restrição à introdução desta sistemática de corte. O aumento do corte mecânico e a limpeza na lavoura da cana-de-açúcar provoca maior uso de diesel no sistema para movimentar as máquinas e equipamentos. Para Silva (1996), uma destilaria de capacidade de produção de 150.000 litros de álcool por dia 16 consome 1.695.000 litros por ano o que equivale à 10.660 barris de óleo diesel ou 35.534 barris de petróleo por ano. Neste sentido, todos os esforços que forem possíveis de serem executados com a finalidade de reduzir o consumo será vantajoso, pois a relação etanol/diesel é de 13,3:1, A prática da queimada dos canaviais cresceu segundo Delgado (1985) e se constituiu uma prática consagrada para o aumento do rendimento de corte até que os problemas ambientais e de saúde começaram a incomodar os habitantes dos municípios canavieiros. Aliado aos problemas dos habitantes, iniciou-se em 1972, em Estocolmo, a conscientização dos problemas ambientais com as recomendações da Agenda 21 que condenava a prática agrícola das queimadas ONU (1972). Legislações surgiram em 1988 regulamentando a prática das queimadas como operação de pré-colheita e Ripoli & Paranhos (1987) começaram a discutir o assunto e recomendando a eliminação desta prática por questões ambientais, de saúde e principalmente por estar perdendo a energia contida nesta parte da cultura que era queimada. No Estado de São Paulo, existe a Lei no. 10.547, de 02 de maio de 2000, que foi regulamentada pelo Decreto no. 45.869 de 22 de junho de 2001, definindo os procedimentos e as proibições e também estabelecendo regras e medidas de preocupação quanto ao uso da pré-operação de queimada dos canaviais e recentemente modificada pela Lei no.11.241 de 19 de setembro de 2002. De acordo com a reportagem da revista Alcoolbrás (2003) a ONU - Organização das Nações Unidas reconheceu a cogeração de energia elétrica através da queima de bagaço da cana-de-açúcar como um exemplo de energia limpa e renovável e que o aquecimento global oriundo da emissão de gases causadores do efeito estufa vem gerando preocupações mundiais e que em breve alguns países poluidores terão que comprar o direito de poluir, através do crédito de carbono e isso irá estimular as unidades sucroalcooleiras a aumentar a sua capacidade de geração de energia. 17 2.4. A operação de pré-colheita utilizando a queima da lavoura, o ambiente e a saúde Delgado (1985), estudando os aspectos tecnológicos da cultura canavieira determinou pontos favoráveis e desfavoráveis deste sistema de queimada como operação de pré-colheita. Outros autores, o Centro de Tecnologia da Copersucar (1986), Copersucar (1998), Copersucar (2001a), Copersucar (2001b) e pesquisadores do Programa Nacional de Melhoramento da Cana-de-açúcar – PLANALSUCAR, também estudaram o assunto que sempre foi muito controvertido e chegaram às mesmas conclusões básicas de Delgado (1985). Par este autor a prática da queimada cresceu no início do Proálcool para aumentar o desempenho de corte, principalmente o manual e baratear a colheita. Embora esta prática diminuísse o potencial de matéria orgânica no solo e destruísse os inimigos naturais das pragas da lavoura, facilitava a operação de manejo agrícola do solo para o plantio e aumentava o teor de cinza do solo. Porém, a queimada dificultava a conservação e a purificação do caldo para a fabricação do açúcar, aumentava o brix aparente dos colmos de cana queimada, bem como do teor de fibra, causado pela desidratação provocada pelas exudações oriundas das queimadas. Estas exudações facilitavam o crescimento microbiano e a aderência de terra nos colmos, por ocasião da formação dos eitos de colheita, levando mais matérias estranhas para a indústria e solubilizando as ceras da casca dos colmos. A adoção da sistemática da limpeza, pela lavagem dos colmos da cana-de-açúcar com água na indústria para diminuir as matérias estranhas, que produzem corrosão de equipamentos, tubulações e bombas de recalque e como conseqüência exigem o tratamento da água de lavagem que produz problemas de ordem ambiental por exigir maior quantidade de demanda biológica de oxigênio para tratar este resíduo. Porém, esta queimada da pré-operação de colheita, segundo os estudos, causava perdas de cerca de 30% da matéria bruta. Este material poderia ser queimado na caldeira para a geração de vapor e ser aproveitada como fonte alternativa de energia tendo como matéria prima a biomassa da cana-de-açúcar. Kirchhoff et al (1991) comenta que os gases resultantes das queimadas da cana- de-açúcar causam efeitos negativos à saúde pois o monóxido de carbono combina-se com a hemoglobina do sangue, diminuindo a capacidade de oxigenação dos tecidos animais e afeta a camada de ozônio. Complementa ainda, que no período de safra canavieira o teor de ozônio aumenta de 30ppb – parte por bilhão, para 80ppb e que a média brasileira varia de 20 a 40ppb. 18 Depois vieram os estudos de Franco (1992) que chegou à conclusão que não é só a cultura da cana-de-açúcar a causadora dos problemas ambientais devido a prática das queimadas, mas que o problema é agravante por causa desta cultura porque a safra ocorre em períodos longos em grandes extensões de áreas concentradas e isto vem causar danos à saúde das populações por deteriorar a qualidade do ar. Para Bohm (1998), as queimadas além de causar problemas de saúde causam irritações nervosas de cunho emocional por causa do carvãozinho e Silva & Froes (1998) afirmam que além dos problemas ambientais os gases emanados da queima dos canaviais contem 40 tipos de hidrocarbonetos policílicos aromáticos (HPAS) e apresentam