ENERGÏAS RENOVABLES BIOMASA Producción de combustibles líquidos de la biomasa Dr. Roberto Best y...

ENERGÏAS RENOVABLES

BIOMASA

Producción de combustibles Producción de combustibles líquidos de la biomasalíquidos de la biomasa

Dr. Roberto Best y BrownDr. Roberto Best y BrownCREVER-Universidad Rovira i VirgiliCREVER-Universidad Rovira i Virgili

CIE-UNAMCIE-UNAMAbril 2005Abril 2005

Producción de combustibles líquidos de la Producción de combustibles líquidos de la biomasabiomasa

Uno de las objetivos principales de la Uno de las objetivos principales de la bioenergía es la búsqueda de bioenergía es la búsqueda de combustibles líquidos como sustitutos de combustibles líquidos como sustitutos de productos derivados del petróleoproductos derivados del petróleo

Hay tres tecnologías que se utilizan Hay tres tecnologías que se utilizan actualmente para esta produccion: actualmente para esta produccion:

Pirólisis (Termoquímica)Pirólisis (Termoquímica) Síntesis ySíntesis y FermentaciónFermentación

Pirólisis para la produccin de bio-Pirólisis para la produccin de bio-aceitesaceites

La pirólisis es el método mas antiguo de procesar La pirólisis es el método mas antiguo de procesar un combustible para producir un combustible de un combustible para producir un combustible de mejor calidadmejor calidad

La pirólisis lenta reduce la madera en carbónLa pirólisis lenta reduce la madera en carbón El término pirólisis se aplica ahora al proceso de El término pirólisis se aplica ahora al proceso de

colectar los componentes volátiles y condensarlos colectar los componentes volátiles y condensarlos para producir un combustible líquido o bio-aceite.para producir un combustible líquido o bio-aceite.

Con ausencia de aire se calienta sin quemar y Con ausencia de aire se calienta sin quemar y

minimizar la gasificación y producir un bioaceiteminimizar la gasificación y producir un bioaceite

Pirólisis para la producción de bio-aceitesPirólisis para la producción de bio-aceites

El bioaceite producido tiene un contenido El bioaceite producido tiene un contenido energético del orden de la mitad del petróleo y energético del orden de la mitad del petróleo y contiene contaminantes ácidos que deben contiene contaminantes ácidos que deben removerse.removerse.

Unas variación del proceso básico es la Solvolisis, Unas variación del proceso básico es la Solvolisis, el uso de solventes organicos a 200-300ºC para el uso de solventes organicos a 200-300ºC para dislover los sólidos y obtener un producto dislover los sólidos y obtener un producto parecido al petróleo parecido al petróleo

Otra es la llamada Pirolisis rápida que se lleva a Otra es la llamada Pirolisis rápida que se lleva a cabo de 500 -1300ºC y altas presiones (50 a 150 cabo de 500 -1300ºC y altas presiones (50 a 150 atm.)atm.)

Recientemente se esta investigando la pirólisis de Recientemente se esta investigando la pirólisis de RSU, pero es aún muy costosa (con respecto a la RSU, pero es aún muy costosa (con respecto a la incineración) incineración)

Síntesis de combustiblesSíntesis de combustibles

Un gasificador que utiliza oxigeno en vez de aire Un gasificador que utiliza oxigeno en vez de aire puede producir un gas consistente principalmente puede producir un gas consistente principalmente de Hde H22, CO y CO, CO y CO22 y el interés de esto radica en el y el interés de esto radica en el hecho en que la remoción del COhecho en que la remoción del CO22 permite a la permite a la mezcla llamar gas de síntesis del cual casi cualquier mezcla llamar gas de síntesis del cual casi cualquier hidrocarburo puede ser sintetizado. La reacción el hidrocarburo puede ser sintetizado. La reacción el HH22 y el CO es una manera de producir metano puro y el CO es una manera de producir metano puro

2CO + 2H2CO + 2H22 CH CH44 +CO +CO22

Otro producto posible es el metanol. La producción Otro producto posible es el metanol. La producción

de metanol de esta forma involucra una serie de de metanol de esta forma involucra una serie de procesos químicos sofisticados a altas temperaturas procesos químicos sofisticados a altas temperaturas y presiones y es importante por que es un sustituto y presiones y es importante por que es un sustituto directo de la gasolina.directo de la gasolina.

Síntesis de combustibles líquidosSíntesis de combustibles líquidos(por Gasificación)(por Gasificación)

Un proceso de gasificación usando Un proceso de gasificación usando oxígeno en lugar de aire produce un gas oxígeno en lugar de aire produce un gas consistente en gran parte por Hconsistente en gran parte por H22, CO y , CO y COCO22..

La remoción de COLa remoción de CO22 e impurezas como e impurezas como tar, metano y trazas de azufre, deja una tar, metano y trazas de azufre, deja una mezcla muy activa de Hmezcla muy activa de H2 2 y CO llamada y CO llamada Gas de Síntesis Gas de Síntesis con la cual se puede con la cual se puede sintetizar cualquier hidrocarburosintetizar cualquier hidrocarburo

Síntesis de combustibles líquidosSíntesis de combustibles líquidos(por Gasificación)(por Gasificación)

El primer paso es ajustar las proporciones de los El primer paso es ajustar las proporciones de los componentes (shift reaction):componentes (shift reaction):

Ejemplo: para formar metanol CHEjemplo: para formar metanol CH33OH, :2 OH, :2 moleculas de Hmoleculas de H22 por cada una de CO (2:1). por cada una de CO (2:1).

