BIO-ÓLEO: UMA ALTERNATIVA ENERGÉTICA SUSTENTÁVEL

M. H.R. Oliveira ¹; T. N. N. Belarmino¹; A. C.F. Coriolano²

¹Graduandos em Engenharia de Petróleo e Gás, Universidade Potiguar, 59054-180, Natal-RN, Brasil

²Professora da Universidade Potiguar, 59054-180, Natal-RN, Brasil.

RESUMO 

Este estudo consiste em expor as principais fontes de energias alternativas advindo da biomassa e fontes sustentáveis para a produção de biocombustíveis. O bio-óleo, assim como o bio-refino são fontes de biomassa e podem ser uma boa opção energética, pois são renováveis e geram baixas quantidades de poluentes. Partindo deste princípio, este trabalho tem como objetivo principal, analisar fontes de energia com impactos ambientais reduzidos, visto que a maior preocupação ambiental nos últimos anos foi a emissão de gases poluentes gerados pela queima de combustíveis fósseis e seus derivados. O estudo visa uma revisão dos dados da literatura, através de estudo bibliográfico, trazendo aspectos atuais sobre o tema e discutindo uma visão futura de sua aplicabilidade.

Palavras Chaves: bio-óleo; bio-refino, energias alternativas.

ABSTRACT 

This study is to present the main alternative sources of energy arising from biomass and sustainable sources for the production of biofuels. The bio-oil as well as bio-refining are sources of biomass, energy can be a good option because it is renewable, generate low amounts of pollutants. On this basis, this paper aims to analyze energy sources with low environmental impact, as the biggest environmental concern in recent years has been the greenhouse gas emissions generated by burning fossil fuels and their derivatives. The study aims to review the literature, through bibliographical study, bringing current aspects of the topic and discussing a future vision of its applicability.

 

Key words: bio-oil; bio-refining, alternative energy.

1INTRODUÇÃO  

Atualmente a demanda por energia está aumentando rapidamente, devido ao crescimento da população e seus anseios tecnológicos. A população mundial dedicou-se à indústria de carvão e petróleo, mas com a exploração desenfreada de reservas naturais e a questão do efeito estufa, existe atualmente grande interesse para a produção sustentável de energia. As fontes de energia renováveis, como a biomassa, têm papel fundamental no contexto energético, ambiental e socioeconômico (DEMIRBAS, 2008).

Tem sido de grande interesse encontrar alternativas que gradualmente venham a substituir a atual matriz energética baseada na extração de combustíveis fósseis. Nesse contexto, a utilização de material oriundo da biomassa, para a produção de energia, recebe considerável importância. O emprego de compostos celulósicos como madeira, por exemplo, para a obtenção de energia e outros fins tem-se mostrado vantajosa, pois, além de ser obtida de fontes renováveis, sua utilização oferece meios de se aproveitar resíduos oriundos das atividades agrícola e florestal (RIEGEL et al., 2008).

Diante desse quadro, vários países estão investindo nas pesquisas sobre os biocombustíveis e o Brasil é um bom exemplo disso com o seu programa do H-BIO. Segundo a Petrobras. (2015), o processo do H-BIO consiste em misturar óleo vegetal em frações de diesel e depois fazer hidroconversão, para diminuir a concentração de enxofre no produto, além de melhorar a qualidade do combustível. Porém, isso não torna o H-BIO um combustível limpo já que, esse combustível na verdade é óleo diesel de petróleo com 10% de óleo vegetal hidrogenado. Ainda sim, já é um começo rumo a um futuro mais ecológico, onde o combustível queimado pelos automóveis não agrida o meio ambiente e continue servindo como fonte de energia. 

