Otimização dos
recursos energéticos por meio do acompanhamento e controle da secagem da lenha

Energy resources improvement
through the management of the dryer wood

Josimara Santos
Cardoso

Bacharel em Engenharia de Produção, Universidade
de Santa Cruz do Sul (UNISC), Brasil - [email-masked]

Jorge André Ribas
Moraes

Doutorado em Engenharia de Produção,
Universidade de Santa Cruz do Sul (UNISC), Brasil – [email-masked]

André Luiz Emmel
Silva

Mestrado em Tecnologia Ambiental,
Universidade de Santa Cruz do Sul (UNISC), Brasil – [email-masked]

RESUMO

Considerando que a secagem é uma das
principais etapas da lenha quando esta é utilizada para a geração de vapor,
este trabalho apresenta uma análise do comportamento da secagem de lenha ao
longo de um ano utilizada para alimentar caldeiras de uma empresa localizada no
sul do Brasil. O escopo do estudo é o tipo de eucalyptus dunnii, porém
se fez um comparativo com o tipo saligna para que fosse possível
calcular os ganhos energéticos entre estas duas espécies em relação ao tempo de
secagem, assim como um comparativo entre o poder calorífico de ambas as
espécies. O trabalho também apresenta uma relação entre pilhas de lenha
cobertas com lona e pilhas não cobertas, assim como seus resultados de
custo/benefício. Foi possível constatar que a melhor época do ano para
realização do corte da lenha, para a região em estudo, é até o final do mês de
setembro, pois assim as pilhas terão, no mínimo, cinco meses de exposição aos
meses de verão. Constatou-se também que pilhas cobertas conseguem reduzir a
umidade para até 20%, e têm seu custo/benefício viável.

Palavras-chave:
Eucalyptus dunnii. Secagem da madeira. Análise econômica.

ABSTRACT

Considering that drying is one of the main stages of wood used for the
generation of steam, this paper presents an analysis of the drying process of
wood used to feed boilers of a company located in the south of Brazil, over the
period of one year. The scope of the present study is dunnii eucalyptus type. However
a comparison with the saligna type was made in order to calculate the energetic
gains between these two species in relation to their drying. And a comparison between
the power generated by both species was made. The paper also presents a
relationship between covered piles of firewood and uncovered piles, as well as
their cost/benefit results. It was possible to verify that the best time of the
year for the firewood cutting in the region under study is until the end of
September, so the piles will have at least five months of exposure during the
summer months. It has also been found that covered piles can reduce humidity up
to 20%, and have a viable cost/benefit.

Keywords: Eucalyptus dunnii. Wood drying. Economic
analysis.

Recebido
em 03/06/2019.  Aprovado em 07/07/2019.
Avaliado pelo sistema double blind peer
review. Publicado conforme normas da ABNT.

http://dx.doi.org/10.22279/navus.2020.v10.p01-11.994

1 INTRODUÇÃO

A energia tem sido tratada como um bem de natureza
estratégica, e não por acaso a segurança energética tornou-se um dos temas mais
relevantes da agenda mundial (TOLMASQUIM; GUERREIRO; GORINI, 2007). A
preocupação com o aquecimento global, a diminuição das reservas de petróleo
facilmente exploráveis e o aumento do uso do petróleo em muitos países aumentam
o interesse em biocombustíveis (HÄMÄLÄINEN; NÄYHÄ; PESONEN, 2011). Reconhecida
como fonte alternativa útil, o uso da biomassa gera menos poluição ambiental e
menos riscos para a saúde do que a queima de combustíveis fósseis (KUMAR et al., 2011; ROUSSET et al., 2011). A aplicação em larga
escala da biomassa em combinação com o aumento da sua eficiência energética é
considerada como um caminho promissor para mitigar as emissões em breve (KEIPI et al., 2014; WENNERSTEN; SUN; LI,
2015). As plantações florestais cultivadas em curta rotação estão se tornando
atrativas comercialmente para o uso como a energia, produções de materiais de
construção e outros fins em muitos países (PURSE; RICHARDSON, 2001).

