Publicação: Sustainability of the utilization of biogas from sugarcane vinasse in electricity generation, transport fuel and natural gas substitution
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Data
2022-12-14
Autores
Orientador
Stradiotto, Nelson Ramos 
Coorientador
Pós-graduação
Bioenergia - IPBEN
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (inglês)
Brazil is the second largest producer of fuel ethanol in the world, having produced 35.6 million m3 in the 2019/2020 harvest. The main by-product of this production process is vinasse, an aqueous solution that is generated at a rate of approximately 13.4m3 for every 1m3 of ethanol, resulting in around 477 million m3 of vinasse in the 2019/2020 harvest. Currently, the most common practice adopted by production units is the use of vinasse in fertigation of sugarcane fields to take advantage of its potassium content and consequent reduction in fertilizer costs. However, the high cost of transporting vinasse restricts its application only to the areas closest to the production units, causing negative environmental impacts. It is in this context that the anaerobic digestion of vinasse emerges as an interesting alternative since it enables the production of biogas and/or biomethane (purified biogas) through the conversion of the organic load of vinasse, maintaining the potassium content in the reactor effluent, but reducing its polluting potential. Thus, the objective of this work was to evaluate the possibilities of using the biogas or biomethane produced in a specific case study, designed to represent most of the existing ethanol production units in Brazil today. Considering historical average data from 171 sugarcane mills in the State of São Paulo (region with the highest concentration of production units in Brazil), a production unit with a crushing capacity of 2 million tons of sugarcane and about 448 m3 of ethanol per day, generating around 6,000 m3 of vinasse per day directed to the anaerobic reactor for biodigestion. The production of around 55,650m3 of biogas per day was studied in three different uses: directly, 1) for electricity generation through internal combustion engines; and after purification (36,173m3 of biomethane), 2) as a substitute for diesel oil in heavy vehicles and 3) as a substitute for natural gas. From the results obtained, it was concluded that: a) analyzing environmental issues in isolation, quantified through the economic gain generated by the sale of carbon credits, the use of biomethane as a substitute for diesel oil in heavy vehicles was the most advantageous option; b) analyzing social issues in isolation, quantified by the increase in purchasing power resulting from the generation of jobs, the use of biogas to generate electricity was the most advantageous option and c) analyzing economically, through the calculation of the net present value (NPV ), and jointly the technical issues (revenue generated by the sale of final products), environmental (revenue generated by the sale of carbon credits), social (increase in purchasing power resulting from the generation of jobs) and political/strategic (effect of tax credits on generated revenue), NPV<0 for electricity generation, NPV~0 as a substitute for diesel oil in heavy vehicles and NPV>0 as a substitute for natural gas, indicating
that the injection of biomethane into the natural gas network was the most sustainable use among the three uses studied.
Resumo (português)
O Brasil é o segundo maior produtor mundial de etanol combustível, tendo produzido 35,6 milhões de m3 na safra 2019/2020. O principal subproduto desse processo produtivo é a vinhaça, uma solução aquosa que é gerada na proporção de aproximadamente 13,4m3 para cada 1m3 de etanol, resultando em cerca de 477 milhões de m3 de vinhaça na safra 2019/2020. Atualmente, a prática mais comum adotada pelas unidades produtoras é a utilização da vinhaça em fertirrigação dos canaviais para aproveitamento de seu teor de potássio e consequente redução de custos com fertilizantes. No entanto, o alto custo para transporte da vinhaça restringe sua aplicação apenas às áreas mais próximas às unidades produtoras, causando impactos ambientais negativos. É nesse contexto que a biodigestão anaeróbica da vinhaça surge como uma alternativa interessante visto que possibilita a produção de biogás e/ou biometano (biogás purificado) através da conversão da carga orgânica da vinhaça, mantendo o teor de potássio no efluente do reator, mas reduzindo seu potencial poluidor. Assim, o objetivo desse trabalho foi avaliar as possibilidades de usos do biogás ou biometano produzidos num estudo de caso específico, desenhado de forma a representar a maior parte das unidades produtoras de etanol existentes hoje no Brasil. Considerando dados médios históricos de 171 usinas de cana-de-açúcar do Estado de São Paulo (região com maior concentração de unidades produtoras no Brasil), considerou-se uma unidade produtora com capacidade de moagem de 2 milhões de toneladas de cana e cerca de 448 m3 de etanol por dia, gerando cerca de 6.000m3 de vinhaça por dia direcionada ao reator anaeróbico para biodigestão. A produção de cerca de 55.650m3 de biogás por dia foi estudada em três diferentes usos: de forma direta, 1) para geração de eletricidade através de motores de combustão interna; e após purificação (36.173m3 de biometano), 2) como substituto ao óleo diesel em veículos pesados e 3) como substituto ao gás natural. A partir dos resultados obtidos, chegou-se à conclusão de que: a) analisando as questões ambientais de forma isolada, quantificadas através do ganho econômico gerado pela venda de créditos de carbono, o uso do biometano como substituto ao óleo diesel em veículos pesados foi a opção mais vantajosa; b) analisando as questões sociais de forma isolada, quantificada pelo aumento do poder aquisitivo decorrente da geração de empregos, o uso do biogás para geração de energia elétrica foi a opção mais vantajosa e c) analisando economicamente, através do cálculo do valor presente líquido (VPL), e de forma conjunta as questões técnicas (receita gerada pela venda dos produtos finais), ambientais (receita gerada pela venda de créditos de carbono), sociais (aumento do poder aquisitivo decorrente da geração de empregos) e políticas/estratégicas (efeito dos créditos fiscais na receita gerada), obteve-se VPL<0 para geração de eletricidade, VPL~0 como substituto ao óleo diesel em veículos pesados e VPL>0 como substituto ao gás natural, indicando que a injeção de biometano na rede de gás natural foi o uso mais sustentável entre os três usos estudados.
Descrição
Palavras-chave
Idioma
Inglês
