Tecnologias de aproveitamento

Combustão direta
Cogeração
Craqueamento
Digestão anaeróbia
Fermentação
Gaseificação
Hidrólise
Liquefação
Pirólise
Transesterificação

Combustão direta

Combustão é a transformação da energia química dos combustíveis em calor, por meio das reações dos elementos constituintes com o oxigênio fornecido. Para fins energéticos, a combustão direta ocorre essencialmente em fogões (cocção de alimentos), fornos (metalurgia, por exemplo) e caldeiras (geração de vapor, por exemplo). Embora muito prático e às vezes conveniente, o processo de combustão direta é normalmente muito ineficiente. Outro problema da combustão direta é a alta umidade (20% ou mais no caso da lenha) e a baixa densidade energética do combustível (lenha, palha, resíduos etc.), o que dificulta o seu armazenamento e transporte (ANEEL, 2005).

Cogeração

O processo de cogeração é a geração simultânea de energia térmica e mecânica, a partir de uma mesma fonte primária de energia. As formas de energia útil mais frequente são a energia mecânica (movimentar máquinas, equipamentos e turbinas de geração de energia elétrica) e a térmica (geração de vapor, frio ou calor). A energia mecânica pode ser utilizada na forma de trabalho, por exemplo, no acionamento das moendas em usinas sucroalcooleiras, ou transformada em energia elétrica através de geradores de eletricidades. A energia térmica é utilizada neste setor como fonte de calor para processos em geral.

Craqueamento

O processo de craqueamento consiste na quebra das moléculas do óleo e gordura, levando à formação de uma mistura de compostos químicos com propriedades muito semelhantes às do diesel de petróleo, mistura essa que pode ser usada diretamente em motores convencionais do ciclo diesel (combustão interna com ignição por compressão). Esta reação é realizada a altas temperaturas, na presença ou ausência de catalisadores (SUAREZ, 2005).

Digestão anaeróbia

A digestão anaeróbia, assim como a pirólise, ocorre na ausência de ar, porém nesse caso o processo consiste na decomposição do material pela ação de microrganismos (bactérias acidogênicas e metanogênicas). Trata-se de um processo simples, que ocorre naturalmente com quase todos os compostos orgânicos.

O tratamento e o aproveitamento energético de dejetos orgânicos (esterco animal, resíduos industriais etc.) podem ser feitos pela digestão anaeróbia em biodigestores, onde o processo é favorecido pela umidade e aquecimento. O aquecimento é provocado pela própria ação das bactérias, mas, em regiões ou épocas de frio, pode ser necessário calor adicional, visto que a temperatura deve ser de pelo menos 35°C.

Em termos energéticos, o produto final é o biogás, composto essencialmente por metano (50% a 75%) e dióxido de carbono. Seu conteúdo energético gira em torno de 5.500 kcal por metro cúbico. O efluente gerado pelo processo pode ser usado como fertilizante (ANEEL, 2005).

Fermentação

Fermentação é um processo biológico anaeróbio em que os açúcares de vegetais como a batata, o milho, a beterraba e, principalmente, a cana de açúcar são convertidos em álcool, por meio da ação de microrganismos (usualmente leveduras). Em termos energéticos, o produto final, o álcool, é composto por etanol e, em menor proporção, metanol, e pode ser usado como combustível (puro ou adicionado à gasolina – cerca de 20%) em motores de combustão interna (ANEEL, 2005).

Gaseificação

Gaseificação é um processo de conversão de combustíveis sólidos ou líquidos em gasosos (chamado de producer gas ou gás pobre), por meio de reações termoquímicas, envolvendo vapor quente e ar, ou oxigênio, em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão).

Algumas variações do processo produzem uma mistura gasosa especial, conhecida como gás de síntese ou syngas, basicamente rica em hidrogênio e monóxido de carbono, que pode ser usado na síntese de qualquer hidrocarboneto (LORA et al., 2008).

De forma geral, o gás produzido a partir da gaseificação da biomassa tem muitas aplicações práticas, desde a queima em motores de combustão interna e turbina a gás para a geração de energia mecânica e elétrica; ou a geração direta de calor; ou ainda como matéria-prima na obtenção de combustíveis líquidos, tais como diesel e gasolina, metanol, etanol, amônia, hidrogênio, e outros produtos químicos, através de processos de síntese química catalítica.

Apesar de a gaseificação apresentar vantagens significativas sobre a queima direta da biomassa ou de combustíveis fósseis, algumas desvantagens técnicas devem ser levadas em consideração em relação a essa tecnologia: a gaseificação é um processo tecnicamente mais complicado de realizar do que a queima direta da biomassa, devendo-se ter especial atenção com a limpeza dos gases (LORA et al., 2008).

Hidrólise

Hidrólise é a “quebra” da biomassa lignocelulósica, que é composta por polissacarídeos em açúcares menores para eventual fermentação e produção de etanol. Os processos de conversão do material lignocelulósico em etanol são diferenciados principalmente quanto aos métodos de hidrólise e fermentação, estágios esses que estão menos amadurecidos tecnologicamente. Os processos de hidrólise podem ser divididos em duas categorias: aqueles que usam os ácidos minerais (diluído ou concentrado), como por exemplo o ácido sulfúrico, e os que usam enzimas (MOREIRA, 2005).