Un proceso conocido desde 1929 como Fischer-Un proceso conocido desde 1929 como Fischer-Tropsch consiste en hacer pasar los dos Tropsch consiste en hacer pasar los dos componentes sobre un catalizador a temperatura componentes sobre un catalizador a temperatura y presión alta y el producto una mezcla de y presión alta y el producto una mezcla de hidrocarburos producido inicialmete un gas, se hidrocarburos producido inicialmete un gas, se condensa. condensa.

Gasificación con desechos de cultivos Gasificación con desechos de cultivos temporalestemporales

El bagazo tiene un significante potencial como biomasa para El bagazo tiene un significante potencial como biomasa para combustible. La mayoría de los ingenios utilizan el bagazo como combustible. La mayoría de los ingenios utilizan el bagazo como fuente para elevar la temperatura del vapor, este bagazo es fuente para elevar la temperatura del vapor, este bagazo es quemado ineficientemente. Muchos ingenios producen también quemado ineficientemente. Muchos ingenios producen también electricidad para satisfacer sus propias necesidades.electricidad para satisfacer sus propias necesidades.

La cáscara de arroz es el residuo agrícola más común de el La cáscara de arroz es el residuo agrícola más común de el mundo. La textura uniforme de la cáscara se presta para mundo. La textura uniforme de la cáscara se presta para tecnologías tales como la gasificación. Gasificadores de cáscara tecnologías tales como la gasificación. Gasificadores de cáscara de arroz han sido exitosamente operados en Indonesia, China y de arroz han sido exitosamente operados en Indonesia, China y Mali.Mali.

La industria procesadora del coco, en muchos países proporcionan La industria procesadora del coco, en muchos países proporcionan grandes cantidades de desechos finos y ásperos. La fibra del grandes cantidades de desechos finos y ásperos. La fibra del coco se utiliza par gasificación en Tailandia con éxito limitado coco se utiliza par gasificación en Tailandia con éxito limitado debido a la baja densidad del sustrato. Los desechos finos del debido a la baja densidad del sustrato. Los desechos finos del coco son más prometedores como biocombustibles.coco son más prometedores como biocombustibles.

Fermentación para producción de Fermentación para producción de etanoletanol

A partir del año A partir del año 2000 se ha 2000 se ha incrementado la incrementado la producción de producción de etanoletanol

Principalmente en Principalmente en Brasil y EEUU, Brasil y EEUU, aunque también en aunque también en Europa (Abengoa Europa (Abengoa en Castillo y León) en Castillo y León)


BIOMASA

FORMAS DE EXTRACCION DE LA ENERGIA A PARTIR DE BIOMASA (cont.)

5.- FERMENTACIONPROCESO MEDIANTE EL CUAL LOS AZUCARES SON CONVERTIDOS EN ALCOHOLES MEDIANTE REACCIONES BIOLOGICAS ANAEROBIAS

BIOMASAHidrólisis

AZUCARES

FermentaciónDestilación

ETANOL•Uso directo•o diluente de gasolina

MATERIA PRIMA LITROS/ton Litros/ha*año

Caña de Azúcar 70 400 – 12000

Maíz 360 250 – 2000

Yuca (raíz) 180 500 – 4000

Papa (dulce) 120 1000 – 4500

Madera 160 160 - 4000

RENDIMIENTOS EN ETANOL

FermentaciónFermentación

La fermentación es un proceso anaeróbico biológico en el cual el azúcar es convertida en alcohol por la acción de un micro-organismo. El alcohol resultante es etanol (C2H5OH) en mayor proporción que el metanol (CH3OH) que pueden ser utilizados en máquinas de combustión interna y directamente en máquinas modificadas apropiadamente o como “extendedoras”de gasolina en el gasohol: gasolina con el 20 % de etanol.

La mejor fuente conocida de etanol es la caña azúcar – o la melaza obtenida después de que se ha extraído el jugo de la caña.

El producto resultante de la fermentación contiene únicamente cerca del 10 % de etanol, que debe ser destilado antes de ser utilizado como combustible. El contenido energético del producto final es cercano a 30 GJ t-1 o 24 GJ m-3. El proceso completo requiere una considerable cantidad de calor, el cual es suministrado por desperdicios de cultivos. La pérdida energética en la fermentación es substancial , pero esto puede ser compensado por la conveniente transportabilidad del combustible líquido y por el competitivo bajo costo y la familiaridad de la tecnología.

PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓNLIQUIDO POR FERMENTACIÓN

Proceso anaeróbico-biológico.Proceso anaeróbico-biológico. Los azucares (CLos azucares (C66HH1212OO66), se convierten en ), se convierten en

alcohol por la acción de microorganismos alcohol por la acción de microorganismos generalmente, una levadura.generalmente, una levadura.

El producto etanol (CEl producto etanol (C22HH55OH) se separa de OH) se separa de otros componentes por destilación.otros componentes por destilación.

En proporciones de 25% se puede mezclar En proporciones de 25% se puede mezclar con petróleo, Gasohol, o se puede con petróleo, Gasohol, o se puede modificar la carburación del motor para modificar la carburación del motor para utilizarlo directamente.utilizarlo directamente.

PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓNPOR FERMENTACIÓN

La biomasa mas utilizada es la caña de La biomasa mas utilizada es la caña de azucar, Brasil es el mayor productor de azucar, Brasil es el mayor productor de Gasohol.Gasohol.

