segunda-feira, 13 de março de 2017

A importância da energia para a agroindústria

Atualmente, a necessidade de encontrar formas de energia renovável tem se mostrado cada vez mais importante. Na matéria de Tópicos especiais em energia elétrica, lecionada pelo professor André B. Mariano, nossa equipe aprendeu sobre a matriz energética brasileira e o papel do Npdeas - Soluções em Escala de Engenharia na UFPR. Para saber mais, basta dar uma olhada no texto a seguir!
Uma das maiores fontes de energia disponíveis na área rural e agroindústrias é a biomassa. Ela aparece na forma de resíduos vegetais e animais, tais como restos de colheita, esterco animal, plantações energéticas e efluentes agroindustriais. A biomassa é definida como toda matéria orgânica de vegetal (vegetação terrestre ou aquática), formada pelo processo de fotossíntese, o qual ocorre na presença da luz solar. Pode-se dizer que a biomassa é uma forma de armazenamento de uma pequena fração de energia solar que incide na superfície da terra, na forma de ligações moleculares orgânicas. Ao contrário da energia dos combustíveis fosseis, a biomassa é renovável e não contribui para o acumulo de dióxido de carbono na atmosfera terrestre, ou melhor todo CO₂ liberado durante o uso da biomassa é absorvido novamente no processo de fotossíntese para sua formação.
No Brasil, por ser um clima tropical, existe uma enorme quantidade de biomassa disponível devido à alta produtividade agrícola do país, porem a exploração desses resíduos na produção de energia ainda é muito baixo no país. A biomassa pode ser definida como derivados de organismos vivos destinados a ser utilizados como combustíveis, em termos de geração de energia. Em se tratando de ecologia, a biomassa é reconhecida como a quantidade de matéria viva em um ecossistema. Os combustíveis fósseis são derivados de vida animal ou vegetal, porém não se enquadram como biomassa. Afinal, a biomassa é uma fonte de energia renovável, ao contrário dos combustíveis fósseis. O processo de produção de energia proveniente da biomassa se deve a partir da combustão de material orgânico de um determinado ecossistema. Há várias formas de transformar a biomassa em energia, entre elas:
• Pirólise: Processo no qual a biomassa é exposta a altas temperaturas com a ausência de oxigênio. O resultado é uma mistura de óleos vegetais (líquidos), carvão vegetal (sólidos) e gases.
• Gaseificação: Da mesma forma que no processo citado acima, a biomassa é submetida ao calor intenso sem oxigênio, resultando um gás inflamável como produto final. Pode-se filtrar esse gás para remover componentes químicos. A diferença entre pirólise e gaseificação é que a última exige menor temperatura e resulta apenas em gás.
• Co-combustão: baseia-se na substituição de uma quantia do carvão mineral usado nas termoelétricas por biomassa.
• Combustão: Nesse caso, o oxigênio estará presente na queima da biomassa em temperaturas elevadas, resultando em alta pressão e vapor. Esse último normalmente será usado para mover turbinas ou em caldeiras. É um dos processos mais comuns atualmente e a eficiência energética chega até 25%.
Assim, há a redução de poluentes em larga escala. No Brasil, o crescimento do uso de energias renováveis vem crescendo nos últimos anos. E o uso de biomassa como umrecurso de energia é visto com bons olhos. A primeira termelétrica a biogás do Nordeste é a UTE Salvador. A usina fica localizada na capital baiana, num aterro no qual são depositadas 2,5 mil toneladas de lixo por dia. A Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) realiza estudos para a produção de biocombustível sólido, denominados briquetes. Os mesmos podem ser usados como substitutos de lenha em caldeiras de indústrias. Os briquetes são obtidos através da compactação de bagaço de cana-de-açúcar, casca de arroz, serragem e casca de amendoim. A geração de energia elétrica no estado do Paraná a partir da biomassa O estado do Paraná tem a agroindústria como sendo sua principal fonte de recursos, devido ao seu alto desenvolvimento nesse setor. Logo há uma grande disponibilidade de resíduos de biomassa (resíduos de soja, trigo, milho e outros). Portanto o estado do Paraná possui um grande potencial para a produção de eletricidade através da conversão de biomassa, por meio das tecnologias disponíveis atualmente. Segundo a Secretaria de Agricultura e Abastecimento do Paraná (SEAB), em 2000, os principais produtos agrícolas cultivados no Paraná são a soja, milho, trigo, arroz, cana de açúcar, algodão e feijão.
Em estudo realizado na Universidade Estadual do Oeste do Paraná (UNIOESTE), mostrou que o potencial teórico (desconsiderando a eficiência da conversão da biomassa em energia útil) de produção energia através da biomassa no estado do Paraná, em 2000, foi equivalente a 20% do consumo de derivados de petróleo no Brasil no mesmo ano, enquanto que o potencial técnico, que leva em conta a facilidade de coleta e transporte da biomassa e outros fatores que influenciam na produção da energia, correspondeu a 2,5% do consumo de eletricidade no Brasil. Dentro dos vegetais, os de soja milho e cana de açúcar apresentaram o
maior potencial para produção de energia. Relacionando se o potencial técnico com o teórico a eficiência media da conversão utilizada nas estimativas foi de aproximadamente 15%. Logo o Estado do Paraná apresenta um potencial técnico expressivo para viabilizar a geração de energia elétrica via biomassa de resíduos agrícolas. Em 2009, o Paraná possuía 33 usinas termelétricas que utilizavam a biomassa como combustível, totalizando aproximadamente 533400 kW de potência gerada.