O eucalyptus pode ser considerado um bom referencial
para o comportamento da biomassa devido a sua grande disponibilidade e
utilização generalizada (POHLMANN et al.,
2016). São consideradas as árvores de madeira mais plantadas em todo o mundo
(CABRAL et al., 2011), em uma
estimativa de 20 milhões de hectares (NICHOLS et al., 2010), sendo o Brasil um dos países com maiores extensões
plantadas (SALGADO; MAGALHÃES JÚNIOR, 2006). Seu grande atrativo deve-se à
diversidade de espécies, ampla adaptabilidade aos solos e climas, taxas de
crescimento rápido, amplo conhecimento e tecnologia para o seu cultivo, além
dos seus múltiplos usos (matérias-primas, madeira para energia, madeira, papel
e celulose) (BRONDANI et al., 2012;
SILVA; BOUILLET; PAULA, 2016; BRUDER; REZENDE; COSTA, 2016; CHICHORRO et al., 2017).

O eucalyptus dunnii foi introduzido no Brasil na
década de 60 a partir de experimentos das empresas de papel e celulose (SEVERO et al., 2013). A espécie eucalyptus
dunnii é tolerante a geadas e baixas temperaturas (JOVANOVIC; ARNOLD;
BOOTH, 2000), sendo amplamente plantada na região Sul do Brasil (ROCHA;
TRUGILHO, 2006). Em 2012, estima-se que o Brasil produziu 52,2 milhões de m³ de
lenha a partir de florestas plantadas, sendo que as Regiões Sul e Sudeste
representaram 92,5% deste total (ABRAF, 2013).

A umidade da madeira está diretamente relacionada ao seu
poder calorífico (LESTANDER; RHÉN, 2005; MUNALULA; MEINCKEN, 2009), sendo que
quanto mais seca a madeira estiver quando alimentada as caldeiras, maior será o
seu rendimento energético. Conforme Pereira et
al. (2000) a queima da madeira úmida proporciona menos energia devido ao
consumo no aquecimento e vaporização da água. Para que ocorra uma boa
combustão, a madeira deve ser utilizada com teores de umidade abaixo de 25%.
Teores superiores a 25%, além de diminuir a quantidade de calorias, reduzem as
temperaturas da câmara de queima e dos gases de escape. Adicionalmente,
promovem a formação de crostas de fuligem nas chaminés e interior da câmara de
combustão. De forma, conforme menciona Pereira et al. (2016), o desafio está em utilizar-se de técnicas e
tratamentos capazes de tornar a madeira um combustível mais eficiente e
competitivo.

Este trabalho apresenta uma análise do combustível
utilizado para a geração de vapor em caldeiras de uma usina de beneficiamento
de tabaco, neste caso o eucalyptus dunnii. Avaliou-se a época de corte
da espécie selecionada, tempo de secagem, disposição das pilhas, umidade de
alimentação nas caldeiras e o poder calorífico da biomassa. Também se fez
alguns comparativos no caso de se utilizar uma segunda espécie de eucalyptus,
o saligna.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

O desenvolvimento
deste artigo teve como base os passos de um estudo de caso proposto por Miguel
(2010) e Yin (2015): (i) Definição de uma estrutura conceitual teórica; (ii)
Planejamento do caso, com a definição dos procedimentos utilizados para a
coletas das amostras, local, quantidade,
frequência e identificação das possíveis variáveis envolvidas no estudo;
(iii) Condução de um teste piloto; (iv) Coleta de dados; (v) Análise de dados;
e (vi) Geração de relatório. O estudo foi realizado no período de agosto a
julho do ano seguinte, na localidade de Pântano Grande, região central do
Estado do Rio Grande do Sul – Brasil (Latitude: 30º 11' 29" S e Longitude:
52º 22' 25" W).

