An´ alise ambiental - Avalia¸ c˜ ao do cen´ ario B: opera¸ c˜ ao em combust˜ ao

3.3 An´ alise local do problema

4.2.2 Avalia¸ c˜ ao do cen´ ario B: opera¸ c˜ ao em combust˜ ao

4.2.2.1 An´ alise ambiental

Na fase de defini¸cão de objetivo e escopo, o objetivo é determinar o impacto ambiental do processo de gera¸cão termoelétrica operando em combustão combinada e identificar a contribui¸cão de cada uma das etapas definidas na fronteira, considerando a categoria de impacto avaliada no cenário A (mudan¸ca climática).

Na fase de análise de inventário de ciclo de vida (ICV), como pode- se ver na Figura 4.20, o modelo de avalia¸cão ambiental consiste em duas partes: a primeira corresponde ao processo de minera¸cão (já analisado no cenário A) e a segunda considera as etapas de transporte e processamento de pré-combustão do carvão e as etapas definidas para a rota da biomassa, anexa à usina termoelétrica. A integra¸cão da rota da biomassa à usina termoelétrica é poss´ıvel dado que o principal portador energético utilizado nas etapas 1 e 2 (processos na lavoura e transporte da biomassa) é o diesel. Água DAM 1 kg CE 1 MWh ROM Cinzas CO2 SO2 NOx Particulado

Primeira parte do ICV Segunda parte ICV

Água Água Água Água de drenagem Energia Energia Energia Energia Diesel Rejeito Explosivos Insumos Insumos Processamento (pré-combustão) Transporte Mina Usina Emissões Emissões Emissões Emissões Circuito da água - Furado frontal - Explosão - Carregamento - Escoramento teto Processo Mineração - Britagem - Lavagem Beneficiamento Transporte Lavoura Usina Processo Lavoura Usina Termoelétrica Outros

Rota carvão Rota biomassa Processamento (pré-combustão)

Figura 4.20 – Fluxograma do modelo de avalia¸c˜ao ambiental para o cen´ario B.

A seguir, ´e apresentado o invent´ario de ciclo de vida correspondente `

a segunda parte. O inventário da primeira parte, já elaborado para o cenário A, é válido para o cenário B.

Para a segunda parte do inventário do ciclo de vida (Figura 4.20), são estimados os indicadores que relacionam os fluxos de entrada e sa´ıda com a unidade funcional definida como 1 MWh de energia. Es- ses indicadores foram estimados considerando as entradas identificadas, emissões ao ar, emissões ao solo e produtos evitados. Nota-se que para o caso de opera¸cão em combustão combinada, o modelo de avalia¸cão termodinâmica apresentado no Apêndice C considera uma perda na eficiência da caldeira de 0,5% por cada 10% de biomassa entrando ao processo de combustão em base energética, valor que foi proposto a partir do informe técnico da EPRI (1999). A elabora¸cão do inventário de ciclo de vida foi realizado considerando que o sistema está operando em regime permanente durante todo o ano.

(i ) Entradas identificadas:

O invent´ario aqui apresentado corresponde ao caso em que o carv˜ao responde por 90% e a biomassa por 10% da energia do sistema.

- Carvão energético: considerando a eficiência termodinâmica identificada para o segundo cenário, para a gera¸cão de 1 MWh, são requeridos 597,4 kg de carvão energético e 90,4 kg de biomassa. Observa-se que o total de kg supera o valor de 660,4 kg registrado no cenário A, o que ocorre devido à diferen¸ca entre o PCI dos combust´ıveis. Assim:

ICE= 597, 4 kg CE/MWh Para a biomassa, tem-se:

Ibiomassa= 90, 4 kg biomassa/MWh

- Transporte: para o carvão sendo transportado, o procedimento é similar ao já apresentado para o cenário A (transporte em trem e caminhão), no entanto, muda a quantidade a ser transportada, dado que a contribui¸cão energética do carvão é menor.