Biomassa na UFPR através do NPDEAS
O Npdeas - Soluções em Escala de Engenharia realiza várias atividades de pesquisa para obtenção de biomassa a partir de microalgas. O cultivo das microalgas para obter-se a biomassa é realizado através de fotobiorreatores tubulares compactos. Essas microalgas são alimentadas através de dejetos de produções de suinocultura. Essa tecnologia é patenteada desde 2010 pelo NPDEAS, esses tubos são de baixo custo, porém altamente eficientes e constituídos de PVC. A biomassa de microalga é coletada periodicamente sem a necessidade de processos químicos ou físicos de esterilização pois a tecnologia e os equipamentos permitem que isso seja feito, além disso esses equipamentos não necessitam de frequente manutenção corretiva pelo fato de serem resistentes. A separação do mosto (mistura de matéria orgânica com agua) é feita através de operações unitárias como decantação, filtração, centrifugação, floculação, flotação e outras operações. Para uma produção de biomassa de microalgas para uma escala de produção industrial, é necessário um patrocínio governamental e privado elevado, para desenvolver uma tecnologia para obter-se a biomassa em larga escala. Os fotobirreatores do NPDEAS tambem são utilizados para outras aplicações como:
• Tratamento de Emissões: Os fotobiorreatores aproveitam o gás carbônico do ar atmosférico para a produção de biomassa e reduzindo o gás carbônico presente no ar.
• Tratamentos de Resíduos Agroindustriais: O NPDEAS faz o tratamento de resíduos agroindustriais de maneira muito eficiente através das microalgas. Esses efluentes que são tratados pelas microalgas causariam eutrofização e outros danos se fossem descartados de maneira irresponsável no meio ambiente. Então o custo da produção de biomassa é reduzido pois é utilizado os resíduos que outrora seria descartado.

Alunos: Jheni Faria, Leonardo Scherer, Pedro Roesler, Rafael Vidal Iachitzki (Disciplina TE078, Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR (Universidade Federal do Paraná) Prof. André B. Mariano)
A crescente demanda por energia tem sido um dos principais problemas mundiais atualmente e a busca por fontes de energia que não afetem o meio ambiente, estimulam cada vez mais o estudo sobre fontes renováveis a fim de fortalecer a matriz energética global e nacional. Segundo dados do Ministério de Minas e Energia (MME), em 2015, a energia renovável representava mais de 42% da matriz energética brasileira, com previsão para que, em 2024, esse valor aumente para 45%, ao passo que, levando em consideração apenas a energia elétrica, o uso de fontes renováveis, incluindo a hidrelétrica, chegava a 84%.

