Biorefineries based on palm oil

Prof. Donato Aranda,

Lab Tecnologias Verdes, Greentec

Escola de Química/UFRJ

Rio de Janeiro-BRASIL

Rio de Janeiro, Novembro 2010

Fuel Market(Billion gal/year)

Total Transportation Fuel Market : $2 trillion

• Diesel market: $1.061 billion

• Gasoline Market: $789 billion

• Jet-fuel market: $155 billion

Fuel World Market

% Of Transportation Fuel Consumption

Diesel Gasoline Jet

United States 28% 61% 11%

Brazil 66% 28% 7%

China 62% 33% 5%

Índia 75% 18% 7%

North America 29% 60% 11%

Central & South America 57% 36% 7%

Europe 62% 27% 11%

Eurasia 42% 45% 13%

Middle East 50% 42% 8%

Africa 54% 37% 9%

Asia & Oceania 57% 34% 10%

47% 43% 10%

By Country

By Continent

World Total Source: EIA

% Of Transportation Fuel Comsumption

Diesel vs Gasoline vs EthanolAutonomia - Diesel

New Vauxhall Corsa Diesel Hatchback 1.3 = 21,4 km/L

VW Polo 1.9 D = 19,1 km/L

Toyota Corolla Diesel 2.0 D-4D T3 5dr car = 25,0 km/L

Toyota Corolla Verso Diesel Estate 2.2 D-4D T = 19,0 km/L

New Insignia 2.0 diesel = 23,3 km/L

Autonomia média - Diesel = 21,6 km/L

Preço médio Brasil - Diesel = 1,985 R$/L

Autonomia - Etanol

New Civic 1.8 Flex = 9,0 km/L

Corolla 1.8 16V Aut. = 8,1 km/L

Sandero 1.0 Flex = 10,6 km/L

Corsa 1.4 Flex = 9,5 km/L

Polo 1.6 Sedan = 8,7 km/L

Autonomia média - Etanol = 9,2 km/L

Preço médio Brasil - Etanol = 1,501 R$/L

Autonomia – Gasolina C

New Civic 1.8 Flex = 13,0 km/L

Corolla 1.8 16V Aut. = 11,7 km/L

Sandero 1.0 Flex = 13,7 km/L

Corsa 1.4 Flex = 14,6 km/L

Polo 1.6 Sedan = 11,3 km/L

Autonomia média – Gasolina C = 12,9 km/L

Preço médio Brasil – Gasolina C = 2,405 R$/L

* Preços médios de São Paulo, calculados com base em dados de out/09

Custos/km c/ preços atuais

Diesel = 0,092 R$/km

Etanol = 0,164 R$/km

Gasolina = 0,187 R$/km

Paridade de preços Necessária Atual

Paridade E/D = 43% 75%

Paridade G/D = 60% 121%

Paridade E/G = 71% 62%

Palm

Soybean,

Tallow,

Cotton

Peanut

Macaúba

Castor

Sunflower

Jatropha

Canola

Palm oil, the cheapest one

Palm Oil: Production Cost – US$ 44/bbl

Apenas no Pará existem cerca de 10 milhões de hectares para o

plantio da palma. Isso já seria suficiente para uma completa

substituição do diesel pelo biodiesel, no Brasil

New compact PalmsMaior produtividade, maior resistëncia, colheita mais fácil

More than 25 ton de bunches/ha

Oil Concentration 25-30%

EMBRAPA: Palm/Sugar Cane Integration

Uso de vinhaça na irrigação do dendê

Experiência em Planaltina-DF,

excelentes resultados

Tese também de Simone Pereira de Souza

USP-São Carlos (2010)

Triglycerides

G

FA

FA

FA

Tipicamente os óleos e gorduras possuem 99% de triglicerídeos e ácidos graxos

Fatty Acids – Molecular Structures

Hydrolysis

FA

FA +FA

FA

+ 3G G3H2O

Triglyceride Water Fatty Acid Glycerol

Umidade é fundamental para que ocorra hidrólise e Consequentemente, aumento de acidez.

