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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Avaliação do potencial energético de resíduos de biomassa Amazônica

 

 

José Maria da Conceição de Oliveira Pio Caetano Lobo

Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá. CEP 37.500-903 - Itajubá -MG tel.: (xx35) 3629-1308 fax: (xx35) 3622-3596

 

 


RESUMO

Apresenta-se a avaliação do Potencial Energético de Resíduos de Biomassa Amazônico, visando minimizar custos e impactos ambientais como fontes sustentáveis de energia, os resíduos agrícolas e florestais do extrativismo como os da castanha-do-pará, fruto comestível do castanheiro-do-pará, árvore de grande porte, da família das lecitidáceas (Bertholletia excelsa). O castanheiro produz o ouriço da castanha que pesa em média 2,4 kg , onde se armazena as castanhas e cada ouriço contém em média 25 castanhas totalizando 1/3 do peso bruto do ouriço. A partir do ciclo produtivo e poder calorífico dos resíduos de ouriço de castanha em laboratório, utiliza-se as Leis da Termodinâmica para determinar o potencial da sua utilização como fonte energética e comparar suas propriedades com as das biomassas lenhosas


ABSTRACT

An evaluation of the energy potential of biomass residues in the Amazon region is presented, with a view to minimise costs and environmental impacts with sustainable energy sources. The extractivist agricultural and forest residues such as brazil nuts edible fruit of the Brazil nut tree, of the family of lecitidáceas (Bertholletia excelsa). The fruit, weighing on average 2,4 kg, consists of a shell enclosing on average 25 brown pods with 1/3 of the gross weight of the fruit. From the production cycle and laboratory measurements of the calorific value of the residue, its potential and comparison with woody biomass as an energy source is determined from the Laws of Thermodynamics.


 

 

INTRODUÇÃO

Os Com a crise mundial do petróleo de 1973, passou-se a prestar maior atenção à biomassa como fonte energética e no mundo todo vários programas nacionais começaram a ser desenvolvidos visando obter maior eficiência de sistemas para a combustão, gaseificação da biomassa. A oferta de energia, inclusive no Brasil, buscam-se novas fontes preferencialmente sustentáveis. Uma alternativa atraente é o uso da biomassa como fonte sustentável de energia, especialmente na região amazônica, onde energia hidrelétrica e derivados de petróleo são caros porque precisam ser transportados por grandes distâncias. A biomassa é fonte de 14% da energia utilizada no mundo (35% de energia nos países em desenvolvimento). No Brasil segundo o Boletim do Balanço Energético Nacional (1996), a biomassa representa 22,6% do uso de energia no país, o que eqüivale a 45 milhões de toneladas equivalente de petróleo (tEP). O desenvolvimento dos processos de conversão tradicionais para sistemas altamenteeficientes, levando a vetores energéticos modernos (combustíveis líquidos, gasosos e eletricidade) trará uma mudança importante no perfil de utilização e nos volumes de biomassa para energia, nos próximos anos. Com novas bases para o desenvolvimento rural e emprego, assim como as limitações globais ao crescimento da concentração de CO2 atmosférico, serão fatores para o aumento do uso da biomassa energética[2]. Contudo, dado as características específicas de cada tipo de biomassa, é necessário determinar a disponibilidade e as propriedades energéticas do resíduo considerado e desenvolver tecnologia apropriada para o seu manejo adequado no desenvolvimento de sistemas de produção rural sustentáveis e compatíveis com as características ecológicas, econômicas e sociais da região. Neste trabalho analisa-se a energia nos resíduos produzidos da sobra do ouriço de castanha-do-pará, para o qual o poder calorifico da biomassa será utilizada a primeira e Segunda Lei da Termodinâmica. Na região amazônica temos diversidades de biomassa, mas não temos programas de incentivos e tão pouco projetos tecnico para implementar tecnologias na utilização de biomassa como fonte principal de energia, seja nos vilarejos, povoados ou colônias isoladas na região norte do brasil. Nas florestas amozônicas temos outras biomassas, como os residuos do açaí, patóa, abacaba, cupuaçu, cocô babaçu, andiroba, madeiras remascentes das queimadas com autorização do IBAMA e IEF, resíduos das serrarias existentes na região. A utilização das biomassas citadas como fonte de energia , poderíamos diminuir os problemas causados pela falta de energia elétrica que nos dias de hoje se classifica como a prioridade principal para as comunidades isoladas e para as agro-vilas existentes na Amazônia. Com a utilização dos resíduos do ouriço de castanha-do-pará nos futuros projetos sustentáveis e renoveis, esperamos que o estudo seja aproveitado para facilitar o desenvolvimento e solução dos problemas direcionados os produtores rurais das comunidades e vilarejos e outros na região norte do país.