O processo H-BIO foi desenvolvido para inserir o processamento de matéria-prima renovável no esquema de refino de petróleo e permitir a utilização das instalações já existentes. O óleo vegetal ou animal é misturado com frações de diesel de petróleo para ser hidroconvertido em Unidades de HDT (Hidrotratamento). O HDT consiste na hidrogenação de compostos juntamente com catalisadores empregados nestas reações na presença de uma temperatura e preção que possibilitem que o processo ocorra, o intuito deste processo é reduzir o número de contaminantes presentes nos compostos, onde no processo de HDT está englobado os processos de HDS (hidrodesulfurização) responsável pela diminuição de enxofre, o HDN (hidrodesnitrogenação) responsável pela diminuição da quantidade de nitrogênio. O HDO (hidrodesoxigenação) na retirada de oxigênio, além da HDM (hidrodesmetalização) na retirada de metais das cadeias de hidrocarbonetos, HDA hidrodesaromatização cujo intuito é obter um composto com baixo teor de aromáticos na sua composição (SOUSA, 2013).

O objetivo deste trabalho é demonstrar diferentes rotas para a produção de produtos que sejam sustentáveis, que é uma demanda global em busca da sustentabilidade, não só na área automotiva como em um aspecto geral quando o assunto é fontes de energia sustentáveis. 

Este estudo foi construído através do levantamento de dados encontrados na literatura já existente. Foram realizadas pesquisas bibliográficas por meio de artigos científicos na área de biocombustíveis e análises químicas, onde foram consultados artigos originais e de revisão sobre o tema biocombustíveis e de produtos sustentáveis da biomassa para aplicação na área da energia.

2PROCESSAMENTO DE BIOMASSA

Biomassa é a matéria orgânica da terra, pode-se dizer que é os resíduos de plantas. O termo biomassa é usado para descrever todas as formas de plantas e derivados que podem ser convertidos em energia utilizável como, madeira, resíduos urbanos e florestais, grãos, talos, óleos vegetais e lodo de tratamento biológico de efluentes. A energia gerada pela biomassa é também conhecida como “energia verde” (GENOVESE; UDAETA; GALVAO, 2006).

Existe uma grande diversidade para a biomassa e existem várias técnicas que produzem energia de forma economicamente eficiente em vez das formas não comerciais utilizadas nos países mais pobres. Estudos mostram que no futuro haverá diversas vantagens na produção energética através da biomassa, principalmente quando as fontes de energia renovável se tornar competitivas em relação aos combustíveis fósseis.

O Brasil é um país que possui uma imensa gama de produtos para a biomassa. A sua utilização diretamente como combustível pode reduzir emissões de poluentes, como o conteúdo de enxofre e baixas emissões de SO2. A bioenergia, como energia obtida a partir da biomassa, é uma das alternativas aos combustíveis fósseis, tendo condições para ser uma solução efetiva aos problemas de natureza ambiental e energético com que a sociedade atual está a ser confrontada (GENOVESE; UDAETA; GALVAO, 2006).

Segundo BRITO ; RODRIGUEZ ; OLIVEIRA, (2010), “Os vários tipos de biomassa podem ser tratados por processos químicos, bioquímicos ou termoquímicos com o objetivo de produzirem energia sob diferentes formas, nomeadamente, eléctrica, mecânica ou calorífica”.

Os tratamentos da biomassa podem ser divididos em: combustão (com ou sem processos físicos de secagem, classificação, compressão, corte/quebra etc), processos termoquímicos (gaseificação, pirólise, liquefação e transesterificação) ou de processos bioquímicos (digestão anaeróbia e fermentação).

A combustão possui fins energéticos e corresponde a transformação da energia química dos combustíveis em calor por meio das reações com o oxigénio libertando energia térmica, a combustão direta ocorre essencialmente em fogões, fornos e caldeiras. Este processo apresenta muito pouca eficiente (BRITO;RODRIGUEZ; OLIVEIRA, 2010).

3PIRÓLISE COMO PROCESSO DE DEGRADAÇÃO DE BIOMASSA

A pirolise é a degradação da biomassa em alta temperatura, onde ocorre uma ruptura da estrutura molecular originada pela ação do calor em um ambiente com pouco ou nenhum oxigênio. Utiliza-se a pirolise para obter produtos cujo o potencial energético e propriedades de uso melhores que a da biomassa original.

A degradação que ocorre na pirólise implica nas quebras de ligações C-C e novas formações de ligações C-O, no final do processo parte da biomassa é reduzida a carbono e outra parte é oxidada e hidrolisada formando cetonas, álcoois, aldeídos, fenóis, carboidratos e ácidos carboxílicos, logo estes produtos esses produtos podem-se juntar formando produtos com ésteres e polímeros (SANTOS, 2013).