Representando juntas em 2015, 4,8% da matriz energética nacional, com previsão de que, em 2024, alcance 9,9% da escala nacional destaca-se entre as energias renováveis alternativas à geração hidrelétrica, a energia solar, eólica e a biomassa, esta última que será tratada em sequência com atenção especial a produção de energia na forma elétrica.

Do ponto de vista ecológico, biomassa é a quantidade de matéria orgânica presente num ecossistema, enquanto que na perspectiva de geração de energia, o termo biomassa envolve a matéria orgânica empregada como combustível, no qual não são contabilizados os habituais combustíveis fósseis que, apesar de ser oriundos de matéria orgânica, precisam de milhares de anos para se formar e, portanto, não se enquadram no quesito fonte renovável. O Governo Federal através do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) incentiva a geração de energia através de dejetos de cana de açúcar, lixo e esgoto que trazem vantagens não só energéticas, mas também ambientais. A biomassa é utilizada diretamente como combustível ou pela produção de energia através de processos de Gaseificação e Fermentação que se baseiam na conversão de matéria prima em um produto intermediário que será usado como combustível por uma máquina motriz para a produção de energia.

Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a biomassa representava, em 2016, 8,83% do total nacional, e das fontes de biomassa, o bagaço da cana de açúcar representava 78,2% do total, e os 11,8% restantes dividem-se em resíduos animais, resíduos urbanos, biocombustíveis líquidos e outros agroindustriais. É importante ressaltar que, de acordo com o último Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE 2024), a geração de bioeletricidade sucroenergética (energia elétrica proveniente do bagaço de cana-de-açúcar), que compreende todas as atividades agrícolas e industriais relacionadas à produção de açúcar, bioetanol e bioeletricidade, têm potencial técnico para chegar a mais de seis vezes o volume de oferta à rede de 2016, podendo alcançar a produção de quase duas usinas de Itaipu, com geração de até 165 TWh/ano até 2024, o plano também afirma que se o país aproveitar plenamente o potencial técnico da bioeletricidade da cana-de-açúcar, essa fonte tem capacidade de constituir 24% do consumo nacional da rede até 2024.
Nota-se que a energia renovável proveniente da biomassa é uma parcela importante da matriz energética nacional e tem potencial para constituir uma parcela ainda maior e mais importante no futuro se bem aproveitada. Projetos de pesquisa e desenvolvimento de energias sustentáveis, como o NPDEAS (Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável da UFPR), são muito importantes, pois desenvolvem estudos para garantir que todo esse potencial seja aproveitado ao máximo, utilizando todas as etapas do processamento da biomassa para a produção de energia elétrica de forma limpa e sustentável.

No estado paranaense, estudos vêm sendo realizados com o objetivo de verificar as potenciais fontes de energias renováveis do estado. Segundo o estudo realizado em 2016 pela CIEI&EXPO, o estado apresenta vasto campo a ser explorado no que tange as energias renováveis e, dentre as principais vertentes, destacam-se além, da energia hidrelétrica, a energia solar e energia provinda da biomassa, bastando apenas, segundo o estudo, políticas que fomentem investimentos públicos e privados no desenvolvimento energético do Paraná para que estes empreendimentos se tornem viáveis. Com relação à energia fotovoltaica, o estudo afirma que em termos de Brasil, o estado do Paraná apresenta um potencial elevado comparado aos melhores potenciais encontrados na Europa, com valores de produtividade total anual média de 1490 kWh/kWp (relação entre a geração total e a taxa de energia solar produzida pelo painel no horário de maior potencial). Comparado aos demais estados brasileiros, o Paraná encontra-se com média nacional inferior a 1%. A respeito do potencial energético da biomassa, as produções de soja, milho, cana-de-açúcar, pinus e eucalipto simbolizam uma parcela significativa do total produzido no Brasil, nos quais se obtém resíduos sólidos de Biomassa. O artigo aponta o Paraná no ano de 2004 como o segundo maior produtor florestal de silvicultura do Brasil, compreendendo carvão vegetal, lenha e madeira em tora, o estado apresenta também um alto número de fecularias, frigoríficos e laticínios, que são grandes fontes para a obtenção de biogás, além de outras fontes como resíduos urbanos, e as estações de tratamento de esgoto.
No Paraná, o Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável da UFPR (NPDEAS), trabalha no desenvolvimento da produção de microalgas e na obtenção de energia a partir delas. As microalgas além de possuírem um potencial energético por área muito maior que a soja, devido ao rápido desenvolvimento elas não necessitam de áreas para o plantio, assim, não concorrem com a produção de alimento, o que é um fator de grande importância quando o assunto é biomassa e utilização desta para o uso de combustíveis. Tal assunto é discutido no artigo Biofuel-related price transmission literature: A review.