propriedades cancerígenas às populações que vivem nestes ambientes próximos. Recentemente os estudos de Cançado (2003) mostraram que os gases resultantes da queima dos canaviais agem sobre a hemoglobina do sangue reduzindo sua capacidade de ação e conseqüentemente o ser humano fica mais propenso a ficar doente incrementando os gastos com a saúde pública nas regiões canavieiras. Entretanto, Lazzarini (1999) comenta que em Cuba emprega-se a limpeza mecânica da cana-de-açúcar proveniente do corte integral sem queima em estações de recepção e limpeza denominadas centros de "acópio", (figura 08) onde fortes correntes de ar separam as frações resultantes em um resíduo de matérias estranhas da ordem de 51kg por tonelada de cana processada e comenta ainda que estão instaladas mais de 900 estações deste tipo. Figura 8: Fotos com detalhes de um sistema de limpeza a seco de colmos de cana-de-açúcar, implantada no Brasil. Fotos Techpetersen (2003). 19 Segundo Lazzarini (1999) esta tecnologia permite eliminar a operação da queima do canavial como operação de pré-colheita evitando todos os males ambientais e de saúde provocados por esta operação. Os artigos de Ripoli et al (1991a) e Ripoli et al (1991b) mostram ser um desperdício a não utilização do palhiço na geração de energia alternativa e que o potencial de energia contida na biomassa resultante da cultura da cana-de-açúcar é muito importante para a cogeração, agregando valor ao agronegócio sucroalcooleiro. Mostram que a operação de queima do canavial para a colheita é desastrosa para o meio ambiente e para a saúde indo de encontro às recomendações do Protocolo de Kyoto e mostram também que é possível colher a cana-de-açúcar sem a queima. Além disso, que é possível se aproveitar da energia dos resíduos vegetais, no caso do "palhiço", na geração de energia alternativa renovável. 2.5. A lavoura de cana-de-açúcar e os resíduos da pós-colheita Orlando Filho et al (1998) afirma que a maior cobertura vegetal proporciona uma maior capacidade de retenção de água e conseqüentemente da umidade que é responsável pelas propriedades físicas, químicas e biológicas. Estudos realizados por este autor mostram que a adição da matéria orgânica no solo promove a formação e a estabilização dos constituintes do solo melhorando as suas características físicas e químicas em função de facilitar a aeração, infiltração de água e sua retenção. Entretanto, apesar das vantagens e benefícios relatados sobre os benefícios da matéria orgânica no solo, Carvalho (1996) comenta que o excesso da palha deixada no campo após a colheita dificulta os tratos culturais com conseqüências negativas na produtividade da rebrota e de soqueiras, mas que no final não interfere no número de colmos finais na lavoura. O mesmo comenta Andrade, (1999) que o aumento de resíduos da colheita no campo independentemente da pré operação de queimada dos canaviais causam perdas na produtividade da soqueira e efeitos na incidência de plantas infestantes. Luca (2002) estudando os atributos da matéria orgânica e os atributos do solo em sistema de colheita com e sem queimada concluiu que em curto período de suspensão da operação de queimada da cana-de-açúcar, quatro a cinco anos, resultará na melhoria da 20 qualidade do solo, como conteúdo da matéria orgânica do solo, estruturação e fertilidade química. Para Medeiros (2001) o manejo das plantas daninhas e o dinâmico banco de sementes são influenciados pelo teor de palha resultante da colheita mecânica da cultura da cana-de-açúcar sem queima e que experimentos de duração de cinco anos mostraram que as áreas de cana crua apresentaram a menor necessidade de aplicação de herbicidas pré- emergentes para controle das plantas daninhas. Molina (1991) realizou estudos obtendo resultados positivos com o recolhimento do palhiço por enfardadeira cilíndrica adaptada à cultura da cana-de-açúcar para fins de geração de energia em complementação ao bagaço e concluiu ser atrativo economicamente, pois a biomassa descartada com a queima equivaleria a um terço do peso dos colmos industrializáveis. Estudos realizados por Ripoli (1996) mostraram que nesta época o Estado de São Paulo tinha 55% de sua cana-de-açúcar colhida mecanicamente e que se fosse considerada a quantidade de palhiço resultante desta colheita haveria a economia de 25% da energia em petróleo que o Brasil importou em 1994. Há de destacar que a área plantada neste ano foi de 2.200.000ha no Estado e que o palhiço representava 50% do resíduo da colheita. Neste trabalho de Ripoli (1996) deixa claro que palhiço é formado pela fração da cana-de-açúcar constituída por folhas verdes, ponteiros e palha e que passou a partir deste estudo a ser empregado como uma nova palavra para o setor canavieiro, diferente de palha e fibra da cana que confunde muitas pessoas na contabilização de dados sobre a quantificação de energia contida nesta biomassa. Estudos anteriores realizados por Ripoli e Villa Nova (1992), quantificaram os resíduos da pós-colheita da cana mecânica e crua constituída por folhas, pontas e palha que eram da ordem de 32% em média e que isto era um desperdício de energia para o Brasil. Tillmann (1994) considera excessivamente prejudicial a queima do canavial sobre a qualidade de vida, os aspectos ambientais e energéticos e que apesar do aumento dos custos operacionais do corte de cana crua a possibilidade do uso de resíduos na produção de energia é vantajoso. Avaliou o desempenho do corte com equipamentos semi-mecanizados com cana-de-açúcar com e sem queima concluindo que apesar da perda de eficiência da 21 colheita nos canaviais não