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Concurso de Projetos de Investigação Científica e Desenvolvimento Tecnológico no Âmbito da Prevenção e Combate a Incêndios Florestais – 2018 | 2018 SR&TD Projects Forest Fire Prevention
Identificação do Projeto
Código do Concurso: Projetos de IC&DT Prevenção e Combate de Incêndios Florestais – 2018
Designação da Operação: Gestão e valorização dos resíduos florestais na perspectiva dupla da prevenção de incêndios e na produção de bioenergia sustentável e competitiva para as regiões do interior/ Management and valorisation of forest residues regarding the prevention of fires and also the production of sustainable and competitive bioenergy for inland regions
Código Universal: PCIF/GVB/0167/2018
Entidade Beneficiária: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL)
Entidades Parceiras: Associação do Instituto Superior Técnico para a Investigação e o Desenvolvimento (IST-ID)/ Instituto Superior de Agronomia (ISA/ULisboa) - Centro de Recursos Naturais e Ambiente (CERENA/IST) e Centro de Estudos Florestais (CEF/ISA/ULisboa).
Período de Execução previsto: 01-01-2020 e 31-12-2022
Investimento Global: 298.527,50€
Financiamento: 258.527,50€
Entidade Financiadora: FCT por via exclusiva do Orçamento do Estado (100%)
Área Científica Principal: Educação – Engenharia Química
Investigador Responsável: Professor Doutor João Fernando Pereira Gomes (ISEL – ADEQ)
Principais objetivos, atividades e resultados esperados:
O objetivo principal deste projeto é valorizar os resíduos florestais de biomassa existentes nas florestas que não são limpas pelos proprietários, em bioenergia, especificamente, na produção de biocombustíveis sintéticos de 2.ª geração, como, por exemplo, biogás (metano), biometanol, bio-DME, etc., dependendo das condições operatórias do processo reacional, como a temperatura, pressão e catalisador heterogéneo utilizados. A valorização do potencial energético existente na biomassa lignocelulósica dos resíduos florestais favorece claramente a redução da probabilidade de ocorrerem incêndios florestais, com a limpeza das matas desses mesmos resíduos, porque os mesmos constituem uma elevada carga combustível que, em tempo quente e seco, só espera por uma fonte de ignição para ocorrer combustão desta matéria orgânica, propagando-se depois a uma velocidade considerável se as condições de velocidade e direção do vento forem significativas. A limpeza das florestas através da remoção destes resíduos florestais trará benefícios para os ecossistemas da floresta, preservando-os como fonte essencial de captura de dióxido de carbono e libertação de oxigénio e, por outro lado, incute dinamismo económico nestas regiões do interior, mais desfavorecidas e isoladas de Portugal, permitindo de alguma forma, contribuir para a minimização da desertificação destes territórios. O biogás produzido pode ser valorizado através da sua queima, originando calor e/ou eletricidade para essas regiões, para fins domésticos/industriais, utilizando por exemplo, motores de cogeração.
ISA terá aqui um papel fundamental em alcançar os objetivos do projeto, através da determinação da disponibilidade da biomassa das espécies florestais Acácias e outras, em diferentes regiões do país, recolhendo-a e, posteriormente, avaliar os efeitos potenciais da remoção destas espécies do ecossistema florestal, mantendo a sua sustentabilidade e, promovendo a redução significativa de incêndios florestais.
Após a remoção dos resíduos florestais, a biomassa recolhida é seca, triturada para reduzir a sua granulometria e, depois é liquefeita a temperaturas compreendidas entre os 100-200 ºC. Seguidamente, usando a tecnologia GreenSynFuel, patenteada pela empresa nacional GSyF e aplicando o conceito de “Electrocracking”, esta biomassa liquefeita é misturada numa determinada proporção com uma solução aquosa alcalina, designada de eletrólito, com elevada condutividade, num eletrolisador (reator eletroquímico onde ocorre o processo de eletrólise da água com fonte de carbono), utilizando também um catalisador potencial, de maneira a produzir nesse processo, a libertação de gás de síntese, que é um gás combustível, constituído essencialmente por CO, H2 e CO2. Numa segunda etapa reacional, o gás de síntese produzido é depois transformado em biocombustíveis sintéticos, num reator catalítico tubular. Todo o processo é relativamente fácil de ser implementado e, energeticamente, implica uma redução significativa de custos em comparação com os processos clássicos termoquímicos de pirólise/gaseificação, uma vez que, estes mesmos processos termoquímicos operam a temperaturas superiores a 500 ºC e com significativas pressões, enquanto que, esta tecnologia que será aplicada neste processo na valorização dos resíduos florestais, trabalha com temperaturas não superiores a 70ºC e com 4 bares de pressão, no máximo. Para além disso, o input energético que é necessário fornecer ao processo de eletrólise pode ser proveniente de uma fonte energética renovável, como é o caso da energia solar, utilizando painéis fotovoltaicos.