A proposta do grupo NPDEAS é extremamente promissora, não apenas para o estado, mas com âmbito mundial, pois visa desenvolver tecnologias sustentáveis e corretas para tratamento e emissão de resíduos relacionados a produção de energia. Este grupo está desenvolvendo também um projeto de incinerador de resíduos sólidos, no qual todos os gases são filtrados por microalgas, e o calor da queima é utilizado em um gerador, para produzir energia elétrica.

Conclui-se que conduzir estudos e projetos no campo da geração de energia elétrica através da biomassa, e outras fontes sustentáveis, é de grande importância para o desenvolvimento da nação, pois, além de produzir energia sem emissão de gases do efeito estufa, traz uma solução para o problema do tratamento e eliminação dos resíduos sólidos, que deixam de poluir o meio ambiente e passam a fazer parte da matriz energética nacional.

O texto abaixo é uma demonstração de alguns dos assuntos tratados nas aulas do Prof. André B. Mariano na matéria de Tópicos Especiais em Engenharia Elétrica, a matéria traz vários tópicos como energia renovável e sua caracterização na matriz energética brasileira. Visto que este foi escrito apos uma breve visita ao Npdeas - Soluções em Escala de Engenharia, local que abrange diversos assuntos importantes e de grande desenvolvimento tecnológico.
Referências / http://www.smartenergy.org.br; Acesso em: 28-02-2017, as 14:32 / http://www.copel.com; Acesso em: 28-02-2017, as 14:57 / http://brasilescola.uol.com.br; Acesso em: 28-02-2017, as 15:09/ http://www.portal-energia.com; Acesso em: 28-02-2017, as 15:22/http://www2.aneel.gov.br; Acesso em: 28-02-2017, as 16:43/ http://www.biomassabr.com/bio/; Acesso em: 28-02-2017, as 16:50 / http://www.brasil.gov.br/…/energia-renovavel-representa-mai…; Acesso em: 28-02-2017, as 17:16/ www.gazetadopovo.com.br; Acesso em: 01-03-2017, as 17:21 / www.npdeas.ufpr.br; Acesso em: 01-03-2017, as 16:00