2.1 Seleção das amostras e formação das pilhas

As coletas de amostras ocorreram desde o corte inicial da
árvore (amostra ainda verde), e acompanhadas a cada trinta dias, podendo a data
variar uma semana para mais ou para menos, pois dependendo das condições
climáticas torna-se impossível de se coletar. As amostras possuem as seguintes
dimensões: diâmetro entre 120 a 150 mm e comprimento de 1 metro. As pilhas
foram dispostas e monitoradas no próprio local do corte, sendo acrescido de uma
nova pilha de lenha a cada mês durante o período do estudo. O plano de coletas
das amostras e o planejamento para a formação das pilhas está representado na
tabela 1.

Tabela 1 – Plano de
coletas das amostras e planejamento para a formação das pilhas

ago

set

out

nov

dez

jan

fev

mar

abr

mai

jun

jul

Dunnii sem cobertura

Superior

1

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

Central

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

Inferior

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

Dunnii com cobertura

Superior

3

3

3

Central

3

3

3

Inferior

3

3

3

Saligna

Superior

1

3

3

3

3

3

3

Central

3

3

3

3

3

3

Inferior

3

3

3

3

3

3

Total

1

9

18

27

36

46

63

72

81

99

108

117

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

As pilhas foram construídas seguindo o padrão de 2 metros
de altura e 10 metros de comprimento, procedimento este já adotado pela
empresa, simulando assim as reais condições de armazenamento. Seu
posicionamento seguiu os procedimentos recomendados por HilleBrand et al. (1999) citados por Brand (2007),
de forma que o comprimento dos toretes fiquem no sentido Leste-Oeste, para que
haja uma maior radiação solar sobre a superfície das mesmas. Para que seja
possível se ter uma amostra homogênea se faz necessário retirar toretes da
parte superior, central e inferior da pilha (figura 1).

Figura 1 – Divisões da
pilha e retirada da amostra

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

Desses toretes foram retiradas 3 amostras de 10 cm (figura
2), representando uma amostra central e duas laterais, pois as amostras das
extremidades, por estarem recebendo maior ventilação e radiação, podem
apresentar um grau de umidade menor que o centro e podem então colaborar para
uma mais rápida secagem da pilha. A altura de 10 cm foi definida em função da
capacidade dos fornos do controle de qualidade da empresa serem compostos de 6
bandejas de 30 cm de comprimento e 25 cm de largura, e em função da quantidade
de lenha que é transportada até o forno, pois em caso de amostras maiores o
transporte poderia dificultar a realização do estudo.

Figura 2 – Representação
dos cortes realizados no torete

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

Das amostras 1, 2 e 3 de cada torete selecionado foram
retiradas uma amostra menor, chamada de amostra final (figura 3), e
acondicionada em saco plástico e em caixa fechada capazes de impedir
influências externas de umidade, roedores e degradação, até a realização dos
testes.

Figura 3 – Representação
do corte feito posteriormente nas amostras 1, 2 e 3

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

2.2 Determinação do poder calorífico e umidade

O poder calorífico é a quantidade de energia por unidade de
massa ou gases liberada na queima de determinado combustível (INTERNATIONAL
ENERGY ASSOCIATION, 2005; PATEL et al.,
2007; LLORENTE; GARCIA, 2008), está diretamente relacionado ao teor de umidade
da madeira (LESTANDER; RHÉN, 2005; MUNALULA; MEINCKEN, 2009) e é considerado um
importante indicador da qualidade da lenha (MONTES et al., 2011). Para determinação do poder calorífico utilizou-se a
fórmula da equação 1, onde U = umidade da madeira calculada com base no peso
úmido; Pu = poder calorífico inferior na umidade U %; e P0 = poder calorífico
inferior da madeira seca.

(1)

O procedimento para a determinação da umidade consistiu na
pesagem inicial das amostras, aquecimento a 180 °C em forno por um período de
16 horas, e após nova pesagem. A metodologia utilizada baseou-se em Brand
(2007), o qual relata que o teor de umidade pode ser determinado pela pesagem
inicial da amostra em comparação com a pesagem final, após disposição na estufa,
representado pela equação 2, onde HS = teor de umidade na base úmida (%); Pt =
massa da amostra úmida (g), na condição de queima; e Ps = massa da amostra seca
(g), estado da biomassa seca em estufa.