queimado o uso da biomassa, ou seja o palhiço, com o aproveitamento energético disponível evidenciava benefícios ambientais. Outros estudos realizados por Ripoli (1995) mostraram que o manejo operacional da máquina de corte de cana crua influenciam a quantidade do resíduo da colheita e que a operação em canas eretas mesmo quando cortada manualmente tem efeito sobre o rendimento operacional e a qualidade do resíduo deixado pós-colheita. Anos depois, Ripoli (2002) mostrou que este resíduo do corte mecânico, o palhiço, dependendo de condições de campo produz uma biomassa com poder calorífico equivalente à madeira e superior ao bagaço resultante da moagem da cana-de-açúcar e que isto poderia agregar valor ao setor. Estudos desenvolvidos por Torrezan (2003) avaliaram o desempenho operacional das operações de enleiramento e enfardamento prismático do palhiço da cana-de- açúcar colhida mecanicamente e sem a pré-operação de queima em cultura com produtividade de 78t/ha e a composição do palhiço analisado mostrou índices médios de 68,93% de folhas, 21,44% de colmos, 2,27% de ponteiros e 6,36% de matérias estranhas totais. Este material apresentou valores médios de PCS – Poder Calorífico Superior de 18,43MJ.kg-1 e de PCI – Poder Calorífico Inferior de 17,00MJ.kg-1 e se mostrou altamente eficiente o recolhimento do palhiço com um consumo de combustível de 0,18 litros por tonelada resultando em um balanço energético positivo de 99,95%. Estudando os resíduos da colheita mecânica e crua Abramo Filho et al (1993) encontraram uma camada de 8 a 10cm de espessura nas áreas após a colheita e medindo a temperatura do solo encontraram valores de 5oC abaixo da temperatura ambiente e constataram que a variação da quantidade de resíduo era dependente das condições de operação da colhedora de cana-de-açúcar. Orlando Filho et al (1998) comenta que o resíduo da colheita mecânica produz uma camada de 8 a 10cm de espessura sobre a área colhida e que se este material fosse levado para a indústria poderia gerar perdas e aumentaria o peso a ser transportado da ordem de 15 a 30%. Sartori (2001) comenta que o resíduo da colheita constituinte do palhiço ainda é pouco explorado no Brasil e ainda se queima a cana-de-açúcar para facilitar a colheita manual e que a camada de resíduo pós-colheita representa uma fonte de biomassa com valores na 22 faixa de 6t/ha a 22,8t/ha dependendo da variedade plantada e que para Ripoli (1998) representa uma média de 10t/ha de massa vegetal enquanto Abramo Filho el al, (1993) encontraram uma quantidade de biomassa de resíduos de colheita de cana não queimada de 15t/ha e Campos & Marconato (1994) 15,6t/ha. As pesquisas desenvolvidas pela ESALQ/USP, Copersucar e Unicamp nos últimos dez anos de acordo com Ripoli (2003) apresentam valores médios da ordem de 4 a 12 toneladas de palhiço por hectare expresso em matéria seca e que as variações que ocorrem são devidas às condições agronômicas de cultivo e das condições edafo-climáticas da região mas que em termos médios o valor energético do palhiço é na faixa de 1,1 a 2,2 Equivalentes de Barris de Petróleo o que torna de vital importância o uso desta biomassa como fonte alternativa de geração de energia elétrica tornando vantajoso o aproveitamento do palhiço e de se colher a cana crua. Para Lazzarini (1999) a produção do setor açucareiro é capaz de produzir grande quantidade de matéria orgânica que pode ser empregada como energia e a principal dificuldade do aproveitamento está no recolhimento deste resíduo, pois mesmo no caso do corte mecânico resta no solo de 11 a 12t/ha, e que Cuba instalou mais de 900 centros de limpeza mecânica por ventilação forçada para separar as frações cuja quantidade é de cerca de 51kg/t de cana processada de resíduos. Para se ter uma idéia da capacidade destes centros de limpeza comenta que um deles processa 680t/dia de cana. 2.6. Matriz energética brasileira No Brasil, destaca-se como matriz energética, o petróleo com cerca de 35% da energia total consumida, sendo que deste total 15% é utilizado pelo setor industrial (Brasil, 1984). Existe uma corrente mundial que procura meios alternativos menos poluidores para substituir as fontes energéticas de origem fóssil, considerada altamente poluidora e assim, a utilização de biomassa passa a ser uma das alternativas que no país representa cerca de 19% do consumo nacional dos quais, 47% são empregados pelas indústrias brasileiras Brasil, (1984). 23 Há que se destacar que a cultura da cana-de-açúcar, segundo Sartori (2001) é uma das alternativas de grande potencial, pois possibilita produzir uma biomassa residual estimada em 25 milhões de toneladas por ano, para o Estado de São Paulo. Ripoli (2002) comenta que a origem da energia de um canavial de área de 1ha permite produzir 39% de palhiço, 24% de etanol e 37% de bagaço e que em comparação com os custos de geração de energia elétrica no mundo expresso em US$/MWh as usinas hidroelétricas custam de US$ 25 a 30, as que empregam resíduos ultraviscoso de US$ 30 a 50, as usinas com reatores nucleares de US$ 60 a 100 e as que empregam o carvão de US$45 a 70 e que além disso os custos para a geração de um posto de emprego nas unidades industriais do setor petroquímico são da ordem de US$ 220.000, no setor automobilístico US$ 91.000 e no setor sucroalcooleiro de US$11.000. Os combustíveis gasosos e líquidos derivados de biomassa podem substituir em parte os derivados de petróleo. Segundo Doat (1977) o poder calorífico é a quantidade de calor liberado pela combustão de uma unidade de massa desse corpo expressa em cal/g ou Kcal/kg podendo ser representadas