Transesterification

Triglyceride Biodiesel

FA

FAFA

FA

Alcohol Glycerol

Feedstock acidity have to be very low !

Transesterification vs. Saponification

0 10 20 30 40 50

0

20

40

60

80

100

Saponificação

TransesterificaçãoC

on

ve

rsã

o (

%)

Tempo (min)

Biodiesel – Production CostÓleo Vegetal 87,98%

Catalisador 2,41%

Metanol 5,36%

Outros insumos

Ácido Fosfórico 0,20%

Ácido Cítrico 0,13%

Ácido Clorídrico 0,47%

Soda Cáustica 0,38%

Ácido Sulfúrico 0,01%

Utilidades

Água de processo e resfriamento 0,03%

Energia Elétrica 60 HZ 0,29%

Vapor de 15kgf/cm² 1,17%

Ar de instrumento 0,04%

Nitrogênio Líquido 0,02%

Serviços (Manutenção) 0,58%

Pessoal 0,92%

Total 100,00%

Custos por tonelada de biodiesel produzido

M1 C1R1 M2 R2

Acido fosfórico Soda Cáustica

Óleo

Neutralizado

Soap Stock

C2M3 R3

Vapor

Vapor

H2O quente

Óleo

umido

Sabão

VS

M4

MeOH e MeONa

Óleo

Seco

Vapor

Vapor

R4 D2 R5 D3

MeOH e MeONa

Glicerina Glicerina

BiodieselBiodiesel

M5

H2O quente e ácido cítrico

D4

Glicerina

M6

H2O quente

D5

H2O

BiodieselBiodiesel

umidoSV

Biodiesel

Seco

Biodiesel Seco

M7 C3R6 M8 R7 E1

Ácido clorídrico Soda Cáustica

Soap Stock

GlicerinaM9

Glicerina

Oleína (ácido sulfúrico)

H2O e MeOH

C4

H2O

MeOH

Feedstock pre-treatment

Biodiesel Production

Biodiesel separation and purification

Glycerol separation and purification

Transesterification

Óleo

Hydroesterification

Fatty AcidsEsterification

(AGROPALMA)

Industrial Hydrolysis

(Known Process)+

Why don t integrate both processes ???

Triglyceride Fatty Acid

FA

FA + FA

FA

Water Glycerol

+ 3G

H2O

G3

FA A FA A

H2O

+

Fatty Acid Alcohol Biodiesel Water

(No acidity restriction in feedstock)

Complete transformation of fatty material

Hydroesterification

Hydroesterification

PILOT PLANT, PONTA GROSSA- PR,

Hydroesterification: animal fat and used fried oil

PILOT PLANT , PONTA GROSSA-PR,

INDUSTRIAL HYDROESTERIFICATION PLANT – UNA-BRAZIL

Biobrax

60,000 ton/year

BIOBRAX

BIODIESEL PLANTS – PAYBACKS

Considerações:

Óleo de Palma

Rendimento de 98% (p/p)

Taxa de Desconto: 18%

Criação do “Delta Biodiesel”, em centavos de reais

Preço do Litro de Biodiesel – Preço do kg de óleo

Ex: Óleo a R$ 2,00 kg e Biodiesel a R$ 2,40/L

Delta Biodiesel = R$ 0,40

Payback (anos) com Delta Biodiesel de R$ 0,30

Trans

Hidro

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4

1 = 25 kt/ano, 2 = 50 kt/ano, 3 = 100 kt/ano, 4 = 200 kt/ano

Payback (anos) com Delta Biodiesel de R$ 0,40

1 = 25 kt/ano, 2 = 50 kt/ano, 3 = 100 kt/ano, 4 = 200 kt/ano

Trans

Hidro

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 2 3 4

1 = 25 kt/ano, 2 = 50 kt/ano, 3 = 100 kt/ano, 4 = 200 kt/ano

Trans

Hidro

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4

Payback (anos) com Delta Biodiesel de R$ 0,50

OPPORTUNITY: OLEOCHEMISTRY

H2 + FATTY ACIDS -> ÁCIDO ESTEÁRICO

(PROCESSO CONHECIDO, BAIXA PRESSÃO)