Transporte do carvão em trem: a distância considerada para o transporte por trem é de 80 km, desse modo:

597,4 kg · 80 km = 47,8 tkm × 2 vezes (considerando ida e volta) Itrem = 95,6 tkm/MWh

4.2 Passo 2: An´alise exerg´etica e ambiental 83

Transporte do carvão em caminhão: a distância considerada é de 20 km, assim:

597,4 kg · 20 km = 11,9 tkm × 2 vezes (considerando ida e volta) Icaminhao= 23,8 tkm/MWh

Transporte da biomassa em caminhão: para a biomassa, o transporte é realizado em caminhão. Considerando as caracter´ısticas da mesorregião em estudo, é proposta uma distância média de 50 km para o transporte da mesma:

90,4 kg · 50 km = 4,5 tkm × 2 vezes (considerando ida e volta) Icaminhao= 9 tkm/MWh

Novamente, ambas as modalidades de transporte foram penaliza- das ao considerar a mesma quantidade de tkm para a volta, tendo em vista que tanto caminh˜oes como vag˜oes retornam vazios, o que reduz o consumo.

- Eletricidade: Neste cenário, a eletricidade corresponde à utilizada por equipamentos na usina termoelétrica, conforme foi apresentado no cenário A, e ao consumo de eletricidade dos equipamentos na terceira etapa da rota da biomassa (ver Apêndice B).

Eletricidade referente à rota do carvão: para o caso do carvão, o ´ındice corresponde ao calculado no primeiro cenário:

Ieletricidade= 0, 07 MWh/MWh

Eletricidade referente à rota da biomassa: a rota da biomassa apresenta consumo de eletricidade na terceira etapa. A partir do inventário dos equipamentos, é contabilizada uma potência nominal de aproximadamente 0,5 MW, o que equivale a 1,01% do total da energia gerada. Assim:

- Diesel : para o caso da rota do carvão, é considerado o diesel utilizado por maquinaria e equipamentos associados à dita rota no interior da usina termoelétrica (referente à terceira etapa da rota do carvão). Para o caso da rota da biomassa, esta fonte energética é importante para os processos na lavoura cujos equipamentos operam a diesel (referente à primeira etapa da rota da biomassa). O diesel relacionado à etapa de transporte foi indicado anteriormente.

Diesel referente à rota do carvão: tomando como base a média horária fornecida pelo pessoal na usina de 120 l/h, tem-se: 120 _hl · 1×10−3m3 1 l = 0,12 m3 h sendo ρdiesel= 850_mkg3 ⇒ 0, 12 m3 h · 850 kg m3 = 102 kg h

Logo, o indicador identificado em rela¸cão à unidade funcional definida será:

Idiesel= 102 kg diesel45,8 MWh = 2,23 kg diesel/MWh

O indicador em base energ´etica pode ser determinado a partir do PCIdiesel (41, 8 MJ/kg diesel):

Idiesel= 93, 2 MJ/kg CE

Diesel referente à rota da biomassa: aqui, é obtido o indicador para o caso do diesel associado aos processos na lavoura descritos na Se¸cão 4.1.3.1. A opera¸cão em combustão combinada, que utiliza até 10% de biomassa em base energética, requer 4.121 kg de biomassa por hora (considerando o PCIbiomassa= 13.338 kJ/kg), ou 99 toneladas por dia.

A coleta da biomassa foi realizada com os equipamentos descritos no Apêndice B (três tratores de alto porte e seis de médio porte). Em média, diariamente, foram obtidos 87 fardos de biomassa de 354 kg cada, o que corresponde a 30,8 toneladas. Para atingir a meta de 99 toneladas diárias (280 fardos/dia), seria necessário aumentar 3,2 vezes a quantidade desses equipamentos.