A composição do bio-óleo de pirólise varia de acordo com a matéria prima utilizada. Cunha (2013) faz uma revisão de seus possíveis componentes, separando-os por cada família e matéria-prima. Seu trabalho mostra que o bio-óleo pode possuir mais de 400 componentes diferentes (RIBEIRO; LIMA; PAREDES, 2015).

Na pirólise ocorrem diversas reações de craqueamento, desidratação, isomerização, aromatização e coqueficação, no final do processo tem formado produtos gasosos, líquidos e sólidos. O gás é composto de dióxido de carbono, monóxido de carbono e metano. Quanto ao líquido pirolítico formado possui duas fases, uma contendo compostos orgânico-oxigenados de baixo peso molecular e a outra fase contendo compostos orgânicos insolúveis de alto peso molecular este é denominado bio-óleo. O sólido formado é o carvão que possui uma densidade energética maior que o combustível original (SANTOS, 2013).

As proporções dos produtos formados irão depender de diversos fatores como temperatura e tempo. Na pirólise lenta realizada em temperaturas muito baixas em cerca de 300ºC a 500ºC, o principal produto formado é o carvão vegetal. Na pirólise convencional possui um tempo de processo de 5 a 30 minutos, em temperaturas maiores que na pirólise lenta entre 400ºC a 600ºC, neste processo de pirolise gera bio-óleo e carvão e gases. No processamento da pirólise rápida o tempo de duração é entre 0,5 e 5 segundos, em temperatura alta entre 400ºC a 650ºC, neste processo gera bio-óleo.

A pirólise rápida que gera bio-óleo é umas das rotas mais utilizadas, pelo fato de que o óleo gerado possui menor custo que a biomassa sólida e leva vantagem em termos de logística como transporte e estocagem.

O processo de pirólise rápida possui uma etapa de secagem da biomassa com a menor porcentagem de umidade possível, para minimizar a quantidade de água no produto líquido, a biomassa passa por um processo de moagem para obter o tamanho das partículas desejadas para poder utilizado em leito fluidizado. No final do processo ocorre a separação do carvão dos gases e vapores e coleta do bio-óleo. A Figura 01 demonstra o processo conceitual do processo de pirólise rápida (A BRIDGWATER, 2000).

Figura 01: Esquema conceitual do processo de pirólise rápida (A BRIDGWATER,2000) adaptado.

Na figura 01, demonstra o processo do bio-óleo através da pirólise, onde a biomassa é levada para o secador para retirar o máximo de água presente, para posteriormente ser processada no moinho, quando pronta é encaminhada para o reator de pirólise, onde vai ocorrer a reação, depois da reação os produtos passam pelo ciclone para separação dos produtos gerados, como o bio-óleo, gás e carvão, dependendo dos fatores escolhidos para o processo. 

 

4PRODUÇÃO DE BIO-ÓLEO ATRAVÉS DE CATALISADORES HETEROGÊNEOS

A catálise heterogênea é aquela na qual o catalisador se encontra num estado físico diferente do estado dos reagentes e produtos, formando um sistema com mais de uma fase. Os catalisadores heterogêneos são constituídos de uma base de óxidos ou sulfetos de metais de transição como: Níquel, Cobalto, Molibdênio, Tungstênio e Ferro, geralmente suportados em alumina (Al2O3) (SANTOS, 2007).

O biodiesel vem sendo produzido por meio de catalisadores homogêneos, como o hidróxido de sódio e hidróxido de potássio, mas neste método é difícil realizar a remoção do catalisador e são necessárias grandes quantidades de água neste processo. Por este motivo, é expectável que a catálise homogênea convencional venha a ser substituída pela catálise heterogênea, cujo processo é mais simples e pode ser reutilizado posteriormente tornando o processo mais ecológico e rentável (SANTOS, 2007).

A Propriedade que faz com que os catalizadores tenham um bom desempenho está relacionado com a natureza dos sítios ácidos ou básicos encontrados nestes materiais. Os catalisadores que possuem sítios ácidos e/ou básicos de Lewis estão entre os mais testados como catalisadores em potencial para a produção do biodiesel (CORDEIRO; SILVA; WYPYCH;RAMOS , 2011).