H2 + FATTY ACIDS -> HIDROCARBONETOS

(NESTE OIL, TURKU UNIV, MÉDIA PRESSÃO)

H2 + FATTY ACIDS -> ÁLCOOIS GRAXOS

(PROCESSO CONHECIDO, ALTA PRESSÃO)

Ácido Graxo Glicerina

Aquosa

Ácidos Graxos

Destilados

Glicerina

Pharma

HidrogênioNíquel

Ácido

EsteáricoAçúcares

Níquel / H2

Oleatos,

Estearatos e

Palmitatos de

Sorbitan

Níquel / H2

Alcoóis

Graxos

Pt-Cr / H2

Hidrocarboneto

Grau Alimentício

Pd / H2

Hidrólise de Óleos e

Gorduras

Shampoo

Condicionador

Cosméticos

Embalagens

Alimentícias

Lubrificantes

Tintas

Pneus

OLEOCHEMISTRY - BIOREFINERY

Glicerina

Aquosa

Metil Éster C16

Hidrogenado

Níquel / H2

MES (Metil Éster

Sulfonado)

Hidrólise de

Óleos e Gorduras

Metil Éster

C18

Metil Éster

C16

SO3

MeOH / EtOH

Glicerina

Pharma

Poliól

Graxo

Poliuretanas

Di-isocianatos

HidrataçãoÁcido

Graxo

Metil ou Etil Éster

(Biodiesel)

OLEOCHEMISTRY - BIOREFINERY

ETHANOL FROM PALM BIOMASS (OR RENEWABLE

DIESEL)

70 A 80% DOS CACHOS DA PALMA FORMADO DE

MATERIAL LIGNINO-CELULÓSICO.

ROTAS DE HIDRÓLISE/FERMENTAÇÃO (KL, LS9, ETC)

ROTAS TERMOQUÍMICAS (GASEIFICAÇÃO/FISCHER-

TROPSCH OU BIO-ÓLEO) (VALE ENERGIA LIMPA, SGC

ENERGIA)

ETHANOL FROM PALM BIOMASS

Palm Fruits

Acid

Pretreatment

Crushing

Alkaline

Pretreatment

1 ton crude

palm oil

2.4 ton of bagasse

hydrolyzate Pentose

fermentation

refining

Process

SSF

Refined

palm oil

Esterification

Biodiesel

Surplus Ethanol: 142.8 kg

59.6 Kg

Ethanol

122.9 Kg

Ethanol

38.8 Kg

Ethanol

70 Kg fatty

acid

Tese de Mestrado de Leonard Carvalho, UFRJ (2009)

CONCLUSIONS

•Variedades Compactas de Palma já são uma realidade comercial.

A Hidroesterificação aplica-se a qualquer óleo vegetal. A acidez deixa de ser um problema.

Uma planta que gera biodiesel especificado e glicerina 99,5% exige investimento 15% menor que uma planta de transesterificação com glicerina loira.

CONCLUSIONSO custo de operação da hidroesterificação é cerca

de 20% menor que a planta de trans. Isso reduz

significativamente o pay-back.

Ao adotar a hidroesterificação, o produtor de

biodiesel diversifica seu portfolio de produtos

para a oleoquímica.

A biomassa da palma permitirá, quando

disponível, rotas de etanol de 2ª geração e

rotas termoquímicas para diesel renovável

Obrigado !

www.greentec-ufrj.com

www.biodieselbr.com/blog/donato/

“ God causes all things to work together for good to those who love Him” ( Rm 8,28)