Tratores de alto porte apresentam um consumo de 16 l/h, en- quanto os de médio porte consomem, aproximadamente, 9 l/h. Assim, para a obten¸cão do indicador associado ao consumo de diesel, é proposto um fator correspondente a 4 vezes os valores

4.2 Passo 2: An´alise exerg´etica e ambiental 85

dos equipamentos utilizados durante o mês de coleta de biomassa, o que totaliza 12 tratores de alto porte e 24 de médio porte. Os consumos estimados de diesel foram calculados para um per´ıodo de opera¸cão de 8 h/dia, conforme apresentado a seguir:

12 tratores grandes · 16 _hl · 8 h dia = 1.536 l dia igualmente, 24 tratores m´edios · 9 l h · 8 h dia = 1.728 l dia

logo, o total de diesel consumido por dia é de 3.264 l. Assim o indicador associado com dita fonte energética será:

3.264_dial · 1 dia 285 fardos = 11, 5 l fardo ⇔ 3, 23 × 10 −5 m3 kg

Lembrando que ρdiesel = 850 _mkg3, o indicador em base m´assica

ser´a:

3, 23 × 10−5 m_kg3 · 850_mkg3 = 2, 74 × 10−2

kg diesel kg biomassa

Idiesel= 2, 74 × 10−2_{kg biomassa}kg diesel · 90, 4kg biomassa_MWh = 2, 48 kg/MWh e, em base energ´etica com PCIdiesel (41, 8 MJ/kg diesel), ser´a: Idiesel = 103, 7 MJ/MWh

(ii ) Emiss˜oes ao ar :

Os indicadores para as emissões ao ar do cenário B, foram igualmente estimadas a partir do modelo de combustão proposto no Apêndice E. ICO2= 990 kg CO2/MWh ISO2= 13,6 kg SO2/MWh ICO= 6,9×10−5 kg CO/MWh INO2= 7,9×10 −3 _{kg NO} 2/MWh IN2O= 8,1×10 −5 _{kg NO} 2/MWh

ICH4= 1,1×10

−32 _{kg CH}

4/MWh

O Apêndice E mostra que, para a opera¸cão em combustão combinada (90% carvão - 10% biomassa), foram estimados 1.140 kg CO2−eq/MWh, superando o valor de 1.116 kg CO2−eq/MWh, registrado para o cenário A. Nota-se que somente a parcela rela- tiva à queima do carvão está sendo considerada para o inventário, baseando-se no fato de que os kg CO2−eq/MWh gerados pela queima da biomassa foram sequestrados na fotoss´ıntese, durante o crescimento da planta. Os indicadores do material particulado foram mantidos iguais ao do cenário A devido à falta de informa¸cão a respeito.

Iparticulado <2,5 µm= 10,2 kg/MWh Iparticulado >10 µm= 2,53 kg/MWh

Iparticulado >2,5 µm, e <10 µm= 1,19 kg/MWh

(iii ) Emiss˜oes ao solo:

- Cinzas pesadas: segundo a informa¸cão fornecida no complexo termoelétrico, as cinzas pesadas representam 20% do total das cinzas presentes no carvão.

Icinzas pesadas= 50 kg/MWh

(iv ) Produtos evitados:

A utiliza¸cão da biomassa residual como combust´ıvel alternativo na usina termoelétrica durante a opera¸cão em combustão combinada evita a decomposi¸cão microbiana da biomassa nas lavouras e, com isso, dificulta a libera¸cão de gases importantes para a categoria de impacto avaliada, como CH4, CO2, CO, entre outros. Vários trabalhos apresentam indicadores relacionados a es- ses gases, considerando o per´ıodo sazonal. Com rela¸cão ao CH4, Eberhardt et al. (2009), por exemplo, propõem valores entre 55 e 62 g CH4/m2. Segundo o relatório de referência elaborado por Lima, Pessoa e Ligo (2006), que trata de emissões de CH4do cul- tivo de arroz, é sugerido que, na ausência de valores para o fator de emissão em campos de arroz inundados no Brasil, seja utilizado o valor médio de 20 g CH4/m2. Pode-se observar portanto o alto grau de incerteza em torno desses tipos de indicadores.