pelo poder calorífico superior (PCS), poder calorífico inferior (PCI) e poder calorífico útil (PCU). O PCS é dito quando a combustão se efetua a volume constante e a água formada durante a combustão é condensada. No PCI a combustão é efetuada a pressão constante excluindo-se a água condensada. De acordo com Sartori (2001) a maioria dos sistemas que emprega biomassa como fonte de energia não seca o material a 0% de umidade e assim o melhor sistema para se expressar o poder calorífico do palhiço é o PCU – Poder Calorífico Útil, que é derivado do PCI, e calculado pela fórmula PCU = PCI (1-u)-600u. Zulauf et al (1985), determinaram o teor de umidade, a porcentagem de hidrogênio, o PCS e PCI das folhas da cana-de-açúcar de algumas variedades e chegaram aos seguintes resultados que são apresentados na tabela 1: 24 Tabela 1: Poder calorífico superior – PCS e poder calorífico inferior – PCI das folhas de cana- de-açúcar Região Variedades Umidade (%) Hidrogênio (%) PCS (kcal/kg) PCI (kcal/kg) Bauru SP 701143 21,3 5,0 4315 3073 Araraquara NA 5679 9,1 4,0 4181 3563 Campinas CP 5122 11,3 4,0 4098 3389 Ribeirão Preto SP701143 8,0 4,0 4096 3534 Piracicaba NA 5679 18,6 3,4 3979 2992 Fonte: Zulauf (1985). O bagaço produz cerca de 30kWh/t de cana-de-açúcar podendo com a utilização de novas tecnologias de cogeração chegar à produção de 140kWh/t (Cogeração. 1997) e que de acordo com Biagi Filho (1999) possibilita receber até R$ 80,00 o MW quando comercializada pela usina para as companhias de energia do Estado de São Paulo. Para Coelho (1999) a biomassa é importante para a cogeração de energia elétrica nas usinas e destilarias possibilitando aproveitar o potencial existente no Estado de São Paulo. A utilização desta biomassa residual de cana-de-açúcar no Estado de São Paulo permitiria a recuperação final de 34,8% da energia disponível na cultura podendo alcançar 60% gerando desta forma de 12 a 33 milhões de MWh no Estado e de 22 a 60MWh no Brasil Ribeiro Pinto. (1992) . Algumas unidades industriais sucroalcooleiras do Estado de São Paulo segundo a Alcoobrás (2003), já estão se preparando para o fornecimento do excedente de energia da cogeração para a rede pública podendo ser destacadas a Usina São Francisco e Santo Antonio do grupo Balbo de Sertãozinho-SP, que constituem a empresa Bioenergia Cogeradora S/A que juntas produzem 31MW e fornecem para a CPFL - Companhia Paulista de Força e Luz 63% desta energia e devem receber o certificado da ONU para comercializar os créditos ambientais. Outro exemplo é o da Companhia Energética Santa Elisa, em Sertãozinho-SP, que já está certificada para comercializar os créditos de carbono e está operando uma termoelétrica de 60MW das quais 50% será fornecido para a rede pública. Além destas existe a Usina Guarani de Olímpia-SP que gera 22,5MW/h dos quais 12,5MW/h são comercializados para a CPFL. O 25 mesmo ocorre com o Grupo Andrade de Colina - SP que começou a operar a Companhia Energética São José que na fase inicial irá produzir 15MW/h dos quais 11MW/h serão fornecidos à CPFL e na segunda fase aumentará para 24MW/h o que permitirá com energia alternativa e renovável atender um município de 75 mil residências mensalmente. Outra unidade industrial a produzir energia elétrica excedente para comercialização é a Companhia Açucareira Vale do Rosário que aumentou a sua planta de cogeração de 51MW para 101MW. Outros estados também estão participando do plano de ampliação de sua capacidade de cogeração para evitar que se repita a crise de 2001 que exigiu o racionamento de energia no Brasil. Assim a Usina Jalles Machado de Goianésia-GO está operando uma termoelétrica de 30MW/h. Em Alagoas as dez usinas existentes produzem energia para uso próprio e comercializam o excedente para a Companhia Energética de Alagoas - CEAL, mediante contratos, destacando-se que o nordeste não comporta mais novas hidroelétricas e a biomassa para ser uma alternativa o que inclui o bagaço. Para Ripoli & Molina Jr.et al (1991) 34,88% da energia contida em um hectare de canavial é representado pelo material residual constituído pelos ponteiros, folhas, palhas e frações do colmo, e que corresponde a 97.863,76MJ de equivalente energético de petróleo e que os custos de transporte deste material do campo para a unidade industrial é irrelevante, custando em média 1,4% da energia contida no mesmo material. Ripoli (1991). Zulauf et al (1985) estimam um desperdício de até 87.720Gcal/ano por safra de energia perdida pelo não aproveitamento desta biomassa residual da colheita da cana-de- açúcar o que equivaleria à importação de 342.000 barris de petróleo e uma economia de US$ 1.465.109. Koblitz (2004) informa que o Ministério de Minas e Energia do Brasil está buscando um novo modelo da matriz energética prevendo-se para o ano de 2004 vigorar uma matriz que contempla a inclusão do gás natural e a biomassa destacando que o setor sucroalcooleiro terá uma importância maior que a atual com o uso do bagaço.que o Proinfa concluiu a contratação de fontes de energia renovável de três fontes sendo a eólica contemplada com 1.100MW, a hídrica com 1.100MW e a biomassa somente 200MW dos 1.100 previstos. Comenta ainda que o potencial de geração de energia por meio de biomassa é 15 vezes maior que o licitado. 