A atividade catalítica de sólidos que possuam sítios básicos de Brönsted-Lowry está relacionada a fenômenos de interação entre o álcool usado como agente de transesterificação e a superfície do sólido catalítico. Desta forma, os alcóxidos são gerados na superfície através da troca de cátions como o sódio, em uma zeólitaNaX, com o hidrogênio do álcool empregado na reação. No caso de sólidos básicos de Brönsted-Lowry, que possuam em sua superfície um grupamento amônio quaternário (QN+OH-), também há a formação de alcóxidos, mediante a adsorção de álcool na superfície do catalisador (Figura b). Já os catalisadores ácidos de BrönstedLowry, homogêneos ou heterogêneos, são capazes de protonar o grupamento carbonila dos materiais graxos, levando à formação de carbocátions,na (figura 2 ) irá demontrar a reação dos catalisadores de Brönsted-Lowry, por três interações. Onde(a) esta ocorrendo por interação de alcoóis , na (b)  por adsorção de alcoóis e na (c) por protonação.

Figura 02: Fenômenos de interação em catalisadores de Brönsted-Lowry: (a) interação de alcoóis com a superfície de uma zeólita básica; (b) adsorção de alcoóis na superfície de sólidos ácidos contendo sais de amônio quaternário; (c) protonação do grupo carbonila de materiais graxos por um ácido de Brönsted-Lowry (CORDEIRO; SILVA; WYPYCH; RAMOS, 2011).

Entre esta gama de catalisadores se encontra as zeólitas que é uma estrutura tridimensional contendo átomos tetraedricamente coordenados (átomos T) uns aos outros através de átomos de oxigênio compartilhados, onde a densidade estrutural seja menor do que o limite de 21 átomos T por 1000 Å. (CUNDY; COX, 2003). Nas zeólitas a maior parte dos seus sítios ativos estão presentes no interior de seus poros.

Segundo Cordeiro (2011), os sítios básicos das zeólitas estão relacionados com a ponte Si(OH)Al e a permuta de hidrogênios por metais alcalinos e/ou alcalino-terrosos é o que torna o sítio básico disponível. Desta forma, a impregnação de óxidos de metais alcalinos e alcalino-terrosos, mediante o uso dos óxidos correspondentes, tem sido utilizada como estratégia para intensificar a força de seus sítios catalíticos básicos.

Na obtenção do bio-óleo por pirolise a utilização de catalisadores ácidos no processo de pirólise de triacilglicerídeos, em atmosfera inerte, favorece a formação de parafinas, olefinas, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos e aromáticos(ALMEIDA, 2008).

Em estudos realizados por TWAIQ; ZABIDI; BHATIA.  (1999), a zeólita HZSM-5 é a mais estudada por apresentar características de elevada acidez. Ao estudarem o desempenho da HZSM-5 e outras zeólitas durante o processo de pirólise do óleo de palma, verificaram que a atividade e seletividade dependem de fatores como acidez, tamanho e distribuição de poros.

Segundo Sousa (2013), o primeiro trabalho publicado na literatura sobre a transformação de óleos vegetais em biocombustíveis data de 1986 e estudou o hidrocraqueamento do óleo de soja empregando os catalisadores Ni/Al2O3 e NiMo/Al2O3 nas formas reduzida e sulfetada, respectivamente (NUNES et al., 1986). As reações foram conduzidas em 23 condições drásticas de temperatura e pressão (T = 360 ºC, P = 200 bar) tendo sido o observado por cromatografia em fase gasosa a formação de produtos na faixa da gasolina e do diesel associados ao craqueamento térmico e hidrocraqueamento catalítico, respectivamente. Em um trabalho posterior Gusmão et al. (1989) foi concluído que a transformação do óleo de soja em hidrocarbonetos ocorria segundo a seguinte sequência de reações: i) craqueamento térmico do triacilglicerídeo formando ácidos graxos; ii) Transformação dos ácidos graxos em hidrocarbonetos por meio de reações de descarboxilação, descarbonilação e hidrogenação; iii) hidrogenação da acroleína e monóxido de carbono a propano e metano, respectivamente.