Comparativamente, a hidrólise com ácido diluído se encontra em um estágio mais avançado que as demais, mas com altos limites de rendimento (50-70%). A hidrólise com ácido concentrado apresenta rendimentos maiores e menores problemas com a produção de inibidores, só que a necessidade de recuperação do ácido e de equipamentos resistentes à corrosão compromete o desempenho econômico do processo. Já a hidrólise enzimática apresenta altos rendimentos (75-85%), e grandes melhorias ainda são esperadas (85-95%); além disso, a não utilização de ácidos pode representar uma grande vantagem econômica (equipamentos com materiais mais baratos e menor custo operacional) e ambiental (não há produção de resíduos) (HAMELINCK, 2005).

Liquefação

A transformação da biomassa, ou outras fontes fósseis de carbono, em produtos majoritariamente líquidos recebe o nome de liquefação. A liquefação pode ser direta ou indireta. Esta última consiste em produzir gás de síntese, CO + H2, por gaseificação e, com catalisador, transformá-lo em metanol ou hidrocarboneto. Já o processo direto se dá em atmosfera redutora de hidrogênio ou mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, sendo, portanto, uma forma de pirólise. Usam-se altas pressões, 100 a 200 atm e temperaturas de 400 a 600ºC. A biomassa é triturada em uma faixa granulométrica escolhida e misturada com algum solvente, formando uma suspensão com 10% a 30% de sólidos. O líquido mais comum é a água, entretanto, podem-se empregar meios orgânicos, como, por exemplo, óleo creosoto (que é uma fração do bio-óleo), óleo antracênico, etileno glicol ou tetralina (tetrahidroxi-naftaleno), um excelente doador de hidrogênio. Um catalisador pode ser adicionado à suspensão para agitação da massa reativa. O tempo de residência é difícil de ser mensurado devido à recirculação dos produtos para assegurar altas conversões, mas em geral levam-se minutos e, em alguns casos, poucas horas para reação (BOYLES, 1984; SOLTES, 1986 apud ROCHA, 1997).

Pirólise

A pirólise ou carbonização é o mais simples e mais antigo processo de conversão de um combustível (normalmente lenha) em outro de melhor qualidade e conteúdo energético (carvão, essencialmente). O processo consiste em aquecer o material original (normalmente entre 300°C e 500°C), na “quase ausência” de ar, até que o material volátil seja retirado. O principal produto final (carvão) tem uma densidade energética duas vezes maior que aquela do material de origem e queima em temperaturas muito mais elevadas. Além de gás combustível, a pirólise produz alcatrão e ácido piro-lenhoso.

A relação entre a quantidade de lenha (material de origem) e a de carvão (principal combustível gerado) varia muito, de acordo com as características do processo e o teor de umidade do material de origem. Em geral, são necessárias de quatro a dez toneladas de lenha para a produção de uma tonelada de carvão. Se o material volátil não for coletado, o custo relativo do carvão produzido fica em torno de dois terços daquele do material de origem (considerando o conteúdo energético).

Nos processos mais sofisticados, costuma-se controlar a temperatura e coletar o material volátil, visando melhorar a qualidade do combustível gerado e o aproveitamento dos resíduos. Nesse caso, a proporção de carvão pode chegar a 30% do material de origem. Embora necessite de tratamento prévio (redução da acidez), o líquido produzido pode ser usado como óleo combustível.

Nos processos de pirólise rápida, sob temperaturas entre 800°C e 900°C, cerca de 60% do material se transforma num gás rico em hidrogênio e monóxido de carbono (apenas 10% de carvão sólido), o que a torna uma tecnologia competitiva com a gaseificação. Todavia, a pirólise convencional (300°C a 500°C) ainda é a tecnologia mais atrativa, devido ao problema do tratamento dos resíduos, que são maiores nos processos com temperatura mais elevada (RAMAGE; SCURLOCK, 1996).

A pirólise pode ser empregada também no aproveitamento de resíduos vegetais, como subprodutos de processos agroindustriais. Nesse caso, é necessário que se faça a compactação dos resíduos, cuja matéria-prima é transformada em briquetes. Com a pirólise, os briquetes adquirem maiores teores de carbono e poder calorífico, podendo ser usados com maior eficiência na geração de calor e potência (LUENGO; BEZZON, 1997).

Transesterificação

Transesterificação é um processo químico que consiste na reação de óleos e gorduras com um produto intermediário ativo (metóxido ou etóxido), oriundo da reação entre álcoois (metanol ou etanol) e uma base (hidróxido de sódio ou de potássio) (RIBEIRO et al., 2001).

Os produtos dessa reação química são a glicerina e uma mistura de ésteres etílicos ou metílicos (biodiesel). O biodiesel tem características físico-químicas muito semelhantes às do óleo diesel e, portanto, pode ser usado em motores de combustão interna, de uso veicular ou estacionário (ANEEL, 2005).