26 Segundo Koblitz (2004) falta interesse por parte dos investidores em fontes oriundas de biomassa e conclui que esta falta de interesse está na tarifa ofertada para a biomassa tornando o negócio não atrativo já que as condições de financiamento não são interessantes. Cita ainda que a energia eólica é 100% mais cara que a biomassa e isso acarretará prejuízos à sociedade brasileira considerando os motivos que a biomassa nacional, não é nova e é originária principalmente de resíduos agrícolas da indústria sucroalcooleira, da madeira e do beneficiamento do arroz e que descartados na natureza causa impactos ambientais. Além disso, existe tecnologia na fabricação de equipamentos e materiais empregados na construção de termoelétricas não necessitando importar o mesmo ocorrendo com a hidráulica. Porém não é o que ocorre com a energia de fonte eólica que exige infraestrutura de distribuição e importação de equipamentos. Pede que o Ministério das Minas e Energia do Brasil, responsável pela determinação dos valores econômicos das fontes de energia que faça uma reflexão e reveja os valores e sugere valores de pagamento da energia em Mwh na razão de R$110,00 contra os atuais R$93,77 para a cana-de-açúcar com base em março de 2004. 2.7. A tecnologia de geração de vapor, combustível e rendimentos Lazzarini (1999) comenta que no Século XIX que começou a ser utilizada a máquina a vapor no setor açucareiro empregando-se o bagaço como fonte de energia e que deveria, por concepção, ser totalmente consumido pelos fornos. O aproveitamento do calor desta combustão era de baixa pressão (1000kPa) e flutuava entre 50 a 60% e o uso de vapor pela fábrica correspondia a 50 a 55% do peso da cana processada. Comenta ainda que atualmente as caldeiras utilizadas empregam pressões de médias de (800kPa) e altas de (3.000kPa) com eficiência de 85% e que as exigências da indústria com esquemas de múltiplos usos, permitem reduzir o consumo em até 30% do peso da cana processada, assumindo neste conjunto a importância da lata conversão de energia térmica em elétrica para atender as necessidades do complexo industrial, destacando-se os centros de recepção e benefício de cana, pois na essência a usina é produtora de fibras e de açúcares. Que o teor calorífico do bagaço, com 50% de umidade, é de 1.825kcal/kg e que as reservas de energia que o processo tem quanto a possíveis excedentes de bagaço são de cerca de 50% quando se 27 faz um desenho ótimo para esses fins de produção de açúcar, enquanto que quando se otimiza para a cogeração os valores podem chegar a 100kWh/t de cana. Para Lazzarini (1999) o uso do vapor na fabricação de açúcar utiliza entre 4,0 a 7,0kg de vapor por kg de açúcar produzido dependendo do processo tecnológico adotado e devido às instalações deficientes e desenhos técnicos e de operação as perdas chegam a 50%. A eficiência, se define como o calor liberado pelo combustível menos as perdas; esta diferença se expressa como um percentual do calor liberado sobre a base do valor calorífico baixo ou alto do combustível e as principais perdas nas eficiências das caldeiras são de calor sensível dos gases da chaminé, por irradiação e por convecção. Além disso, informa que as perdas no forno, ou por combustão incompleta, são causados provocados por arraste de partículas não queimadas ou pelo grau do avanço da reação de formação do CO2, influenciadas ambas pelas características aerodinâmicas das instalações e pelo excesso de ar e a tecnologia desenvolvida nos últimos anos neste setor da caldeira tem permitido aumentar a eficiência. Segundo Lazzarini (1999), existem condições técnicas para trabalhar de forma eficiente e segura em instalações de cogeração de vapor com temperaturas de 450oC, sob pressão da ordem de 80 atmosferas (80kg/cm2) permitindo uma transformação energética de 120KWh por tonelada de cana independentemente do aproveitamento que se possa fazer do processo. O emprego de turbinas de extração-condensação é uma das soluções tecnológicas de poupança de bagaço e de geração de energia elétrica com aproveitamento do condensado no processamento industrial. O mesmo informa Koblitz (2004) que o Brasil dispões de tecnologia de produção de material e de equipamentos, (figura 9), para a cogeração de alta eficiência de transformação com base em fontes renováreis de energia como é o caso da biomassa da cana- de-açúcar. Para Peres (1978) o vapor é aplicado no aquecimento de qualquer sistema ou processo, transmitindo nos do tipo saturado e de baixa pressão o seu "calor latente" voltando ao estado líquido guardando o seu "calor líquido", na qualidade de água condensada. Pode ainda ser empregado para trabalhos mecânicos como veículo de geração de força e a sua melhor forma é do tipo superaquecido devido a sua grande capacidade de expansão e baixo peso específico e seu emprego industrial é em máquinas térmicas como as turbinas a vapor que transformam a energia térmica do vapor em movimento mecânico axial possibilitando 28 acionar outros sistemas como os geradores de energia elétrica. Este vapor, depois de utilizado pode ainda ser empregado no aquecimento e é denominado vapor de escape ou de contra- pressão. E também comenta que a determinação do rendimento, de uma caldeira, pode ser obtido pelo método direto ou indireto. No método direto é preciso se obter os dados sobre a quantidade de vapor = Q, a quantidade de combustível consumido em kg/h = q, a temperatura da água de alimentação = oC e ainda com o uso das tabelas empregando-se a pressão de operação e a temperatura do vapor obter a entalpia do vapor em kcal/kg = i. Com estes valores é possível determinar o rendimento dado por R aplicando a fórmula: R= Qv (i - t) / q . PCI – Poder Calorífico Inferior em %. No método indireto o rendimento da caldeira é obtido calculando-se as perdas da carga térmica da fornalha, indicada pela quantidade de calor obtida na queima. Comenta que se utiliza diversos tipos de combustíveis e que