Plantas ricas en almidón como principal Plantas ricas en almidón como principal carbohidrato ( patata, maiz, trigo), carbohidrato ( patata, maiz, trigo), requiere como proceso inicial: la requiere como proceso inicial: la conversión de almidón en azúcar, proceso conversión de almidón en azúcar, proceso que siguen en USA y Europa.que siguen en USA y Europa.

La madera puede utilizarse pero es más La madera puede utilizarse pero es más costoso actualmentecostoso actualmente (hidrólisis)(hidrólisis)

Bioetanol de biomasa no comestibleBioetanol de biomasa no comestible

Biocarburante etanol a partir Biocarburante etanol a partir de recursos de biomasa no de recursos de biomasa no comestiblescomestibles

Requiere de “nuevas Requiere de “nuevas tecnologías para:tecnologías para:

Hidrolizar (romper) la Hidrolizar (romper) la celulosa y la hemicelulosa celulosa y la hemicelulosa en azúcaren azúcar

Fermentar las “azucares Fermentar las “azucares inusuales” de la biomasainusuales” de la biomasa

PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓNLIQUIDO POR FERMENTACIÓN

El producto es 10% etanol que debe El producto es 10% etanol que debe destilarse. El proceso requiere una destilarse. El proceso requiere una gran cantidad de energía térmica, gran cantidad de energía térmica, que se obtiene de la quema de los que se obtiene de la quema de los residuos, (por ej:bagazo).residuos, (por ej:bagazo).

El contenido energético del etanol es El contenido energético del etanol es de 30 GJ/ton o de 24 MJ/ litro (34 de 30 GJ/ton o de 24 MJ/ litro (34 MJ/litro petróleo)MJ/litro petróleo)

PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE LIQUIDO POR FERMENTACIÓN

Rendimento en la producción de etanol Material Inicial Litros / ton1 Litros / ha-año 2

Caña de azucar (cosechada) 70 400-12.000 Maiz (grano) 360 250-2.000 Casava (raíz) 180 500-4000 Patata dulce (raiz) 120 1.000- 4.500 Madera 160 160-4.0003

1 Depende principalmente en la proporción de mateia inicial que puede fermentarse 2 El rango refleja las diferencias en rendimiento a nivel mundial 3 El valor alto es un maximo aun teorico

El bioetanol como combustibleEl bioetanol como combustible

El etanol como combustible en vehículos se El etanol como combustible en vehículos se utiliza al menos en cuatro formas:utiliza al menos en cuatro formas:

Etanol anhidro (100 % etanol)Etanol anhidro (100 % etanol) Etanol “hidro” (95% etanol 5% agua)Etanol “hidro” (95% etanol 5% agua) Mezclas etanol anhidro-gasolinas (10-20% Mezclas etanol anhidro-gasolinas (10-20%

etanol)etanol) Como materia prima para etil tera-butil Como materia prima para etil tera-butil

eter (ETBE), aditivo oxigenado como eter (ETBE), aditivo oxigenado como sustituto del MTBE obtenido a partir del sustituto del MTBE obtenido a partir del metanolmetanol

El bioetanol como combustibleEl bioetanol como combustible

En E.E.U.U. y CANADA se vende una En E.E.U.U. y CANADA se vende una mezcla de 10% de alcohol anhidro mezcla de 10% de alcohol anhidro con gasolina llamado “gasohol”con gasolina llamado “gasohol”

En Brasil el 90% de los autos tienen En Brasil el 90% de los autos tienen motores especialmente diseñados motores especialmente diseñados para operar con hidro-etanol (al para operar con hidro-etanol (al 95%).95%).

Bioetanol de residuos agroindustrialesBioetanol de residuos agroindustriales

Energía fósil para conducir una millaEnergía fósil para conducir una milla

Aceites vegetales a biodieselAceites vegetales a biodiesel

La mayor parte de la producción de La mayor parte de la producción de biodiesel es a través de semillas de biodiesel es a través de semillas de plantas, colza, girasol.plantas, colza, girasol.

En Europa donde el 50% de los En Europa donde el 50% de los coches nuevos son diesel se ha coches nuevos son diesel se ha incrementado el interés en su incrementado el interés en su producción a diferencia de USA producción a diferencia de USA donde solo 1% de los coches son donde solo 1% de los coches son diesel.diesel.

PRODUCCIÓN DE BIODIESELPRODUCCIÓN DE BIODIESEL

En 1911 el Dr. Rudolf Diesel escribió:En 1911 el Dr. Rudolf Diesel escribió:

““la máquina diesel puede ser alimentada la máquina diesel puede ser alimentada con aceites vegetales y puede ayudar con aceites vegetales y puede ayudar considerablenete al desarrollo de la considerablenete al desarrollo de la agricultura de los países que lo utilizen”agricultura de los países que lo utilizen”

Demostró su funcionamiento con una gran Demostró su funcionamiento con una gran cantidad de aceites entre ellos el de cantidad de aceites entre ellos el de cacahuate, sin embargo el petróleo barato cacahuate, sin embargo el petróleo barato dominó el mercadodominó el mercado


Los aceites vegetales ocurren Los aceites vegetales ocurren naturalmente en las semillas de naturalmente en las semillas de varias plantas, y se extraen por varias plantas, y se extraen por prensado o utilizando un disolvente.prensado o utilizando un disolvente.