Na produção do biogás no reator catalítico, existe uma outra mais-valia processual, que reside no fato de ocorrer a coprodução de água do processo de Sabatier, à pressão atmosférica e, com um catalisador sólido de elevada seletividade. A água é depois arrefecida e condensada num condensador e, após um processo de purificação com filtração/adsorção em carvão ativado, é possível de produzir água purificada, necessária para abastecer populações isoladas das regiões do interior do país.
Está previsto neste projeto, uma tarefa específica que fará a integração energética do processo como um todo, reduzindo e otimizando os custos com energia, utilizando igualmente recursos energéticos renováveis, como a luz solar e a biomassa florestal dos resíduos florestais, que contém compostos lignocelulósicos, como a lignina e a celulose. Está previsto também efetuar uma análise económica e ambiental, recorrendo igualmente à ferramenta de análise de ciclo de vida, de maneira a justificar as mais valias-económicas do processo e a inventariar os impactes ambientais associados, negativos e positivos.
Finalmente, espera-se que seja possível sintetizar, num reator de pirólise, novos bio óleos produzidos a partir dos resíduos sólidos florestais lignocelulósicos, os quais poderão ter diversas aplicações na indústria química, como fonte de matéria-prima, aplicando o conceito de biorefinaria.
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The aim of this project is to valorize forest biomass wastes into bioenergy, more precisely, production of 2nd generation synthetic biofuels, such as, biogas, biomethanol, bio-DME, etc., depending on process operating conditions, such as, pressure, temperature and type of solid catalyst used. The valorization of potential forest wastes biomass enhances the reduction of probability of occurrence of forest fires and, presents a major value for local communities, especially, in rural populations. Biogas produced can be burned as biofuel to produce heat and/or electricity, for instance, in cogeneration engines applied for domestic/industrial purposes.
ISA partner will have a major role to achieve the project purposes, regarding the determination of biomass availability of the Acacias species on different geographical sites in Portugal, collecting, also, that specific type of biomass and, evaluate the effect of Acacias species and others removal upon the ecosystem sustainability and in the wildfire’s prevention.
After the removal of forest wastes from the forest territory, this biomass is dried, grounded to reduce its granulometry and liquefied at temperatures between 100-200 ºC. Then, using the electrocracking technology, patented by GSyF company, this liquefied biomass is mixed with an alkaline aqueous electrolyte located in an electrolyser (electrochemical reactor which performs an electrolysis process), using a potential catalyst, in order to produce syngas (fuel gas, mainly composed by CO, H2 and CO2). In a second reaction step, this syngas produced can be valorized in the production of synthetic biofuels, in a tubular catalytic reactor.
The whole process is easy to implement and energetically, shows significative less costs than the conventional process of syngas gasification, as the energy input in conventional pyrolysis/gasification process is higher than 500 ºC, with higher pressures, while, in the electrochemical process, applied in this project, the temperatures are not higher than 70 ºC, with 4 bars of pressure, at maximum. Besides that, the input of energy necessary to promote the electrolysis process can be achieved with solar energy, using a photovoltaic panel.
The patent holder of this process regarding the electrocracking technology is GSyF, a small industrial company which works with project partners (ISEL and IST-ID) since 2014 and, already constructed a electrolyser prototype at pilot scale, of 1 kW power, located at ISEL. The full concept was already tested, with a small lab prototype locate at ISEL facilities.
In the production of biogas in the catalytic reactor, there is another major value from this process, which is the co-production of water, as Sabatier reaction converts CO2 and H2 into biomethane (CH4) and steam water, at atmospheric pressure, with 300 ºC of temperature, maximum, with a high selective solid catalyst. The water can be cooled down and condensed until achieving the liquid state and, after a purification process, namely, filtration with activated carbon, it’s possible to produce purified water, necessary to supply isolated populations, for use in agriculture, irrigation, etc.
The project includes a specific task to perform, by simulation process tools, the energetic integration of all process, reducing the energy costs, and using several renewable energetic sources, like solar energy and biomass, from the valorization of forest solid wastes, which contains ligno-cellulosic compounds, like, lignin and cellulose. It’s previewed, also, to perform an economic and environmental analysis, using LCA (Life Cycle Assessment) tool, in order to show the economic benefits, the reducing costs, the minimization of negative environmental impacts and the increase of positive ones.
The project will involve three higher education institutions (two universities and one polytechnic engineering school (ISEL) and, it will involve also, GSyF company, which will work together, which its happened so far and, in the biomass liquefaction process. It’s possible that a national major cement producer will also collaborate in this project, by means of IST-ID.
Finally, regarding task 4, it’s expected to produce a new bio-oil from this kind of biomass, with properties more closer to a fossil fuel than wood bio-oils, which can be used as a fuel or as a diolefins/olefins source and, also, to produce, from forest biomass wastes, pyrolytic bio-oils with complementary properties and valorised characteristics. This can be used in wood treatment or as a phenol source, for several industrial applications. A new and valorised application can be found for forest biomass wastes, which can be incorporated in the biorefinery concept.