4.2 Passo 2: An´alise exerg´etica e ambiental 87

Nem todo o carbono presente na biomassa é liberado à atmosfera em forma de CH4, devido a que uma parte é transferida ao solo e outra é oxidada pelas baterias aeróbicas, de acordo com Agostinetto et al. (2002). Considerando isso, para a obten¸cão dos indicadores, é proposto que 50% do carbono presente na biomassa seja incorporado ao solo, e que 50% seja liberado à atmosfera em forma de CH4, CO2e CO, com as seguintes propor¸cões: para 1 kg de palha que contém 39% de carbono (ver Tabela 4.4), indica-se uma quantidade de 0,39 kg referente ao carbono. Neste caso, se 50% for incorporado ao solo, sobram 0,195 kg de carbono por kg de palha. As propor¸cões propostas para emissões evitadas são de 40% CH4, 30% de CO2e 30% de CO. Assim:

ICH4evitado ⇒ 0, 195 kg Carbono · 40% = 0, 078 kg CH4/kg palha

ICO2evitado ⇒ 0, 195 kg Carbono · 30% = 0, 058 kg CO2/kg palha

ICOevitado ⇒ 0, 195 kg Carbono · 30% = 0, 058 kg CO/kg palha Segundo os dados registrados na Tabela B.4, durante a coleta da biomassa foram necessários 2 m2_{para a obten¸}_c˜_{ao de 1 kg de palha,} o que corresponde, considerando o valor proposto para a emissão evitada de CH4, à ordem de grandeza referenciada anteriomente. A Tabela 4.7 resume o inventário do ciclo de vida do processo de gera¸cão termoelétrica para os dois cenários avaliados: cenário A - 100% carvão e cenário B - 90% carvão e 10% biomassa. Da mesma forma que para o inventário de ciclo de vida do processo de minera¸cão, o impacto ambiental devido aos fluxos considerados relevantes foram tomados de processos similares, registrados na base de dados Ecoinvent do soft- ware SimaPro. Já as emissões associadas à queima dos combust´ıveis, foram estimadas a partir do modelo de combustão de equil´ıbrio qu´ımico apresentado no Apêndice E.

Na terceira fase, correspondente à avalia¸cão do impacto do ciclo de vida (AICV), foi realizada uma análise similar ao caso do cenário A. Por meio do programa SimaPro, avalia-se a categoria de impacto denomi- nada mudan¸ca climática, mediante o ´ındice Global Warming Potential (GWP), que considera um horizonte de tempo de 100 anos para cada emissão de efeito estufa, com base na unidade funcional previamente definida.

Tabela 4.7 – Invent´ario do ciclo de vida usina termoel´etrica. Unidade funcional: 1 MWh.

Entradas Cenário A Cenário B Unidade [100% Carvão] [10% Biomassa]

Carv˜ao energ´etico 660,3 597,4 kg

Biomassa 0 90,4 kg Transporte trem 105,6 95,6 tkm Transporte Caminhão 26,4 32,8 tkm Eletricidade 7, 0×10−2 8, 0×10−2 MWh Diesel 93,2 196,9 MJ Sa´ıdas Emissões ao ar CO2 1.116 990 kg CO 6, 6×10−5 6, 9×10−5 kg CH4 8, 3×10−33 1, 1×10−32 kg SO2 15, 3 13,6 kg N2O 8, 2×10−5 8, 1×10−5 kg NO2 8, 1×10−3 7, 9×10−3 kg Particulado < 2, 5µm 10, 2 10, 2 kg Particulado > 10µm 2, 53 2, 53 kg Particulado > 2, 5 < 10µm 1, 19 1, 19 kg Emissões ao solo

Cinzas pesadas 55,3 50 kg

Emiss˜oes evitadasa

CH4 0,078 kg

CO2 0,058 kg

CO 0,058 kg

a_{Valor estimado pela n˜}_{ao decomposi¸}_c˜_{ao da biomassa na lavoura.}

Finalmente, na quarta fase correspondente à interpreta¸cão dos resultados, o modelo ambiental indicou uma emissão de 1.253 kg de CO2−eq por MWh, dos quais 990 CO2−eq são associados à parcela de carvão queimada na usina termoelétrica. Já a parcela da biomassa foi quantificada como 150 CO2−eq. Como indicado na Figura 4.21, a usina termoelétrica responde por 90,9% do total de CO2−eq. Os processos de processamento (pré-combustão) e de minera¸cão respondem por 4,1% e 4,0 %, respectivamente. As etapas relativas ao transporte, tanto do carvão quanto da biomassa, e aos processos na lavoura são pouco re- presentativas, equivalendo a 1%.