(2)

Fez-se necessário a elaboração de uma pilha de lenha tipo saligna
e comparada com o eucalyptus tipo dunnii, de mesmo período de
corte. O motivo pelo qual se escolheu o tipo saligna surgiu em função e
determinação da estratégia da empresa em encontrar uma espécie de eucalyptus
que apresente uma maior produtividade em seu plantio, ou seja, um maior
crescimento em menor tempo, com isso, o eucalyptus dunnii poderá ser
substituído nos próximos anos pelo saligna.

Outra prática adotada foi a cobertura de uma das pilhas
quando ela atingisse a umidade de 25%, para que seja possível determinar o
ganho energético. Esta umidade poderá ser identificada a partir das coletas
mensais, ou seja, quando se identificar que determinada amostra se encontra com
esta umidade a mesma será coberta e servirá de modelo comparativo. O
monitoramento das condições meteorológicas fez-se por coletas internas e
consultas à base de dados da Somar Meteorologia.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Coleta de dados meteorológicos

Em paralelo as coletas se monitoraram também os índices
pluviométricos, as máximas e mínimas da temperatura, e o tempo mensal de
insolação, pois só assim seria possível de se avaliar algum valor de umidade
acima ou abaixo do esperado (tabela 2).

Tabela 2 – Dados
meteorológicos do período

ago

set

out

nov

dez

jan

fev

mar

abr

mai

jun

jul

Dados
pluviométricos (mm)

229,5

126,0

208,0

327,5

65,0

112,0

208,0

181,5

119,5

137,5

241,0

142,0

Temperatura mínima
(ºC)

8,71

12,24

14,41

17,04

18,92

20,88

20,81

18,35

17,70

15,90

10,17

11,90

Temperatura máxima
(ºC)

18,05

23,16

25,30

28,83

32,80

33,09

32,94

27,80

27,00

24,80

18,56

20,13

Insolação (horas)

132,5

143,3

182,2

229,2

291,4

226,3

206,3

215,5

165,3

204,4

113,8

79,8

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

Para garantir uma maior confiabilidade dos dados obtidos,
fez-se uma comparação com os dados meteorológicos divulgados pela estação
meteorológica Somar Meteorologia, inclusive de anos anteriores. Pode se
considerar que o período do estudo não apresentou valores que de alguma forma
pudessem prejudicar os dados obtidos e sim o contrário. Alguns meses
apresentaram chuvas acima da média, sendo assim os resultados serão concluídos
em um pior cenário o que pode melhorar o desempenho em períodos mais secos.
Quanto às temperaturas, as mínimas e máximas também não apresentam muitas
variações em relação médias históricas, o mesmo se repete para o tempo mensal
de insolação.

3.2 Secagem das pilhas

Na figura 4 é possível observar que as pilhas nos meses de
verão (dezembro, janeiro e fevereiro) obtiveram uma alta perda de umidade em um
curto período de tempo, porém para se obter a lenha com umidade média de 30% no
período de safra que tem início em fevereiro, se deve ter no mínimo cinco meses
de secagem até sua alimentação na caldeira.

Figura 4 – Teor de
umidade das pilhas formadas a cada mês

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

3.3 Eucalyptus dunnii x Eucalyptus saligna

Para o estudo das propriedades energéticas e
características de secagem dos eucalyptus dunnii e saligna,
utilizou-se uma pilha de cada, cortada no mês de janeiro. Os resultados (figura
5) mostram que a lenha do tipo dunnii tende a apresentar características
higroscópicas, ou seja, absorve umidade do ambiente onde está exposta. Já o
tipo saligna teve sua secagem de forma mais lenta, porém sem apresentar
altas no teor de umidade ao longo da pesquisa.