El contenido energético es del orden El contenido energético es del orden de 37-39 GJ /ton, un poco menor al de 37-39 GJ /ton, un poco menor al del diesel (42 GJ / ton)del diesel (42 GJ / ton)


Aunque se puede quemar Aunque se puede quemar directamente o mezclado con diesel, directamente o mezclado con diesel, la combustion incompleta puede la combustion incompleta puede causar problemas por carbonización causar problemas por carbonización en los cilindros, por lo que conviene en los cilindros, por lo que conviene su conversión a Biodiesel.su conversión a Biodiesel.

El proceso se conoce como El proceso se conoce como esterificación..esterificación..


La esterificación es el método mas sencillo y consiste en La esterificación es el método mas sencillo y consiste en mezclar el aceite con un exceso de metanol (la relación mezclar el aceite con un exceso de metanol (la relación estequiométrica es de tres moles de alcohol por mol de estequiométrica es de tres moles de alcohol por mol de aceite) en presencia de un catalizador de la reacción que aceite) en presencia de un catalizador de la reacción que suele ser KOH. suele ser KOH.

Poniendo doble cantidad de alcohol (que es normal) se Poniendo doble cantidad de alcohol (que es normal) se necesita un tiempo comprendido entre 1 a 8 horas (según necesita un tiempo comprendido entre 1 a 8 horas (según la temperatura) para obtener el metiléster, a la vez que una la temperatura) para obtener el metiléster, a la vez que una fase acuosa a base de glicerina.fase acuosa a base de glicerina.

100 kg de aceite y 11 kg de metanol con catalizador 100 kg de aceite y 11 kg de metanol con catalizador producen en una hora (a 70ºC) una cantidad de 100 kg de producen en una hora (a 70ºC) una cantidad de 100 kg de diéster (sinónimo de biodiésel, contracción de diesel y y diéster (sinónimo de biodiésel, contracción de diesel y y éster) y 11 kg de glicerina. La glicerina tiene un valor éster) y 11 kg de glicerina. La glicerina tiene un valor comercial bajo por sobreproducción. comercial bajo por sobreproducción.


Aceite + Metanol Aceite + Metanol Metilester + Glicerina Metilester + Glicerina

Considerando 3 ton/ha de semilla de colza con un Considerando 3 ton/ha de semilla de colza con un porcentaje de 40% de aceite se obtiene una porcentaje de 40% de aceite se obtiene una producción neta de 1.200 kg/año de combustible, producción neta de 1.200 kg/año de combustible, (1.300 litros). (1.300 litros).

Además de 1.800 kg de torta útil para Además de 1.800 kg de torta útil para alimentación animal, así como 3 toneladas de alimentación animal, así como 3 toneladas de paja. Esto representa en cuanto a cantidad total paja. Esto representa en cuanto a cantidad total de combustible entre 1.900 y 2.500 kg de de combustible entre 1.900 y 2.500 kg de petróleo por hectárea petróleo por hectárea


Proceso de trans-Proceso de trans-esterificación de esterificación de aceite para aceite para producción de producción de biodieselbiodiesel

Planta de metilésterPlanta de metiléster


Las fuentes importantes para Las fuentes importantes para producción de biodiesel son la colza producción de biodiesel son la colza (rape seed), girasol y recientemente (rape seed), girasol y recientemente el aceite comestible recicladoel aceite comestible reciclado

E N E R G Í A S R E N O V A B L E S

DOS PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE BIOETANOL Y TRES DE BIODIESEL

EL BIOETANOL SE USA SOBRE TODO PARA PRODUCIR ETBE, MIENTRAS QUE EL BIODIESEL SE EMPLEA EN FLOTAS CAUTIVAS Y ES VENDIDO EN ALGUNAS ESTACIONES DE SERVICIO

TOTAL:

182.300 TEP

PRODUCCIÓN DE BIOCARBURANTES A FINALES DE 2003

16.200 TEP

50.400 TEP

51.200 TEP

64.500 TEP

2.4. Área de biocarburantes

2. SITUACIÓN EN ESPAÑA


Potencial técnico-económico:

640.000 tep

Bioetanol: 600.000 tep

Biodiesel: 40.000 tep

Objetivo del Plan de Fomento

(año 2010): 500.000 tep

Bioetanol: 400.000 tep

Biodiesel: 100.000 tep

OBJETIVO ENERGÉTICO POR COMUNIDADES AUTONOMAS

ComunidadAutónoma

Objetivo energéticoen el 2010 (TEP)

Andalucía 100.000Aragón 50.000Asturias 0Baleares 0Canarias 0Cantabria 0Castilla y León 100.000Castilla-La Mancha 50.000Cataluña 50.000Extremadura 50.000Galicia 50.000Madrid 0Murcia 50.000Navarra 0País Vasco 0Rioja, La 0Valenciana, C. 0Ceuta y Melilla 0TOTAL 500.000Fuente: Elaboración interna IDAE




500,0

182,3

51,251,2

121,1

0,00,00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2010

EVOLUCIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE BIOCARBURANTES Y PERSPECTIVAS (Ktep)




Plantas productoras de biocarburantes: evolución 1999-2003 EN EXPLOTACIÓN

EN EJECUCIÓN

Número deproyectos

Energíaprimaria

(tep)

Objetivo delPlan 2010

(tep)

Cumplimientodel

objetivo (%)

Bioetanol 2 115.700 400.000 28,93%

Biodiesel 3 66.600 100.000 66,60%

TOTAL 5 182.300 500.000 36,46%

Número deproyectos

Energíaprimaria

(tep)