A importância da biomassa para geração de energia elétrica

Alunos: Mauro Obladen, Roberto Kondo, Matheus Teles, Victor Soares Nogueira (Disciplina TE078, Departamento de Engenharia Elétrica, @UFPR (Universidade Federal do Paraná) Prof. André B. Mariano)
Um dos grandes problemas da humanidade é a demanda energética. Atender a esta demanda de maneira renovável é um dos maiores desafios da ciência. Na disciplina de Tópicos Especiais em Engenharia Elétrica, ministrada pelo professor André B. Mariano, aprendemos um pouco sobre a importância dos renováveis na matriz energética brasileira, o potencial desta forma de energia no Paraná e o trabalho desenvolvido pelo Npdeas - Soluções em Escala de Engenharia em nossa universidade. Para saber mais, leia o texto abaixo!
A importância da biomassa para geração de energia no Brasil, oportunidades no Paraná e pesquisas na área no ambiente da Universidade Federal do Paraná O processo de industrialização e desenvolvimento das nações ao longo dos anos ocasionou um aumento na demanda energética e, consequentemente, requereu maior geração de energia. Dessa forma, a humanidade recorreu às formas de energia mais rentáveis, não importando o impacto que isso poderia gerar. Contudo, os impactos causados ao meio ambiente propiciaram a gênese do discurso de sustentabilidade e utilização de fontes renováveis (não-esgotáveis) de energia. É nesse contexto que se insere a biomassa – matéria orgânica que pode ser aproveitada energeticamente – como alternativa limpa de obtenção de energia.
Como citado anteriormente, a biomassa é uma das principais alternativas para sair da dependência de combustíveis fósseis e por isso também, é uma das fontes para energia com maior potencial de crescimento nos próximos anos. A biomassa é caracteriza como qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, elétrica ou térmica, podendo ter como sua origem florestal, agrícola e rejeitos urbanos e industriais, cada uma com sua respectiva contribuição e potencial energético no Brasil.
A utilização de biomassa vem crescendo no Brasil, principalmente como fonte de energia elétrica nos setores de indústria e serviços. Ela possui também um papel fundamental na energia térmica já que em 2008 existiam cerca de trezentas e duas indústrias térmicas movidas a biomassa no país. No mesmo ano, foi feito uma análise de participação dos diversos meios internos de fontes de energia e a biomassa ficou com a segunda maior participação de acordo com o Ministério de Minas e Energia.
A cana de açúcar é umas das fontes principais da biomassa para produção de energia elétrica do país, utilizando o bagaço de cana e a palha. A cana de açúcar não possui relevância apenas na diversificação na matriz enérgica, outro papel fundamental dela é que a safra está no período de estiagem nas regiões Sudeste e Centro-Oeste, assim ela supre a demanda de energia que essas regiões deixam de fornecer essa época, já que nessas regiões existe concentração de maior potência de energia hidroelétrica do Brasil. Ou seja, a eletricidade fornecida ajuda a preservação dos níveis de reservatório das Usinas Hidroelétricas. Os motivos da expansão da cana de açúcar são diversos, um deles é o aumento de consumo de etanol principalmente no setor de transporte já que não causa tantos impactos ambientais como a gasolina. A participação nesse setor acaba sendo aproximadamente 18,4% , próximo do uso de gasolina que chega a 27,7%.
De acordo com a Única (União da Industria de Cana de Açúcar de São Paulo), em 2020 a eletricidade do setor poderá corresponder a 15% da matriz brasileira, passando a ser um tipo de energia indispensável e de enorme contribuição para o setor energético do Brasil, cada vez mais tirando a dependência da Hidroelétrica. De acordo com o Plano Nacional de Energia 2030, os estados que mais produzem são São Paulo, Paraná e Minas Gerais, com um potencial de produção de São Paulo de aproximadamente 10 vezes maior que Minas Gerais e Paraná.
Em suma, no cenário brasileiro, a matriz energética possui grande contribuição de recursos renováveis: segundo dados de 2016 do Ministério de Minas e Energia, 43,9% da energia provêm de fontes não esgotáveis; 8,83% do total nacional são devidos ao aproveitamento da biomassa, sendo a segunda fonte renovável mais utilizada, ficando atrás somente da hidráulica. Vale ressaltar que um dos fatores que colabora para que a biomassa tenha um importante papel na forma de se obter energia é o fato de as principais fontes, como exemplo a cana de açúcar – vegetal que responde por 80% da biomassa utilizada no país – serem bastante cultivados no território nacional.