O ciclo produtivo do castanheiro se dá uma vez por ano, sendo a colheita realizada nos meses de março e maio, onde a produtividade e registrada pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) [4]. A produção estimada nos estado do Amazonas e no Pará nos anos de 1998 à 1999 conforme dados do IBGE foram relativamente grande mas os dados do (IBGE) não condizem com os dados reais, pois a produção ou colheita de ouriço e bem maior do estimado, sendo que os caboclos da Amazônia não registram as colheitas individuais, ficando assim a estimativa de produção 50% maior.

O objetivo a parte desse estudo e mostrar que esses resíduos florestais que são jogados fora, será parte da solução para a energização da região, minimizando as dificuldades das agro-vilas implantadas no meio rural. A proposta do levantamento em laboratório do poder calorifico da biomassa do ouriço de castanha tem como objetivo levantar as possibilidades do seu uso em caldeiras, fornalhas e gaseificadores para produção de energia em comunidades isoladas ou rural que na Amazônia são classificadas como "ribeirinhas".

 

INFORMAÇÕES GERAIS DA BIOMASSA

CASTANHA-DO-PARÁ fruto oriundo do castanheiro-do-pará, árvore da família das Lecitidáceas, também chamada castanha-do-maranhão, castanha-do-rio-negro, castanha-do-brasil, tocari, tururi, cari, juviá, tucá, nhã, amendoeira-da-américa [1]. Abundante na Amazônia onde se encontra o ouriço da castanha com forma esférica com peso em média de 2,4 kg sendo que cada ouriço armazena em média 25 castanhas totalizando 1/3 do seu peso bruto, somente a castanha é aproveitada, e o resíduo, sem nenhuma utilização, se torna lixo[4], a seguir e mostrado a ilustração em forma de fotografia do ouriço-de-castanha-do-pará, mostra o fruto inteiro e em corte mostrando a forma de acondicionamento das castanhas no seu interior e também temos as figuras 1, 2, 3, 4 mostrando em destaque a forma e disposição do fruto e detalhes com o a espessura do mesmo apresentadas nas ordens abaixo.

 

 

 

 

 

 

 

 

PROCEDIMENTO ESTIMATIVA DA PRODUÇÃO DE OURIÇO DE CASTANHA-DO-PARÁ

Os levantamentos preliminares da produção dos resíduos de ouriço de castanha foram descritos com base dos dados fornecidos pelo IBGE, nos Estados do amazonas e no Estado do Pará. Os valores fornecidos são baseados nos registros da castanha em fase de industrialização ou melhor limpas ou sem casca, com esses valores fizemos uma estimativa da produção dos resíduos, pois para cada peso do ouriço bruto que se dá na faixa de 2,4kg as castanhas contidas no seu interior é em média de 25 em quantidades, para os valores totais temos que para 1kg de castanha limpa, eqüivale a 1,4kg de resíduos incluindo as cascas da castanha bruta retiradas. Os dados para os cálculos e valores estimados nos exercício de 1998 e 1999 foram fornecidos pelo IBGE [4].