Objetivo delPlan 2010

(tep)

Cumplimientodel

objetivo (%)

Bioetanol 1 112.200 400.000 28,05%

Biodiesel 3 126.000 100.000 126,00%

TOTAL 4 238.200 500.000 47,64%

0 25.000 50.000 75.000 100.000 125.000 150.000 175.000 200.000 225.000 250.000 275.000

1999

2000

2001

2002

2003

Ejecución

toe



Comentarios FinalesComentarios Finales

La biomasa es el energético renovable La biomasa es el energético renovable más utilizado a nivel mundialmás utilizado a nivel mundial

Fácil de obtener localmente y capaz de Fácil de obtener localmente y capaz de generar electricidad, calor y potencia a generar electricidad, calor y potencia a partir de combustibles sólidos, líquidos y partir de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos que pueden sustituir los gaseosos que pueden sustituir los combustibles fósiles importadoscombustibles fósiles importados

Es una fuente de energía neutral respecto Es una fuente de energía neutral respecto a las emisiones de COa las emisiones de CO22 pueden ayudar a pueden ayudar a mitigar el cambio climáticomitigar el cambio climático


BIOMASA

Bioenergy in BrazilBioenergy in Brazil

Luiz Augusto Horta Luiz Augusto Horta NogueiraNogueira

Universidade Federal de Universidade Federal de ItajubáItajubá

Minas Gerais - BrazilMinas Gerais - Brazil

INTERNATIONAL SEMINAR ON BIOENERGY AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT

FAO/UNAM/ANES/LAMNET

Morelia, 2003

Bioenergy in BrazilBioenergy in BrazilContentsContents

Brazil: backgroundBrazil: background Brazil: energy and bioenergy data Brazil: energy and bioenergy data Traditional and innovative uses of Traditional and innovative uses of

bioenergybioenergy Modern bioenergy systems in Brazil Modern bioenergy systems in Brazil

BiofuelsBiofuels Electricity from biomassElectricity from biomass Iron production based on charcoal Iron production based on charcoal

Institutional aspectsInstitutional aspects Final commentsFinal comments

Brazil: backgroundBrazil: background Surface: 8.54 million kmSurface: 8.54 million km2 2 ( 73% potentially arable)( 73% potentially arable) Climate: mainly tropical wetClimate: mainly tropical wet Population: 170 million inhabitants Population: 170 million inhabitants (~20% rural)(~20% rural) Life expectancy: 68.8 yearsLife expectancy: 68.8 years Illiteracy: 9.5%Illiteracy: 9.5% Unemployment: 7%Unemployment: 7% GDP: US$504 billion GDP: US$504 billion

8% 8% agriculture agriculture 35% 35% industryindustry57% 57% servicesservices

Income distributionIncome distribution1% goes to 50% poorest1% goes to 50% poorest13% goes to 1% richest13% goes to 1% richest

Brazil: energy balance syntesisBrazil: energy balance syntesis

020406080

100120140160

1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001

Other renewable

Sugar cane products

Fuelwood

Hydraulic

Other non-renewable

Natural gas

Petroleum

million tep

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001

Other renewable

Sugar cane products

Fuelwood

Hydraulic

Other non-renewable

Natural gas

Petroleum

Source: BEN/MME, 2002

Brazil: bioenergy demandBrazil: bioenergy demand

0

10000

20000

30000

40000

50000

1985 1989 1993 1997 2001

1000 tep Ethanol

Charcoal

Industrial by-products

Bagasse

Fuelwood

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1985 1990 1995 2000

Modern Biomass/Total Biomass

Biomass share in total energy demand


Biofuels are becoming “modern” and

diversified



Sectorial demand

Industrial demand

0

10000

20000

30000

40000

1985 1989 1993 1997 2001

1000 tepIndustry

Transport

Agriculture

Services

Residential

0

5000

10000

15000

20000

25000

1985 1989 1993 1997 2001

1000 tep Food and beverage

Pulp and paper

Ferrous metals industry

Ceramics

Other



Evolution of demand with

GNP

Evolution of demand with population

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002

tep/1000 US$fuelwood and charcoal/GNP

ethanol and bagasse/GNP

0

50

100

150

200

250

1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002

tep/person residential fuelwood modern biomass

Brazil: energy balance trendsBrazil: energy balance trends

From the past decades to the current situation, one observes that:

biofuels represents about 1/3 of total energy demand in Brazil

due to urbanization, fuelwood as fuel for cooking in households is losing importance

modern bioenergy is increasing its role in industry and transportation, mainly from sugarcane

even with the partial recovery of conventional fossil fuels in the Brazilian energy matrix, biofuels will keep a significant share

Traditional and Innovative uses Traditional and Innovative uses of Bioenergyof Bioenergy

Fuel

supply

Typical endusers

Conversiontechnology

Economic

aspects

Environmentalimpacts

Traditional Collection

Households

Traditionalindustry

Simple andinefficient

No prices Can be predatory

Innovative

Plantedmaterial or

agroindustrialresidues

Transportation

Powergeneration

Agroindustry

Efficient,complex

andintegrated

Prices andcosts

known

Potentiallyimportant, dueintensity and

process

Although modern bioenergy tends to displace

the traditional one, this trend should be

supported by proper social, environmental

and technical guidelines...