4.2 Passo 2: An´alise exerg´etica e ambiental 89

O valor registrado para a emissão evitada por decomposi¸cão microbiana da biomassa no campo foi de 182 CO2−eq por MWh, o que representa um valor importante, se comparado, por exemplo, com o impacto associado aos processos de minera¸cão. Se for subtra´ıdo do valor total 1.103 CO2−eq por MWh, pode-se concluir que o valor l´ıquido do impacto ambiental, para a categoria avaliada, é de 921 CO2−eqpor MWh, o que representa uma redu¸cão próxima a 34% do valor do impacto para o caso de opera¸cão padrão. A Se¸cão 4.3.2.2 amplia a dis- cussão dos resultados.

O Apêndice D mostra o resultado obtido a partir do modelo proposto e dos inventários de ciclo de vida apresentados para a categoria de impacto de acidifica¸cão.

4.2.2.2 An´alise exerg´etica

Nesta se¸cão, é apresentado o procedimento seguido para a análise exergética do cenário B. Da mesma forma que no caso do cenário A, são seguidas as pautas sugeridas na Se¸cão 3.2.2.2 da estrutura metodológica e as etapas identificadas no fluxograma da Figura 4.16.

Para opera¸cão em combustão combinada (90% carvão - 10% biomassa), os fluxos de massa do carvão e da biomassa são de 7,6 e 1,15 kg/s, respectivamente (ver Apêndice C). O valor da fonte exergética calculado foi de 165,4 MW. Diferentemente do cenário A, esse valor é explicado devido à perda de eficiência assumida pelo modelo, quando o sistema opera em combustão combinada (ver Se¸cão 4.2.2.1).

Primeira etapa: Obten¸c˜ao de carv˜ao e biomassa:

A primeira etapa envolve os processos para a obten¸cão da biomassa na lavoura e de minera¸cão na obten¸cão do carvão energético, como pode ser visto na Figura 4.16. O ICV elaborado para o cenário B indicou que a eletricidade consumida durante o processo de minera¸cão é de 0,0461 kWh por cada kg de CE. O modelo termodinâmico mostrou que, em opera¸cão cont´ınua (24 h/dia, 30 dias/mês), o consumo de carvão energético é de 7,6 kg/s. Assim, a potência elétrica consumida durante a etapa de minera¸cão é:

0 25 50 600 700 800 900 1000 1100 1200 k g C O 2 -e q /M W h Lavoura Transp. biomassa Transp. carvão Processam. (pré-comb.) Mina Ciclo Térmico 0,6% 0,3% 0,1% 4% 4,1% 90,9%

Figura 4.21 – Emiss˜ao de CO2−eq por MWh emitidos no cen´ario B.

Para o caso do diesel, o ´ındice apresentado no ICV é de 1, 30 × 10−3 kg diesel/kg CE. A partir desse ´ındice é poss´ıvel estimar o fluxo mássico e, com isso, o valor exergético equivalente seguindo o indicado na Equa¸cão 3.5.

mdiesel= Idiesel· ˙mcarv˜ao= 9, 88 × 10−3 kg diesel_s Assim, a partir da Equa¸c˜ao 3.5, tem-se:

Eeq−diesel= PCIdiesel· ˙mdiesel· ηeq= 0, 12 MW

logo, para as fontes energ´eticas avaliadas, o total de energia considerada como exergia destru´ıda ´e de 1,38 MW.

