Análise energética, ambiental, e econômica de biodigestores de circulação interna e

316 Pages·2017·4.55 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

FACULDADE DE ECONOMIA, ADMINISTRAÇÃO E CONTABILIDADE DE
RIBEIRÃO PRETO

DEPARTAMENTO DE ADMINISTRAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ADMINISTRAÇÃO DE
ORGANIZAÇÕES

GERALDO JOSE FERRARESI DE ARAUJO

Análise energética, ambiental e econômica de biodigestores de circulação interna e
concentradores de vinhaça para geração de eletricidade, fertilizantes e créditos de
carbono em diferentes cenários econômicos

Orientadora: Profa. Dra. Sonia Valle Walter Borges de Oliveira

Ribeirão Preto
2017
Prof. Dr. Marco Antônio Zago

Reitor da Universidade de São Paulo

Prof. Dr. Dante Pinheiro Martinelli

Diretor da Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade de Ribeirão Preto

Prof. Dr. Marcio Mattos Borges de Oliveira

Chefe do Departamento de Administração
GERALDO JOSE FERRARESI DE ARAUJO

Análise energética, ambiental e econômica de biodigestores de circulação interna e
concentradores de vinhaça para geração de eletricidade, fertilizantes e créditos de
carbono em diferentes cenários econômicos

Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Administração de
Organizações da Faculdade de Economia,
Administração e Contabilidade de
Ribeirão Preto da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre
em Ciências.
.

Orientadora: Profa. Dra. Sonia Valle Walter Borges de Oliveira

Versão Corrigida. A original encontra-se disponível na FEA-RP/USP

Ribeirão Preto
2017
Autorizo a reprodução e a divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio
convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa desde que citada a fonte.

Araujo, Geraldo Jose Ferraresi

Análise energética, ambiental, e econômica de biodigestores de
circulação interna e concentradores de vinhaça para geração de
eletricidade, fertilizantes e créditos de carbono em diferentes
cenários econômicos. Ribeirão Preto, 2017.
316 p.

Dissertação de mestrado apresentada à Faculdade de Economia,
Administração e Contabilidade de Ribeirão Preto da
Universidade de São Paulo.

Orientadora: Profa. Dra. Sonia Valle Walter Borges de
Oliveira.

1. Vinhaça, 2. Biodigestor IC, 3. Concentrador de vinhaça, 4.
Análise Energética, Ambiental e Econômica.
FOLHA DE APROVAÇÃO

Nome: ARAUJO, Geraldo Jose Ferraresi

Título: Análise energética, ambiental, e econômica de biodigestores de circulação interna e
concentradores de vinhaça para geração de eletricidade, fertilizantes e créditos de carbono em
diferentes cenários econômicos.

Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Administração de
Organizações da Faculdade de Economia,
Administração e Contabilidade de
Ribeirão Preto da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre
em Ciências.

Aprovado em: ____/____/____

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. _______________________________________________________________

Instituição: ______________________________ Assinatura: _____________________

Prof. Dr. _______________________________________________________________

Instituição: ______________________________ Assinatura: _____________________

Prof. Dr. _______________________________________________________________

Instituição: ______________________________ Assinatura: _____________________
AGRADECIMENTOS