são materiais orgânicos, constituídos em sua grande parte por compostos de carbono suscetíveis de queimar e produzir em condições de ser utilizado eficientemente e que são classificados pelos seus estados físicos em sólidos, líquidos e gasosos. No caso dos combustíveis sólidos informa que o Brasil utiliza diversos tipos que apresentam em média um poder calorífico característico da região destacando-se o carvão (6.340kcal/kg a 4.750kcal/kg), a turfa (3.470kcal/kg a 2.520kcal/kg, a lenha (4.115kcal/kg a 3.300kcal/kg) e resíduos como o bagaço de cana (1.800kcal/kg), serragem (2.000kcal/kg), cavacos (2.500kcal/kg), casca de arroz (3.300kcal/kg), palha de trigo (3.200kcal/kg), palha de amendoim (3.100kcal/kg). No caso dos combustíveis líquidos a base é o petróleo bruto sendo os mais comuns o óleo combustível do tipo APF (alto ponto de fluidez) com 10.815kcal/kg, BPF (baixo ponto de fluidez) com 10.100kcal/kg, ATE (alto ponto de enxofre) BTE (baixo teor de enxofre), óleo diesel com 11.064kcal/kg, Querosene com 11.200kcal/kg, óleo "stanship" e misturas com 11.200kcal/kg, e o óleo de xisto betuminoso. Peres (1978) informa que em caldeiras de câmara alta e de alta pressão, (figura 9) não se utiliza de grelha o combustível deve estar em tamanho de particulados que permita insuflá-los como se fosse combustível líquido e que a reação química que libera calor na combustão. A combustão completa é quando a quantidade de combustível queima na sua totalidade. O hidrogênio livre se combina diretamente com o carbono para formar hidrocarbonetos CH2 e C2H2 os quais são inflamáveis e queimam com o oxigênio O2 do ar formando CO2 e H2O. Para que a combustão seja completa deve-se ter nos gases resultantes a 29 seguinte composição: CO2 +O2 + N2 = 100% e como N2 representa 79% dos gases CO2 + O2 = 21% mais ou menos e que para o caso dos combustíveis sólidos pode-se adotar a aproximação par 19%. Quando a combustão é incompleta o combustível se perde por não realizar a reação e os gases não queimados escapam contendo monóxido de carbono - CO e hidrocarbonetos - CH2 e C2H2 caracterizados pela fumaça escura e acúmulo de fuligem nas chaminés. O calor calorífico de um combustível é a quantidade de calor depreendido pela unidade de massa ou volume quando realiza a combustão completa indicada pela expressão kcal/kg ou kcal/m3 N. O bagaço utilizado para a geração de vapor de acordo com Paturau (1982) varia em função do tipo de caldeira dotada e conseqüentemente no consumo para a produção de açúcar. Nas indústrias antigas, a necessidade é na faixa de 500 a 550kg de vapor por tonelada de cana. Já nas indústrias modernas, (figura 9)que empregam baixa e média pressão, nas caldeiras, o consumo é na faixa de 450 a 500kg de vapor, por tonelada de cana, nas que empregam média e alta pressão o consumo passa para 400 a 450kg por tonelada de cana. Uma economia que permite o uso do excedente para outras finalidades sendo uma delas a cogeração para comercialização da energia elétrica para as concessionárias privadas. Figura 9: Foto de duas caldeiras de alta pressão 65kg/cm2 com o sistema de alimentação de bagaço da câmara de queima de leito fluidizado e das esteiras de distribuição do bagaço operando com pá carregadora. Usina Santa Adélia. Foto Carleto 2004. Quanto à densidade do bagaço, Paturau (1982) considera que solto apresenta- se com 160kg/m3 e quando em fardos grandes na faixa de 550kg/m3 e nos fardos pequenos ao redor de 890kg/m3. Esteiras de distribuição de bagaço Alimentador rotativo Pá carregadora 30 A tecnologia tradicional utilizada na cogeração das usinas e destilarias brasileiras para uso próprio, emprega processos com equipamento de caldeiras de média pressão com 20 kgf/cm2 e turbinas de modelo de contra-pressão, que são utilizadas apenas nos períodos de safra. Para o uso como unidades de geração de energia termoelétrica, que operam 365 dias por ano o processo exige caldeiras de alta pressão como as do tipo apresentados na figura 9 e turbinas de condensação de alta pressão e alta temperatura, (65 bar/520oC ou ainda 86 bar/540oC), que pode ser fornecida pelo mercado nacional. de acordo com Alcoobrás (2003). Estes autores, Peres (1978), Lazzarini (1999), Koblitz (2004), são unânimes em afirmar que o uso do bagaço na geração de energia térmica e elétrica no setor sucroalcooleiro é normal há muitos anos. Porém, mostram que o balanço energético e a eficiência empregada nas tecnologias implantadas nas unidades industriais brasileiras são projetadas para não deixar sobrar bagaço no final do processamento, pois não teriam como aproveitá-lo apesar de existir tecnologia de geração de vapor de alta eficiência devido a falta de garantia de retorno do capital investido por prazo razoável pela comercialização da energia elétrica. Para Alcobrás ((2003) com a possibilidade atual de comercialização da energia elétrica para as redes públicas a situação se apresenta diferentemente possibilitando alteração tecnológica das unidades industriais com vistas à otimização energética para um balanço de maior lucratividade. 2.8. Energia da biomassa Como pode ser notado nos comentários dos diversos autores retro mencionados, que os combustíveis são constituídos por fontes de carbono de origem fóssil ou vegetal e que de acordo com Stout (1984) a fonte de biomassa para geração de energia alternativa é todo o tipo de matéria orgânica que não provem de combustíveis fósseis. Assim, os diversos resíduos apresentados como fontes de energia que provem de resíduos agrícolas podem ser caracterizados com combustíveis de biomassa destacando-se a serragem de madeiras, os restos de culturas de trigo, amendoim, arroz e cana-de-açúcar, cavacos de madeiras conforme explicitado por Peres (1978), podendo se constituir em um sistema ideal de desenvolvimento auto-sustentável integrando o meio ambiente e o ser humano conforme preconizado pelas recomendações da Agenda 21, ONU (1992). 