Para a biomassa, o ICV feito na primeira etapa de sua rota indicou que, por cada kg de biomassa, são consumidos 2, 74 × 10−2kg diesel. Lembrando que o fluxo de biomassa é de 1,15 kg/s, tem-se o seguinte fluxo mássico do diesel:

4.2 Passo 2: An´alise exerg´etica e ambiental 91

e, mediante a Equa¸c˜ao 3.5, obt´em-se: ˙

Eeq−diesel= PCIdiesel· ˙mdiesel· ηeq = 0, 4 MW

Segunda etapa: transporte

Para o caso do carvão, o valor da exergia consumida é calculado da mesma forma que para o cenário A. Deste modo:

0, 57_tl

CE × 2 vezes (considerando ida e volta) = 1, 14

l tCE ∴ 1, 14t CEl · [ 1 t 1.000 kg] = 1, 14 × 10 −3 l kg CE

Lembrando que, para o cenário B, o consumo de carvão é de 7,6 kg/s e que ρdiesel = 850 kg/m3, obtém-se o seguinte valor do fluxo de massa do combust´ıvel: ˙ mdiesel= 1, 14 × 10−3 l_kg · 7, 6kg CE_s = 8, 66 × 10−3 l_s · [1×10 −3_m3 l · 850 _mkg3] = 7, 36 × 10−3 kg_s

portanto, o valor exergético associado ao portador energético diesel durante a etapa de transporte é da ordem:

Eeq−diesel= PCIdiesel· ˙mdiesel· ηeq = 9, 3 × 10−2MW

Para o caso da biomassa, de acordo com o Apêndice B o consumo espec´ıfico de combust´ıvel do caminhão é de 205 g/kWh, com potência máxima de 130 kW. Por tratar-se de um servi¸co leve (trans- portando em média 6,4 t), considera-se que o caminhão trabalha a uma potência média de 80 kW, o que equivale a um consumo da ordem de 16,4 kg/h. Para garantir a quantidade de biomassa, são necessários dois caminhões, o que gera um consumo de diesel da ordem de 32,8 kg/h. Assim, o fluxo mássico associado ao transporte é:

mdiesel= 32, 8kg diesel_h · [_{3.600 s}1 h ] = 9, 11 × 10−3kg/s e o equivalente exergético é obtido com a Equa¸cão 3.5:

Terceira etapa: processamento (pr´e-combust˜ao)

Tanto para o manuseio do carvão quanto para o da biomassa, a principal fonte energética identificada na etapa de processamento (pré- combustão) é a eletricidade. Somando os indicadores obtidos no ICV, conclui-se que é necessário 0,08 MW por cada MWh gerado (8% do total da energia gerada). Assim, é proposto um valor de 3,67 MW.

Os resultados apresentam um comportamento similar ao do cenário A. O ciclo térmico continua sendo o maior destruidor de exergia, res- pondendo a 95,4% do total, como pode ser visto a partir da Figura 4.22. Nota-se uma pequena redu¸cão em rela¸cão ao processo de minera¸cão, o que ocorre devido a menor participa¸cão desta fonte durante a opera¸cão em combustão combinada. As demais etapas apresentam valores referentes à exergia destru´ıda, indicadas abaixo.

0 1 2 3 50 60 70 80 90 100 1,1% 0,3% 0,15% 0,15% 2,9% 95,4%

Razão de exergia consumida yC,z, %

Mina Lavoura Transp. biomassa Transp. carvão Ciclo Térmico Processamento (pré-combustão)

Figura 4.22 – Raz˜ao de exergia consumida no cen´ario B.

4.3 Passo 3: An´alise dos resultados

Conforme exposto no Cap´ıtulo 3, a análise dos resultados visa à identifica¸cão das etapas consideradas relevantes com base nos resultados obtidos na análise exergética e ambiental. A seguir, é apresentada a avalia¸cão dos cenários estudados, o cenário A que considera a queima

4.3 Passo 3: An´alise dos resultados 93

atual do carvão e o cenário B que corresponde à opera¸cão em combustão combinada 90% carvão - 10% biomassa.

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