Dados 1. Valores estimados de resíduos de ouriço e casca de catanha-do-pará

 

Dados completos de produção não existem, pois grande parte da coleta dos ouriços é feita por produtores rurais isolados, sendo a maior fração da produção é consumida nas próprias comunidades ou agro-vilas nos Estados da região Amazônia. Os valores reais poderiam atingir 70% da produção registrada pelo IBGE, mais existem as dificuldades em se obter esses valores, pois as secretarias municipais e até mesmo as Estaduais não dispõe de um banco de dados nesse setor de extrativismo que atualmente é uma das soluções para a permanência dos caboclos amazônicos nos setores rurais do norte do Brasil. Atualmente esses resíduos da sobra das colheitas tem o destino somente para manutenção mínima desses produtores que no caso é utilizado nos fornos de secar a massa da mandioca para a posterior transformação em farinha comestível. O restante é jogado fora ou abandonado às margens dos roçados causando poluição e até ainda ocupando de áreas de plantio. O uso combinado da lenha seca e do ouriço e também uma forma de secagem das massas de fazer farinha, causando assim um grande desperdiço de biomassa existente que poderia ser utilizada na obtenção de energia elétrica e até mesmo no uso de pequenas caldeiras e gaseificadores [3].

 

OBTENÇÃO EM LABORATÓRIO DO PODER CALORIFICO E ANALISE TEÓRICA

A variação da energia interna na "queima" completa de um combustível é denominado poder calorifico e pode ser medido em de uma bomba colorimétrica. O poder calorífico determinado pela bomba colorimétrica, constitui importante indicador do potencial energético de um determinado tipo de biomassa. O poder calorífico depende da composição química, da qualidade e da natureza dos depósitos de outras matérias orgânicas e inorgânicas, existindo uma ampla variação nesse valor entre espécies, dentro de uma mesma espécie, podendo variar até mesmo numa única amostra de biomassa [2],[5].

A grande maioria dos combustíveis contém hidrogênio e umidade em sua composição química. Sabe-se que o hidrogênio dos combustíveis pode reagir com oxigênio do ar, durante a combustão, produzindo água , que acrescida da umidade do combustível, passa a fazer parte dos produtos de combustão. Se a água total resultante da combustão estiver na fase liquida, o poder calorífico é dito superior (PCS). Caso contrário, se estiver vaporizada, diz-se que o poder calorífico e inferior (PCI) [5],[6].

Tanto o PCI como o PCs podem ser utilizados no cálculo do desempenho de sistemas de combustão. A diferença está no fato do PCI deduzir a parcela relativa à entalpia de evaporação da massa total de água passada aos produtos de combustão, por já considerá-la no estado vapor. Portanto sendo dado o PCs do ouriço, para o calculo teórico PCI [7].

PCI= poder calorífico inferior do ouriço com baixa umidade (KJ/kg).

PCSS= poder calorífico superior do ouriço com baixa umidade (KJ/kg).

maf= massa de água formada na combustão, pela reação química do hidrogênio do ouriço com o oxigênio do ar de combustão ( kmol de água/kmol de ouriço).

hlv = entalpia de vaporização da água à temperatura ambiente (KJ/kg).

Na oxidação do hidrogênio são formados 18 kg de água para cada 2 kg de hidrogênio, logo:

onde y é a fração de hidrogênio do ouriço baixa umidade.

Considerando a parcela de cinza não convertido e dividindo o subtraindo da equação (1)

onde:

pela massa do ouriço (moS), em kg de ouriço baixa umidade/kmol de ouriço seco (no intuito de apropriar as unidades), tem-se:

Onde:

p5= fração molar da cinza (kmol cinza/kmol ouriço).

y'= numero de moles de hidrogênio da cinza (kmol H/kmol cinza).

O valor de (moS) correspondente obtemos através da solução da equação

onde os números 12, 1 e 16 são as massas atômicas de C, H e O, respectivamente, em kg do elemento/kmol do elemento.