Palavras não traduzem sentimentos. Tentarei aqui, portanto, mesmo que em vão, espressar
meus sinceros agradecimentos.
A Deus pela vida e oportunidade de poder chegar até aqui, e poder humildemente, contribuir
com essa dissertação de mestrado para o campo das ciências da administração, meio ambiente
e energia.
Como também aos senhores meus pais e aos meus irmãos, a Dona Marlene, Senhor Geraldo,
Márcio e a Márcia que ao longo dessa jornada, me ofereceram a estrutura e o apoio
necessários para chegar até o fim dessa pós graduação.
A Sra. Professora Doutora Sonia Valle Walter Borges de Oliveira, pela confiança e honra de
sua preciosa orientação, que transpassaram muito além as páginas desta humilde dissertação,
como também as contribuições superlativas do Professor Doutor Marcelo Zaiat do SHS da
EESC/USP, o Prof. Dr. Marcos Fava Neves da FEA-RP/USP, o Prof. Dr. Jorge de Lucas
Junior da FCAV/UNESP e o Prof. Dr. Marcio Mattos Borges de Oliveira da FEA-RP/USP
para a confecção deste trabalho, foi uma honra contar com cientistas de altíssimo gabarito, de
referência mundial em suas respectivas áreas. Não enxergo longo, mas com certeza estou
sobre ombros de gigantes.
Ao grande amigo Humberto Alves Gonçalves, que foi minhas mãos e braços quando a
tendinite atacou os dois braços, prejudicando a confecção desta dissertação, sem sua ajuda
parte deste humilde trabalho não estaria escrito.
Aos Professores de Inglês Alexandre Magalhães, Marcelo Mendes, Iremar Dias e Wilson
Silva, pela extraordinária ajuda no exame do TOEFL iBT, sem essa ajuda, o mestrado não
seria possível.
Aos amigos de sala de aula Adhemar Filho, Fred Filho, Jose Augusto Moraes, Maria
Angélica, Maxwell de Oliveira, Ricardo Gomes e Alex Barbi pelas parcerias e trabalhos em
conjunto.
Aos amigos do Serviço de Pós-Graduação da FEA-RP, o Silvio, a Erika, o Tiago e o Matheus,
obrigado pela paciência e ajuda ao longo desta pós-graduação.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico, processo n°
134.193/20.156 pela bolsa de mestrado.
Por fim todas as palavras supracitadas não conseguem traduzir seus sentimentos de alegria e
satisfação, muito obrigado a todos.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANA: Agência Nacional de Águas
ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica
ANP: Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
BEM: Balanço Energético Nacional
BNDES: Banco Nacional de Desenvolvimento Economico e Social
CETESB: Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
CONAB: Companhia Nacional de Abastecimento
CONAMA: Conselho Nacional do Meio Ambiente e Recursos Naturais
DBO: Demanda Bioquímica de Oxigênio
DQO: Demanda Química de Oxigênio
EGSB: Expanded Granular Sludge Blanket (Reator Anaerobio de Leito Expandido)
EPE: Empresas de Pesquisas Energéticas
IC: Internal Circulation Biodigestor (Biodigestor de Circulação Interna)
GEE: Gases de Efeito Estufa
O&M: Operação e manutenção
PCI: Poder Calorífico Inferior
pH: ponte Hidrogenionica
TDH: Tempo de Detenção Hidráulica
TIR: Taxa Interna de Retorno
UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Reator Anaeróbico de Manta de Lodo)
UNICA: União da Indústria da Cana-de-açúcar
VPL: Valor Presente Líquido
RESUMO

ARAUJO, G. J. F. Análise energética, ambiental, e econômica de biodigestores de
circulação interna e concentradores de vinhaça para geração de eletricidade,
fertilizantes e créditos de carbono em diferentes cenários econômicos. 2017. 316f.
Dissertação (Mestrado em Administração de Organizações) - Faculdade de Economia,
Administração e Contabilidade de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto,
2017.