Woodfuels demand vs. GNP per capita

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10 100 1,000 10,000 100,000

developing countries

developed countries

GJ/capita

US$/capita

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

10 100 1,000 10,000 100,000

developing countries

developed countries

GJ/capita

US$/capita

Source: WEIS/FAO, 1998

The two worlds of bioenergy...The two worlds of bioenergy...

Biofuels for automotive engines (ethanol, ethanol blends and biodiesel)

Power generation using fuelwood, bagasse and other residues (IPP and cogeneration)

Iron and steel production using charcoal from forestry

Modern bioenergy systemsModern bioenergy systemsin Brazilin Brazil

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Basic data

4,5 million ha planted for cane (0.8% of agricultural land)

55% of cane is crushed for ethanol in more than 300 mills

the recent harvest of 300 million ton is producing about 13 billion liters of ethanol, 60% in São Paulo State

about 610 thousand people work directly in ethanol and sugar production

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Technical parameters Average productivity (in São Paulo)

agriculture : 70 ton/ha

industry : 85 liters/ton

Bagasse production (with 50% moisture, per ton of cane)

total : 250 kg/ton cane

surplus :

A typical mill annually processes 1 million ton of cane and costs about US$25 million

up to 30% plus 140 kg as tops and leaves (“barbojo”)

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Evolution

•Proalcool: National Alcohol Program, launched in 1975

•Started with limited fleet converted motors and blends with gasoline ethanol new cars (since 1979)

•After some years of low performance, the interest in ethanol returns

Source: ANFAVEA, 2002

0

100

200

300

400

500

600

700

1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000

0

20

40

60

80

100%Sales of vehicles

(thousands)

1.4%

4.3%

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Brazilian automotive fuels•Nowadays in Brazil, in the gas stations there are only

two different fuels for Otto motors:• Gasohol (sold as regular (IAD 87) and super (IAD 91))

• Hydrous ethanol (94.5 %)

•The anydrous ethanol content in gasohol varies according to availability


Ethanol content in gasohol

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Energy balance in ethanol production

This agroindustry is very efficient, mainly due to the high photosynthetic efficiency of sugar cane, by-products availability and residues recycle

Source: Macedo, 2002

Average Best values

Energy demand (MJ/ton canne)

Agricultural activities 189.9 175.5

Industrial activities 46.1 36.4

Energy production (MJ/ton canne)

Ethanol produced 1996.4 2045.3

Bagasse surplus 175.1 328.5

Output/Input 9.2 11.2

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Agrochemicals demand

Source: Macedo, 2002

0

4

8

12

16

herbicides(kg/ha)

inseticides (0.1 kg/ha)

fertilizers (100 kg NPK/ha)

planted area(million ha)

Canne

Corn

Soybean

Production costsIn mills of good performance from São Paulo State, ethanol production costs are under US$ 0,20 per liter (ex-taxes)

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane Ethanol prices

Source: ANP,2003

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

Mai/02 Set/02 Dez/02 Mar/03 Jun/03

US$/l Anidrous Hydrous Brent dated

50

60

70

80

Jan/02 Mar/02 Mai/02 Jul/02 Set/02 Nov/02 Jan/03 Mar/03 Mai/03

(%)

Ethanol/Gasoline

Ethanol and oil prices at producer gate (ex-taxes)

Ethanol/gasohol prices ratio in gas stations

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane New trends

- Diversificationmany schemes integrating energy and food (sugar, grains and meat) have been proposed

Source: Silva e Nogueira, 2001

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane New trend Flexfuelcars

Make possible the use of any blend of gasoline-ethanol in the same engine, with good performance and under the allowed emission limits

1st Brazilian flexfuel

vehicle, in the market on

March 2003 Source: VW Brasil, 2003

Alcohol from sugar caneAlcohol from sugar cane SustainabilitySustainability

Related questions...Related questions...Pre-harvest burning ban and “barbojo” use

Mechanical harvest

expansion

With a good energy balance, relatively low use of chemicals, competitive prices and social acceptance, ethanol fuel production from cane is an example of a real sustainable bioenergy system.

New Biofuels in BrazilNew Biofuels in Brazil

BiodieselBiodieselBrazil is a large oil seeds producer (50 Mton Brazil is a large oil seeds producer (50 Mton of soybean in 2003), so there is great interest of soybean in 2003), so there is great interest in developing methyl or ethyl esters for fossil in developing methyl or ethyl esters for fossil diesel substitution. Some tests have been diesel substitution. Some tests have been done and a Brazilian specification has been done and a Brazilian specification has been proposed. High costs remain a problem.proposed. High costs remain a problem.

Alcohol-Diesel blendsSome experiences have been carried out (buses in Curitiba) using blends of diesel with up 8% of ethanol and a co-solvent. No conclusive results yet.

Electricity from biomassElectricity from biomass Steam plants fuelled by wood were the first Steam plants fuelled by wood were the first

prime movers for power generation in Brazil, prime movers for power generation in Brazil, early replaced by hydro stationsearly replaced by hydro stations

Nowadays, new routes to use biomass solid Nowadays, new routes to use biomass solid fuels in power generation seem to be feasible fuels in power generation seem to be feasible and attractiveand attractive

Current possibilities...Current possibilities...