Em base úmida, isto é, considerando o ouriço com uma certa unidade, o respectivo poder calorifico superior fica:

Onde:

PCSu= poder calorifico superior, em base úmida (KJ/kg ouriço seco).

wo= conteúdo de umidade do ouriço (kg água/kg de ouriço úmido).

Para determinar o poder calorifico inferior em base úmida (PCIu), deve-se deduzir do PCSu, alem da água formada durante o processo de combustão, a parcela equivalente à própria umidade do ouriço. Então:

Onde:

mag= massa de água no ouriço, em base molar (kg água/kmol ouriço sem umidade).

mo= massa relativa do ouriço úmido, em base molar (kg ouriço úmido/kmol de ouriço sem umidade).

Tomando por base a equação

mag= massa da umidade do ouriço (kg água/kmol de ouriço sem umidade).

Mag= massa ou peso molecular da água (18 kg água/kmol água).

Com auxilio da equação (8), temos;

Então:

Para calcular o mou temos a equação seguinte:

onde:

mou é dado em kg ouriço úmido/kmol ouriço seco.

A cinza residual pode apresentar poder calorífico apreciável . O poder calorifico superior, em base seca, assim como nos demais combustíveis, é determinado em bomba colorimétrica. O poder calorífico inferior, em base seca, é calculado subtraindo-se do PCSS a parcela referente à massa de água formada na combustão, pela reação química do H2da cinza residual com o O2do ar de combustão. Assim, temos:

Onde:

PCIc= poder calorífico inferior da cinza, em base seca (KJ/kg cinzas)

PCSS= poder calorífico superior da cinza, em base seca (KJ/kg cinzas)

Em base úmida, isto é, considerando a cinza ainda com uma certa umidade, embora muito pequena, o poder calorífico superior fica:

Onde:

wcar= conteúdo de umidade da cinza, em base úmida (kg água/kg cinza residual úmida).

Deduzindo-se do PCSc a parcela de água formada durante o processo de combustão e a parcela equivalente à própria umidade do cinza residual quantidades estimadas dos resíduos do ouriço de ainda que pouco significante), obtêm-se o poder calorífico inferior da cinza, em base úmida [7].

Podemos também utilizar para o calor latente de vaporização da água a 20C é 585 Kcal/Kg embora a maioria dos autores adote para o cálculo do poder calorífico inferior o valor de 600 Kcal/Kg. Assim chamando de "W" a água que aparece nos produtos da combustão para cada Kg de combustível e de "Pcs" o poder calorifico superior, o poder calorifico inferior será assim conforme a equação [6].

Para o valor do poder calorifico pratico do ouriço de castanha-do-pará , ensaiamos em laboratório com a bomba colorimétrica marca Tabof, modelo Tabof, obtendo o valor de PCS= 19,769 MJ/Kg, sendo este valor a média aritmética de quatro amostras realizado em laboratório. Esse valor do PCS do ouriço de castanha-do-pará se aproxima do valor do combustível lenhosa. Sendo a utilização dessa biomassa como fonte de energia e combustiveis adequada em caldeira e gaseificadores.

 

CONCLUSÃO

Concluímos a partir dos resultados deste estudo sobre os resíduos florestais que são jogados fora e queimados sem critérios ambientais e abandonados nas florestas principalmente na amazônica, tornando-se fontes poluidora para os roçados, sendo considerados entulhos. No futuro esperamos que façam parte da solução para a energização rural da região, minimizando as dificuldades das agro-vilas implantadas no meio rural. Onde se criará grandes facilidades para o caboclo da Amazônia, que vive de extrativismo de subsistência e evitará o grande êxodo rural. Com a quantidade de biomassa desperdiçada nos dias de hoje neste região, sendo que podemos converter em potencial energético todo resíduos combinados, como os ouriços de castanha-do-pará, resíduos de cocô babaçu, resíduos da casca do cupuaçú, resíduos do patoá, resíduos do abacaba, os resdiuos das serragem e cascas das toras de arvores que são utilizadas para o beneficiamentos nas serrarias, restos de madeiras derivadas das queimadas autorizadas pelo IBMA e outros órgão ambientais competentes.