A vinhaça é um dos resíduos da produção de etanol, considerada de elevada capacidade
poluidora. Estima-se que para cada litro de etanol produzido, produz-se entre 10 até 15 litros
de vinhaça. Porém, este mesmo subproduto pode ser utilizado para geração de eletricidade,
fertilizantes, biogás e obtenção de créditos de carbono a partir de biodigestores e
concentradores. Logo, a vinhaça pode vir a contribuir para um incremento na geração de
energia elétrica e de outros produtos para fomento de renda para o setor sucroenergético e
resolver o problema ambiental no que se refere ao descarte in natura. Ante o exposto,
justifica-se um estudo sobre a utilização da vinhaça, norteada pela problemática: qual a
viabilidade econômica, ambiental e energética da utilização do biodigestor IC, concentrador
de vinhaça e o conjugado de ambos? O objetivo geral foi analisar a viabilidade energética,
ambiental e econômica da utilização de vinhaça em concentradores, biodigestores IC e em
ambos para geração de eletricidade, fertilizantes e créditos de carbono. Para responder à
pergunta, a metodologia utilizada na pesquisa foi a análise de viabilidade econômica, aonde
foi calculado o VPL, TIR, payback e o payback descontado. Sendo qual foi calculado o
consumo anual de Diesel no transporte de vinhaça biodigerida e concentrada, balanço de
energia no consumo de Diesel e gerada pelo biogás por ano, balanço de geração e consumo de
eletricidade e equivalente populacional de geração de eletricidade de vinhaça e, por fim, a
análise ambiental, aonde foi calculado o equivalente populacional de vinhaça biodigerida e
concentrada, balanço de emissão e mitigação de NO , SO e CO eq. pelo concentrador,
x x 2
transporte de vinhaça concentrada, ambas as três análises para uma faixa de produção de
etanol de 500 até 4.000 m3/dia, como também para estados brasileiros produtores desse
combustível. Como resultado pode-se constatar que os fertilizantes têm importância na
viabilidade econômica dos biodigestores IC e concentradores de vinhaça, em cenários sem
isenções tributárias e taxa mínima de atratividade 15% a.a. A eletricidade por si só terá
viabilidade em cenário com baixa taxa mínima de atratividade de 11% e isenções fiscais. No
que se refere a análise energética, destacam-se os resultados do biodigestor IC nas dimensões
equivalente populacional e balanço de geração e consumo de eletricidade e na análise
ambiental destaca-se o conjugado biodigestor IC e concentrador para as dimensões
equivalente populacional e dióxido de carbono equivalentes emitidos e mitigados. Pode-se
constatar a partir dos resultados alcançados e da revisão bibliográfica realizada os seguintes
cenários desfavoráveis em potêncial para reutilização de vinhaça: baixo preço do MWh tanto
no ACR quanto no ACL, incipiência no mercado de eletricidade, elevado investimento em
transmissão, ausência de políticas públicas de incentivo a utilização de matéria orgânica
proveniente da agropecuárias, ausência de políticas públicas de incentivo a utilização de
energias renováveis, experiências não exitosas pelas usinas de utilização de vinhaça para
produção de biogás, biodigestores em processo de consolidação tecnológica, incapacidade de
financiamento do setor sucroenergético, preço dos concentradores de vinhaça, omissão
legislativa referente ao descarte de vinhaça e descapitalização das usinas sucroenergeticas.

Palavras-chave: Vinhaça. Biodigestor IC. Concentrador de vinhaça. Análise Energética,
Ambiental e Econômica.
ABSTRACT

ARAUJO, G. J. F. Energy analysis, environmental, and economic issues of internal
circulation bio-digesters and vinasse concentrators for electricity generation, fertilizer
and carbon credit in different economic scenarios. 2017. 316f. Master Science Dissertation
– School of Economics, Business Adminstration and Accounting at Ribeirão Preto, University
of São Paulo, Ribeirão Preto, 2017.