31 De acordo com Rípoli et al (2000), o montante de energia contida no resíduo da colheita é significante e constitui um material para a produção de energia elétrica. As análises laboratoriais e as determinações por equações forneceram quantidades médias de palhiço, em PCS – Poder Calorífico Superior e PCI- Poder Calorífico Inferior, remanescente em t/ha da ordem de: 13,51 (CC-I - Cana crua I), 8,09 9 (CQ-I – Cana queimada I) e 24,32 (CC-II – Cana crua) e 10,25 (CQ-II - Cana queimada). Tais massas de acordo com Furlani Neto et al, (1997) representam respectivamente os PCS – Poder Calorífico Superior (Mcal/t) de 4.365 (CC-I Cana crua), 4.430 (CQ-I- Cana queimada) e 4.460 (CC-II- Cana crua), 4.485 (CQ-II - Cana queimada) (CQ = com queima prévia e CC = sem queima prévia) permitindo concluir que é marcante a quantidade de energia disponível no palhiço e se forem transformados em barris equivalentes de petróleo (EBP) se obtêm o valor de 0,76 EBP/ha que está sendo desperdiçado nos canaviais. Entretanto, Furlani Neto et al (1996), comentam que a colheita da cana-de- açúcar sem a queima reduz a capacidade das colhedoras em cerca de 15,60%, mas que a qualidade tecnológica da matéria-prima sem queima foi superior em brix, pol e fibra o que representa um acréscimo de 0,54% na qualidade de PCC – Pol da cana corrigida, ou seja, 601,4kg de pol por hectare. Para Brito (1986) a biomassa pode ser um componente energético ideal para o desenvolvimento sustentável das civilizações da América Latina e do Brasil e para tal deve-se definir uma opção bastante clara para o desenvolvimento de tecnologias e políticas públicas na busca da autonomia energética com base na energia alternativa e renovável como é o caso do álcool etílico, dos óleos vegetais e da biomassa florestal conhecidos como combustíveis verdes que utilizam a tecnologia verde, não poluente e renovável de acordo com Peres (2001). Perrone (1977) informa que a biomassa é uma fonte não finita como é o caso dos combustíveis fósseis - Petróleo e carvão, pois pode ser produzida principalmente nos países de clima tropical que dispõe de sol para a realização do processo de fotossíntese que produz os açúcares como é o caso do Brasil, permitindo utilizar resíduos de diversas culturas. Molina Jr. et al (1995) verificou que o potencial de energia calorífica contida no palhiço dos canaviais após a colheita e desperdiçada pela queimada da operação de pré- colheita em canaviais de segundo e terceiro corte da variedade SP706163 representa no momento da colheita de uma massa de 33,85 com variação de 9,83 para mais ou para menos 32 de toneladas por hectare e o poder calorífico PCI – Poder Calorífico Inferior correspondente é da ordem de 3.982,57 variando 796,97 para mais ou para menos de kcal/kg o que equivale em energia à 19.202,52 litros de etanol ou 7.626,53 litros de óleo diesel, o que torna interessante a sua utilização como fonte geradora de calor. Rosa (1977) citado por Ripoli (1977) comenta que a capacidade fotossintética da cana-de-açúcar segundo é de 1,6% da energia solar incidente sobre a cultura é transformada em energia química. Para Leite & Pinto (1983) do resultado do esmagamento de uma tonelada de colmos pode-se obter 250 kg de bagaço com 50% de umidade e com poder calorífico inferior (PCI) de 1.790kcal/kg e a 20% de umidade o poder calorífico inferior (PCI) sobe para 3.244 kcal/kg. Já a Copersucar (1986) emprega os valores de 260kg de bagaço por tonelada de cana com 50% de umidade. Esta variação pode ser resultado da variedade de cana-de-açúcar utilizada na indústria, porém nota-se que a umidade do bagaço resultante da extração por moenda é comum, com valor de 50%. A disponibilidade de biomassa nas diferentes regiões é defendida por Lanças (1984) como uma das vantagens de empregar biomassa como fonte de energia renovável e não poluidora em larga escala contribuindo para melhoria ambiental. Estudos realizados no Hawai pela - Hawaiian Sugar Planters Association (1987), com diferentes resíduos de biomassa originários da cultura da cana-de-açúcar permitiram conhecer o poder calorífico em função da umidade dos resíduos estocados durante 3 meses apresentados no tabela 2 a seguir: Tabela 2: Poder calorífico e umidade de diferentes resíduos canavieiros estocados. Tratamento/resíduo Umidade (%) Poder calorífico (PCS) em BTU.lb-1 Resíduo fresco e coberto 20,1 5.078 Resíduo fresco e descoberto 12,8 5.344 Resíduo velho e coberto 16,1 4.737 Resíduo velho e descoberto 11,6 5.713 Fonte: Hawaiian Sugar Planters Association 1987 33 Estudos realizados em Cuba por Aguilar et al (1989) com resíduos de cana-de- açúcar não queimada para fins energéticos e que foram comparadas com o bagaço, obtiveram os seguintes resultados com estes resíduos agrícolas de cana com 33,78% de umidade e apresentando 4.774,0kcal/kg de poder calorífico (PCS) enquanto que para o bagaço foram encontrados 47,98% de umidade e poder calorífico de 4.902,3kcal/kg. Ripoli (1991) comenta que o material remanescente da colheita que é queimado na operação de pré colheita, representa em termos equivalente energético de cerca de 30,89 barris de petróleo por hectare no campo o que equivale a 18,53 barris por hectare na usina. Neste sentido o consumo energético de transferência do campo para a usina é de 1,4% da energia nele