Utility generation X Self productionUtility generation X Self production Steam cycles X Gasified biomass cyclesSteam cycles X Gasified biomass cycles Single cycle X CogenerationSingle cycle X Cogeneration Planted biomass X Residues utilizationPlanted biomass X Residues utilization

Electricity from biomassElectricity from biomassIn the industrial contextIn the industrial context

In this situation, the biomass use for power In this situation, the biomass use for power generation is increasing in Brazil, aiming to produce generation is increasing in Brazil, aiming to produce electricity up to self sufficiency or with low electricity up to self sufficiency or with low surpluses. The cycle is selected just for power or for surpluses. The cycle is selected just for power or for cogeneration. As fuel, always is burned residues cogeneration. As fuel, always is burned residues (bagasse, wood industry residues, rice husks or (bagasse, wood industry residues, rice husks or cellulosic black liquor).cellulosic black liquor).

As IPP or Utility Power generationAs IPP or Utility Power generationIn this context bioenergy for power remains a In this context bioenergy for power remains a possibility, depending basically on the availability of possibility, depending basically on the availability of cheap fuels or good tariffs.cheap fuels or good tariffs.

Electricity from biomassElectricity from biomass

19%

1%

78%

2% Thermal

Small Hydro

Hydro

Nuclear

Total installed capacity

83,420 MWe

Thermal installed capacity

15,400 MWe

Power Plants (all kinds)

Thermal Power Plants

Source: ANEEL, 2003


3%

66%

1%

30%

Wood Residues

Bagasse

Rice husks

Black Licor

Biomass Power Plants

2,400 MW

Source: ANEEL, 2003

Electricity from biomassElectricity from biomassBiomass Power Plants (examples)

Sugar mills

Burning bagasse as fuel in steam cogeneration schemes, with capacities ranging from 5 to 60 MW, the power production in such plants has been improved as the steam condition increases, allowing high surplus of energy to be exported to the grid. These systems have been designed and built in Brazil, fostering the associated industry. Prof. Moreira from CENBIO estimated around 3,8 GW as the total potential to be developed in conventional cogen systems in this sector. The capacity costs vary from 600 to 1200 US$/kW.

Electricity from biomassElectricity from biomassBiomass Power Plants (examples)Sawmills

With capacities going from 1 to 30 MW, many small steam plants have been built associated to sawmills, generating power and useful waste heat. They usually operate interconnected to the grid, using their own wood residues or taking from other neighbour sawmills.

Madeireira S.J. do Rio Claro

9 MW, ~ 66 GWh/year (85% sold to utility), capital cost of approx. US$ 7

million Source: Koblitz, 2003

Electricity from biomassElectricity from biomassBiomass Power Plants (examples)

Rice mills

Mainly located in the South of Brazil. Some rice mills are recently using their residues (rice husks) to produce power. One example, Indústria de Alimentos Zoeli, in Uruguaiana, has 8 MW as installed capacity, exporting 6 MW to the utility. The investment was about US$ 4 million. Two Brazilian EPC companies, Koblitz and Brennand, are very active in this field, with more than 1 GW of installed/designed biomass thermal plants.


New possibilities in Biomass Power Plants

Reciprocating Stirling Engine

Unit in test at UNIFEI (in co-operation with Technical University of Denmark), in commissioning, to be fuelled with wood residues,28.5 kWe , 4 cylinders, 1010 rpm


New possibilities in Biomass Power Plants

Integrated Biomass Gasification and Gas

Turbine

Experimental Unit at UNIFEI, with fluidized bed gasifier,

designed for bagasse, 245 kWth, approx. 40 kWel , 75% hot

efficiency

Iron production based on charcoal Iron production based on charcoal

in Brazil, since 1920 steel has been produced using charcoal

7,8 million ton of pig iron were produced in 2001 using charcoal from eucaliptus planted forests

about 240 thousand people work directly in forestry and charcoal production related to metals industry

Source: Campos, 2002

Basic data

Iron production based on charcoal Iron production based on charcoal


Technical parameters Apparent density (for eucaliptus)

wood in piles: 0,62 ton/stereo

charcoal : 0,25 ton/m3

Charcoal from wood conversion ratio(typical)

0,50 m3 charcoal per fuelwood stereo

Charcoal specific consumption in iron ore reduction

2,9 m3 charcoal per pig iron ton

Iron production based on charcoalIron production based on charcoal

Source: ABRACAVE, 2002

Evolution of charcoal use and production

0

2.000

4.000

6.000

8.000

1992 1994 1996 1998 2000

0%

10%

20%

30%

40%

pig iron production based on charcoal (1000 ton)

% of charcoal use in total pig iron production

charcoal use

charcoal production

0

8.000

16.000

24.000

32.000

1991 1993 1995 1997 1999 2001

0%

20%

40%

60%

80%

charcoal produced (1000 m3)

% of charcoal produced from planted forests


Source: Couto, 2002

Forestry for energy In Brazil about 4.8 million ha are covered with planted trees. For energy, mainly eucaliptus is adopted The selected Eucaliptus species are Camaldulensis, Grandis, Cloesiana, Urophylla and Pellita, among other There is good expertise in forestry. Aiming to produce charcoal, about 50 thousand ha are planted every year for replacement of aged forests, in Minas Gerais State

dry fuelwood productivity:

typical: 9 ton/ha.year

best values: 14 ton/ha.year



Impact of forestry for energy

Besides the absence of sulfur and related problems, charcoal in steel millshas an important environmental effect: per each ton of steel produced, the charcoal use sequester about 16,4 ton of CO2 , while for coke 1,65 ton of CO2 is added to atmosphere

Iron production based on charcoalIron production based on charcoal Carbonization process

Traditional kilns

4,4 ton wood/ton charcoal


Modern kilns

3,6 ton wood/ton charcoal


Source: CNPM/EMBRAPA, 2001

The dark side of charcoal production

Although in Minas Gerais State, due to environmental restrictions, almost just planted trees are cut for charcoal production, in Northern Brazil the expansion of pig iron production has caused serious damage to the Amazonic forest

Piquiá, 1984 Piquiá, 2000

Iron production based on charcoalIron production based on charcoal The dark side of charcoal production

Charcoal production is generally associated to very bad working conditions, children labour and slavery. These worrying features are not intrinsic to charcoal production. In many cases they were eliminated.