5O PROCESSO H-BIO E PERSPECTIVAS FUTURAS

O processo H-BIO foi desenvolvido para inserir o processamento de matéria-prima renovável no esquema de refino de petróleo e permitir a utilização das instalações já existentes. O óleo vegetal ou animal é misturado com frações de diesel de petróleo para ser hidroconvertido em Unidades de HDT (Hidrotratamento). O HDT consiste na hidrogenação de compostos juntamente com catalisadores empregados nestas reações na presença de uma temperatura e preção que possibilitem que o processo ocorra, o intuito deste processo é reduzir o número de contaminantes presentes nos compostos, onde no processo de HDT está englobado os processos de HDS (hidrodesulfurização) responsável pela diminuição de enxofre, o HDN (hidrodesnitrogenação) responsável pela diminuição da quantidade de nitrogênio. O HDO (hidrodesoxigenação) na retirada de oxigênio, além da HDM (hidrodesmetalização) na retirada de metais das cadeias de hidrocarbonetos, HDA hidrodesaromatização cujo intuito é obter um composto com baixo teor de aromáticos na sua composição (SOUSA, 2010).

O processo utilizado para a obtenção do H-BIO é o HDO pelo fato de não possuir enxofre, nitrogênio ou aromáticos, mais as moléculas dos triglicerídeos que possuem seis átomos de oxigênio. Por este processoo óleo vegetal é transformado em hidrocarbonetos parafínicos lineares, similares aos existentes no óleo diesel de petróleo, esses compostos contribuem para a melhoria da qualidade do óleo diesel final, destacando-se o aumento do número de cetano responsável pela qualidade de ignição, e a redução da densidade e do teor de enxofre. O benefício na qualidade final do produto é proporcional ao volume de óleo vegetal usado no processo (PASCOTE,2007).

O H-BIO apesar de ser constituído de fontes renováveis é considerado um diesel pelo fato de não ser capaz de reduzir as emissões de monóxido de carbono (CO) e material particulado, ao contrário do biodiesel que reduz a quantidade desses poluentes liberados pelo fato de que o biodiesel possui oxigênio na sua constituição e isso propicia a sua combustão total em relação ao H-BIO que não possui oxigênio em sua constituição. O oxigênio está relacionado com a sua lubricidade onde a falta destes compostos leva a redução da sua lubricidade, enquanto que o biodiesel que aumenta a lubricidade. Este fato faz com que seja necessário o acréscimo do biodiesel no H-BIO para deixá-lo nas normas exigidas pela Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis/ANP para a redução de poluentes liberados pela sua queima (SOUSA, 2013).

Figura 03: Rotas de Produção do H-Bio (BIODIESELRB, 2006) adaptado.

Este esquema demonstra as rotas de produção de Biocombustíveis, demonstrando a rota do H-BIO, biodiesel e o diesel, demostrando que apesar do H-BIO ser constituído de óleo vegetal ainda recebe uma adição de biodiesel em sua constituição para poder ser comercializado (BIODIESELRB, 2006).

Pode ser dito que o H-BIO só é viável para grandes refinarias de petróleo que já possuem unidades de HDT com capacidade e que processem óleos e gorduras mais baratas que o petróleo. Para produtores de óleos vegetais é inviável a instalação de plantas de HDT para produção de HBIO (BIODIESELRB, 2006).

6 CONCLUSÕES

Com o avanço das tecnologias e pesquisas do bio-óleo pode-se prever um futuro com baixas emissões de poluentes advindo dos biocombustíveis que, por serem renováveis, apresentam vantagens ambientais em relação aos combustíveis derivados do petróleo, pois são produzidos a partir das plantas e processos sustentáveis. As plantas colaboram para diminuir a quantidade de gases (CO2) geradores do efeito estufa, pois para crescerem, consomem o gás carbônico existente na atmosfera. Além do menor índice de poluição com a sua queima e processamento, podem ser cultivados e, portanto, são renováveis, geram empregos em sua cadeia produtiva e diminuem a dependência em relação aos combustíveis fósseis, contribuindo também para o aumento dos índices de exportações do país, favorecendo a economia nacional.

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