. Conforme os dados fornecido pelo IBGE das castanha-do-pará nos estados do Amazonas e do Pará em analise experimental obtivemos o poder calorifico superior com umidade na faixa de 20% no valor de 19769KJ/Kg que convertido em energia térmica e posteriormente em elétrica obtivemos valor aproximado de 1264.030 kWh de energia elétrica, este valor aproximado facilitaria a implantação de vários projetos agrícolas e rural e beneficiaria varias comunidades isoladas(difícil acesso), existente na região norte. O potencial energético existente como as biomassas citadas além de serem utilizadas como fonte comestíveis os resíduos das sobras não mais passaria ser fonte poluidora como acontece atualmente. Com o uso racional dessa energia, facilitará ao caboclo da Amazônia e os caboclo ribeirinhos condições melhores de vida nos sítios e colônias como são chamadas as vilas existente nesta região . Possíveis melhoria dependerá dos projetos como exemplo "o plana flora" e "agró-vilas" no estado de Rondônia é entre outros criados para o apoio do pequeno produtor rural "caboclo amazônico". Sendo que na maioria dos municípios da região Amazônia temos uma demanda muito pequena , em média na maioria dos pequenos municípios de 100 à 500 [KW], facilitando assim como modelo alternativo de geração de energia o uso de Locomoveis, Caldeiras de alto rendimento, Gaseificadores de Leito Fixo e Fluidizado, assim como outras alternativas inerente as necessidades da região.

 

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao CNPq, pelo apoio total a pesquisa e financeira, ao Professor Dr. Pio Caetano Lobo pelas relevantes informações prestadas ao longo das pesquisas, aos funcionários da UNIFEI pela dedicação e gloriosa solidariedade com os alunos e os colegas de curso que nas duvida e dificuldades colaboraram com o total apoio a informações, aos professores que diretamente e indiretamente nos auxiliaram com a prestação de uso do bom senso, ao Instituto Brasileiro de Geografia Estatística(IBGE) dos Estados do Pará , Amazonas, Rondônia, Acre, bem como as Secretarias de Estado da Agricultura de Rondônia, ao SEBRAE-RO.

 

REFERÊNCIAS

1] BALBACH, ALFONS., BOARIM, DANIEL S. F. As frutas na medicina natural. 1ª edição Revisada, atualizada e ampliada - Edições Vida Plena - Itaquaquecetuba- São Paulo. 1993. Pp. 143 - 146.

[2] CORTEZ, LUIS AUGUSTO BARBOS. , LORA, ELECTRO SILVA. Tecnologia de conversão energética da biomassa, pp. Ix - 19 - Universidade do Amazonas/EFEI - 1997.

[3] PERES, CLÁUDIO ANTÔNIO. O desempenho de Sistemas de combustão a lenha - Aspectos conceituais e metodológicos, pp. 35 - 61. Dissertação de Mestrado - 1995 - Escola Federal de Engenharia de Itajubá - Minas Gerais.

[4] BRASIL. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística-IBGE. Sinopse preliminar do censo demográfico de 1998 e 1999.

[5] VAN WYLEN, GORDON J. , SONNTAG, RICHARD E. Fundamentos da termodinâmica clássica, 2.ed.- pp. 67-137 SÃO PAULO: Editora

6] COSTA, ENIO CRUZ. Física Industrial - Cap. VII, editora CEUE - 1962 -1963, pp. 01-11.

[7] ARRIETA, FELIPE RAÚL PONCE - Dissertação de Mestrado - Escola Federal de Engenharia de Itajubá-MG. Ano 2000