Institutional aspectsInstitutional aspectsEven without a clear definition of an institution Even without a clear definition of an institution responsible for bioenergy promotion and responsible for bioenergy promotion and monitoring in Brazil, all mentioned programs monitoring in Brazil, all mentioned programs have been granted a strong assistance from the have been granted a strong assistance from the Brazilian government, both through financial Brazilian government, both through financial and tax special schemes, and R&D support. and tax special schemes, and R&D support. However, the lack of continuity in this assistance However, the lack of continuity in this assistance is a frequent complain.is a frequent complain.

Examples of the government role could be given Examples of the government role could be given as the implementation of Proalcool and the as the implementation of Proalcool and the establishment of energy forests by the FISET establishment of energy forests by the FISET scheme.scheme.

Institutional aspectsInstitutional aspectsA recent initiative in supporting bioenergy is the A recent initiative in supporting bioenergy is the PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Law 10.438, 2002), Alternativas de Energia Elétrica (Law 10.438, 2002), aiming to promote the construction of power plants using aiming to promote the construction of power plants using renewable energy, with 15 years PPA´s assured for renewable energy, with 15 years PPA´s assured for Eletrobrás. Eletrobrás.

Particularly for biomass, PROINFA proposed to add Particularly for biomass, PROINFA proposed to add 1100 MW (1100 MW (7 TWh/year)7 TWh/year) until 2006 and more 6500 MW until 2006 and more 6500 MW ((40 TWh/year)40 TWh/year) until 2016, reaching with renewable until 2016, reaching with renewable sources about 10% of the incremental capacity. A sources about 10% of the incremental capacity. A preliminary suggestion for biomass electricity supply preliminary suggestion for biomass electricity supply tariff is about 48 US$/MWh. tariff is about 48 US$/MWh.

Final commentsFinal comments In the Brazilian energy matrix, modern and In the Brazilian energy matrix, modern and

conventional bioenergy have an important share conventional bioenergy have an important share

Bioenergy played and will be playing an Bioenergy played and will be playing an essential role in getting sustainability for the essential role in getting sustainability for the Energy Sector, as could be seen in the alcohol Energy Sector, as could be seen in the alcohol program, in several power plants fuelled by program, in several power plants fuelled by biomass and in iron production using charcoalbiomass and in iron production using charcoal

The Government support and assistance is The Government support and assistance is crucial for developing bioenergycrucial for developing bioenergy

It is very important to consider the social It is very important to consider the social impacts and environmental constraints to impacts and environmental constraints to develop sound bioenergy systemsdevelop sound bioenergy systems

Relative value of area to be annually reforested to offset 15% of expected reduction in carbon emission of Annex I countries

Annex - Forestry for bioenergy and climate Annex - Forestry for bioenergy and climate changechange

Passive and active carbon fixation in forests

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70year

Forest only for carbon sequestration

Accumul. total, Forest for energy

Above ground, Forest for energy

Below ground, Forest for energy

ton dry matter/ ha


Carbon substitution effect of wood energy

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90year

t C/ ha/ year

Carbon substitution as fuelwood

Carbon sequestered below ground

Carbon sequestered above ground

MAI: 12 ton dry matter/ ha/ yearrotation: 5 years


Comparison of forestry for carbon emissions curb in power generation

Carbon sequestration

Carbon sequestration

and substitution

a Coal Power Plant (1 MW) operating 30 years requires481 ha of permanent forests to sequester CO2 emission

coal

CO2

a Biomass Power Plant (1 MW) requires 507 ha of production forests, which can offset carbon emission

of this plant and more a Coal Power Plant with 0.28 MW, due sequestration effect

Fuelwood

CO2


Sources of informationSources of information Main references from:Main references from:Eucaliptus/woodfuel production: Couto, LaércioEucaliptus/woodfuel production: Couto, LaércioCharcoal production and use: Campos, OmarCharcoal production and use: Campos, OmarPower generation/gasification: Lora, Electo S.Power generation/gasification: Lora, Electo S.Sugarcane/alcohol: Macedo, IsaíasSugarcane/alcohol: Macedo, IsaíasInstitutional aspects: Poppe, MarceloInstitutional aspects: Poppe, Marcelo

Some reference institutions:Some reference institutions:ABIOVE - Vegetable Oil Industry AssociationABIOVE - Vegetable Oil Industry AssociationCENBIO - National Reference Center on BiomassCENBIO - National Reference Center on BiomassCETEC - Technology Institute of Minas GeraisCETEC - Technology Institute of Minas GeraisEMBRAPA - EMBRAPA - Brazilian Agricultural Research CorporationBrazilian Agricultural Research CorporationÚNICA - Sugar and Alcohol Industry AssociationÚNICA - Sugar and Alcohol Industry AssociationUNIFEI - Federal University of Itajubá UNIFEI - Federal University of Itajubá

ENERGÏAS RENOVABLES BIOMASA Producción de combustibles líquidos de la biomasa Dr. Roberto Best y...

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