contido. As conclusões de Ripoli, et al (1998) em estudos sobre o efeito da queima na matéria prima mostram que existe uma perda econômica significativa para as unidades industriais de processamento da cana-de-açúcar e que a exudação provocada nos colmos é estimada em 43,7 litros por hectare o que significa 877.400 litros por safra para uma usina que emprega 20.000ha de canavial. Estudos realizados no Brasil pela Bagatex (1984) mostraram que o bagaço apresentava poder calorífico de 1.790kcal/kg, a palha 3.600kcal/kg e os ponteiros com a palha 2.280kcal/kg e estimaram que o potencial energético dos resíduos da colheita sem queima era da ordem de 87,72 x 1012 kcal/ano de energia. Para Hugot (1984) o peso específico aparente do bagaço varia de acordo com o sistema de armazenamento na faixa de 160kg/m3 até 800kg/m3 e na tabela 3 apresenta-se a diversa faixa em função de seu estado. Tabela 3: Peso específico aparente do bagaço. Especificação Peso específico aparente kg/m3 Bagaço amontoado 160 a 240 Bagaço solto 80 a 120 Bagaço solto em caminhão 160 a 180 Bagaço solto em esteira 130 Bagaço fresco em fardos 400 a 600 Bagaço briquetado (12% de umidade) 700 a 800 Fonte: Hugot (1984) 34 Em termos de poder calorífico superior - PCS o que corresponde à base da matéria seca e útil que tem base a umidade atual do material a ser processado e no seu teor de hidrogênio elementar, as biomassas apresentam valores significantes de acordo com diversos autores para serem utilizadas como fontes de energia alternativas. Para visualizar as variações em função do material Ripoli (2003) construiu a tabela 4 que concentram algumas destas fontes de energia, com os seus valores médios de PCS poder calorífico superior e PCU poder calorífico útil. Tabela 4: Valores médios de PCS – poder calorífico superior e PCU – poder calorífico útil de algumas biomassas, em kcal/kg. Biomassas PCS PCU Colmos de sorgo 4.273 - Capim napier 4.369 - Palha de pinus spp 4.870 - Carvão vegetal 7.500 6.798 Palha de cereal 4.445 - Madeira molhe 4.950 4.576 Bagaço de Cana-de-açúcar 4.560 1.926 Folhas verdes de cana-de-açúcar 4.412 1.318 Palhas de cana-de-açúcar 4.420 3.608 Ponteiros de cana-de-açúcar 4.350 899 Frações de colmos de cana-de-açúcar 4.426 675 Palhiço de cana-de-açúcar 6.668 4.441 Fonte: Ripoli (2003) 2.9. Comércio de energia no Brasil e a legislação De acordo com Moraes (2001), a principal fonte de produção de energia elétrica no Brasil é de origem hidráulica, que necessita de intensivo investimentos de capital. Com o esgotamento do setor público em investir no setor aliado a escassez de fontes economicamente viáveis e as crescentes exigências ambientais faz com que seja possível expandir fontes alternativas de produção e de venda. Deste modo o consumidor passa a receber ofertas 35 alternativas aumentando a competitividade surgindo concorrências de mercado o que possibilita o uso de tecnologia até então existente, mas não aplicada no setor sucroalcooleiro. A cogeração de energia é uma das alternativas a ser considerada. Pode se constituir, também, em uma nova oportunidade de negócios para a iniciativa privada, e para o poder público pode representar uma solução muito interessante para garantir o atendimento das suas necessidades de energia nos próximos anos. Germek (1985), já afirmava que o setor sucroalcooleiro deveria aproveitar, melhor o seu potencial e se constituir em ilha energética e não simplesmente na produção de açúcar e de álcool. Para Moraes (2001), para que seja viável a implantação da cogeração, é necessário que: • Exista o mercado para as diferentes formas de energia cogerada. • Este mercado seja garantido, pelo menos, para o período correspondente à vida útil do projeto. • O custo da energia cogerada, seja competitivo com relação a energia convencional, no horizonte da vida útil do empreendimento. • Existam garantias de suprimento de combustível. • Não ocorram restrições ambientais à implantação e manutenção do empreendimento. Para ser viável a implantação do empreendimento, a cogeração deve apresentar os seguintes atrativos: a) Para o sistema elétrico • Menores recursos de capital para geração elétrica ($/kW e instalado), comparada com a hidroeletricidade ou mesmo com plantas convencionais de termogeração elétrica. • Menores investimentos no sistema de transmissão de energia elétrica. • Redução das perdas de transmissão de energia elétrica; e • Melhoria na estabilidade do sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica. 36 b) Para o ambiente • Redução da carga térmica rejeitada para o ambiente ao utilizar forma mais eficiente a energia contida no combustível. • Postergação de ampliação de reservatórios de usinas hidroelétricas, ao substituir o insumo elétrico do sistema. • Redução dos poluentes dos efluentes gasosos - se o insumo da cogeração for um combustível mais limpo que o utilizado na produção do calor do processo. c) Para o empreendimento e o usuário da cogeração • Dependendo do processo de cogeração, pode haver maior flexibilidade na escolha de insumos (combustíveis) regionais. • Redução do impacto ambiental, dependendo do combustível utilizado na cogeração. • Aumento da participação de capital da iniciativa privada na produção de energia. • Possibilidade de modular a instalação de acordo com as necessidades do seu mercado. • Maior independência energética e maior controle e gestão dos custos totais da energia. • Maior eficiência energética global. O Ministério de Minas e Energia - MME do Brasil procurando incentivar o surgimento de fontes alternativas às das hidroelétricas sugeriu valores econômicos a serem emp