Vinasse is one of the residues from the production of ethanol, considered polluting high
capacity. It is estimated that for every liter of ethanol produced, produces between 10 to 15
liters of vinasse. However, this same byproduct can be used for generating electricity,
fertilisers, biogas and obtaining carbon credits from bio-digesters and concentrators. Soon,
vinasse might contribute to an increase in the generation of electricity and other products to
promote income for the sugar-energy sector and solve the environmental problem as regards
disposal in natura. Against the above, if a study on the use of vinasse, guided by the problem:
what is the economic viability, environmental and energy use of the biodigestor, vinasse
concentrator and the conjunction of both? The overall objective was to analyze the energy,
environmental and economic feasibility of the use of vinasse in hubs, biodigestors IC and in
both for electricity generation, fertilizer and carbon credits. To answer, the methodology used
in the research was the economic feasibility analysis, where it was calculated the NPV, IRR,
payback and discounted payback. Being what was calculated the annual Diesel consumption
of biodigerida and concentrated vinasse, energy balance in the consumption of Diesel and
biogas generated per year, generation and balance electricity consumption and electricity
generation population equivalent of vinasse and, finally, the environmental analysis, where it
was calculated the population equivalent of biodigerida and concentrated vinasse emission
and mitigation balance of NO , SO and CO eq. by concentrator, concentrated vinasse
x x 2
transport, both three analysis for a range of ethanol production from 500 to 4,000 m3/day, as
well as to the Brazilian States that fuel producers. As a result one can note that fertilizers have
importance in the economic viability of bio-digesters IC and vinasse concentrators, in
scenarios without tax exemptions and minimum rate of 15% p.a. attractiveness The electricity
itself will have viability in scenario with lower minimum rate of 11% attractiveness and tax
exemptions. With regard to energy analysis, include the results of the biodigestor IC
equivalent dimensions of population and balance of generation and electricity consumption
and environmental analysis is the conjugate biodigestor IC and concentrator for the
dimensions and equivalent carbon dioxide equivalent emitted and mitigated. You can see
from the results achieved and the literature review carried out the following unfavourable
scenarios on potential for reuse of vinasse: low price of MWh in both the ACR and the ACL,
the effects on the market of electricity, high investment in transmission, absence of public
policies to encourage the use of organic matter from the cattle-breeding, absence of public
policies to encourage the use of renewable energy , not successful experiences through the use
of vinasse plants for production of biogas, biodigesters consolidation technology, inability to
finance the sugar ethanol sector, price of vinasse concentrators, legislative omission
concerning the discharge of vinasse and decapitalization of sucroenergeticas plants.

Keywords: Vinasse. Biodigestor IC. Vinasse concentrator. Energy, environmental and
economic analysis.
LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – As três dimensões do desenvolvimento sustentável (DS) ...................................... 35
Figura 2 – Cadeia produtiva da cana-de-açúcar no Brasil ....................................................... 61
Figura 3 – Etapas do processo da biodigestão anaeróbia ......................................................... 91
Figura 4 – Concentrador de vinhaça Citrotec ........................................................................ 116
Figura 5 - Concentrador de vinhaça Thermally Accelerated Short Time Evaporator
Dedini .................................................................................................................................... 117
Figura 6 – Balanço de geração e consumo de eletricidade (MWh/ano) ................................ 179
Figura 7 – Equivalente populacional (habitantes).................................................................. 180
Figura 8 – Consumo de Diesel anual com o transporte de vinhaça concentrada e biodigerida
(m3/ano) .................................................................................................................................. 185
Figura 9 – Balanço de energia por ano (TJ/ano) .................................................................... 187
Figura 10 – Equivalente populacional (habitantes)................................................................ 189
Figura 11 – Balanço de emissão e mitigação de CO eq (t/ano) ............................................ 191
2
Figura 12 – Balanço de emissão e mitigação de NO (t/ano) ................................................ 193
x
Figura 13 – Balanço de emissão e mitigação de SO (t/ano) ................................................. 194
x
Figura 14 – Valor presente líquido do cenário I .................................................................... 198
Figura 15 – Taxa interna de retorno do cenário I ................................................................... 200
Figura 16 – Payback do cenário I .......................................................................................... 201
Figura 17 – Payback descontado do cenário I ....................................................................... 202
Figura 18 – Valor presente líquido do cenário II ................................................................... 203
Figura 19 – Taxa interna de retorno do cenário II ................................................................. 204
Figura 20- Payback do cenário II ........................................................................................... 205
Figura 21– Valor presente líquido do cenário III ................................................................... 207
Figura 22 – Taxa interna de retorno do cenário III ................................................................ 208
Figura 23 – Payback do cenário III ........................................................................................ 209
Figura 24 – Payback descontado do cenário III ..................................................................... 210