No cenário paranaense, destaca-se a Companhia Paranaense de Energia (Copel), por integrar o conselho estadual de Energia como órgão executor do planejamento e realizar o balanço energético do Paraná, desde 1980 até a última versão, publicada em 2009. De Acordo com o último balanço energético, a produção de energia no estado atingiu 14.674 mil toneladas equivalentes de petróleo, das quais 98,4% foram produzidas por energias renováveis (energia hidráulica, produtos de cana, lenha, resíduos de madeira e outras fontes) e apenas 1,6% por energias não renováveis.
Com relação ao potencial energético a partir da biomassa, o Paraná se destaca por ser o segundo maior produtor de cana-de-açúcar do Brasil e no ano de 2004, foi o segundo maior produtor de silvicultura, correspondente a 16,4% do volume produzido no país. O pinus e o eucalipto têm alto índice de produtividade e poder calorífico. Estima-se que no ano de 2005 o conteúdo energético produzido pelo eucalipto chegou a torno de 9,8.106 GJ/ano. O estado também apresenta elevado número de fecularias, frigoríficos e laticínios que são fontes potenciais para produção do biogás. Destaca-se também o desenvolvimento de pesquisas na área de energias alternativas por meio de microalgas, dejetos de animais e humanos, óleo de grão e oleaginosas. Tratando-se agora do potencial fotovoltaico, o Paraná se encontra numa média de produção equivalente à média obtida no Brasil, tendo 12 estados com médias inferiores e 14 com médias superiores. A menor produção anual ocorre em Matinhos e a maior, em Prado Velho. Isto se deve por conta do índice de nebulosidade ser maior na região da serra do mar, dificultando o potencial fotovoltaico.
O potencial hidráulico do Paraná é um dos maiores do Brasil. Segundo o balanço energético realizado pela Copel em 2009, 21% da produção de energia hidráulica do Brasil eram provenientes do Paraná, destacando-se a bacia do Iguaçu, com maior potencial registrado pela ANEEL e maior disponibilidade hídrica superficial (25% da totalidade do estado). Enquanto isso, a biomassa representava 10,1%, o carvão mineral 2,4% e outras 1,6%. A participação total do estado na produção de energia nacional é de 6,1%, um valor aumentado da década de 1980 que se encontrava na faixa de 5%. Em síntese, denota uma significativa importância do Paraná como contribuinte na produção de energias renováveis no cenário brasileiro, dando ênfase a sua capacidade de ter 98,4% da sua matriz de produção energética por energias renováveis.
A nível local, na Universidade Federal do Paraná, o NPDEAS (Núcleo de Pesquisas em Desenvolvimento Autossustentável) é um dos grandes impulsionadores da pesquisa em biocombustíveis a partir da biomassa. O foco principal é o desenvolvimento de biocombustível (biodiesel) a partir de microalgas. O NPDEAS possui pesquisadores das áreas de Engenharia Mecânica, Bioquímica, Engenharia Elétrica, dentre outras áreas, pois existe a necessidade de um estudo sobre toda a cadeia produtiva de energia das microalgas: desde estudos genéticos para que as algas produzam óleo em maior quantidade, estudos estes da área de biologia, até a construção dos reatores que fazem o processo de transformação do óleo em biodiesel (a cargo da Engenharia Química e Mecânica), estudos dos processos químicos necessários, pelos pesquisadores de bioquímica, até o aproveitamento do biodiesel na geração de energia elétrica, feito por engenheiros eletricistas. Para isto, o Núcleo possui as Unidades de Biotecnologia, de Engenharia e de Biodiesel.
Além disso, o núcleo possui iniciativas para levar esta pesquisa e este conhecimento para a sociedade, tendo em uma oportunidade levado o conhecimento sobre a biomassa a partir das microalgas para alunos do programa Paraná Alfabetizado em Ibaiti (PR), que possui em sua maioria idosos que não tiveram a oportunidade de estudar. Além disso, possui bolsas de pesquisas para estudantes, em parceria com alguns programas de pós-graduação da UFPR, além de financiamento dos projetos pelo CNPq, Nilko Metalurgia e PSA Peugeot-Citröen. Como podemos ver, a alta tecnologia dos biocombustíveis não está distante de nós. Muito pelo contrário, em universidades como a UFPR e muitas outras, existem pesquisadores dedicados e que desenvolvem tecnologias que um dia poderão ser viáveis em larga escala e contribuir para a solução dos problemas energéticos do mundo.