Figura 5 – Índices de
umidade dunnii X saligna

Fonte: Elaborado
pelos autores (2019)

Para análise das propriedades energéticas, pegou uma
amostra aleatória, no mês de abril/14. O eucalyptus dunnii apontou
36,81% de umidade, poder calorífico superior de 2.925 kcal/kg, e inferior de
2.520 kcal/kg. O eucalyptus saligna apresentou valores semelhantes, com índice de
umidade de 39,98%, poder calorífico superior de 2.805 kcal/kg, e inferior de
2.390 kcal/kg.

3.4 Cobertura das pilhas

Para investigar os possíveis ganhos que poderão ser obtidos
ao se realizar a cobertura das pilhas das lenhas antes dos meses chuvosos e
antes de iniciar o inverno, as coberturas das pilhas foram feitas em duas
etapas: quando a lenha já estava quase seca; e quando ela estava ainda com
umidade alta. Assim, metade da pilha com corte em agosto foi coberta em abril,
com umidade média de 25%. Outra pilha, não tão seca, cortada em abril foi
coberta em maio, com umidade de 46%. Para cobertura, utilizou-se uma lona de
polietileno de 200 micras e na cor branca (figura 6). Ambas as partes, cobertas
e descobertas, foram analisadas até o término da pesquisa, obtendo-se
resultados distintos, expostos na figura 7.

Figura 6 – Pilha de
agosto coberta em abril

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

Figura 7 – Índices de
umidade nas pilhas cobertas x descobertas

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

3.5 Análise econômica

Foi realizada uma comparação entre as umidades de 42%
(média histórica de umidade apresentada pela lenha em anos anteriores) e 30%
(índice estipulado pela empresa como meta) e possível de se obter no início da
safra (fevereiro) desde que a lenha seja cortada até final de setembro.

Considerando os dados fornecidos pela empresa: poder
calorífico de 2.380 kcal/kg para o teor de umidade de 42%; total de lenha gasto
de 25.857 m³, com valor de US$ 21,24/m³; e densidade média de 510 kg/m³; onde se multiplicarmos o total de lenha em m³ x
densidade kg/m³ x poder calorífico kcal/kg se obtém 31.385.226.600 kcal os
quais foram geradas para suprir a demanda do período.

Fazendo uma simulação com umidades entre 35% e 20%, tomando
como base a quantidade de calorias obtidas no ano anterior (31.385.226.600
kcal), divide-se esse valor pelo poder calorífico correspondente e sua
densidade, encontra-se a quantidade de lenha necessária. Fazendo uma
multiplicação da lenha necessária pelo valor base que é US$ 21,24/m³ se chega
ao valor que a empresa deverá desembolsar para cada caso, dependendo do
controle de umidade das lenhas que são cortadas e armazenadas. A tabela 3
apresenta as simulações dos valores que a empresa deverá desembolsar dependendo
do teor de umidade da pilha de lenhas formada.

Tabela 3 – Simulações
com diferentes índices de umidade

Safra parâmetro

Simulações

Umidade

42%

35%

30%

25%

20%

Densidade kg/m3

510

491

477

464

450

Poder Calorífico kcal/kg

2.380

2.673

2.881

3.090

3.298

Total de Lenha (m3)

25.857

23.922

22.824

21.910

21.147

Valor m3 (US$)

21,24

21,24

21,24

21,24

21,24

Total Gasto (US$)

549.202,68

508.103,28

484.781,76

465.368,40

449.162,28

Diferença (m3)

1.935

3.033

3.947

4.710

Diferença (US$)

41.099,40

64.420,92

83.834,28

100.040,40

Diferença (%)

7,48%

11,73%

15,26%

18,22%

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

Como os índices de umidade de 25% e 20% somente são possíveis
com as coberturas das pilhas de lenha, fez-se uma análise de custo/benefício em
caso de cobrimento das pilhas (tabela 4). Os rolos de lona utilizados têm 8
metros de largura x 100 metros de comprimento, e um custo de R$ 1.472,00.
Considerando a altura da pilha de dois metros e realizando a cobertura das
pilhas apenas na parte superior por completo e parcial na lateral, consegue-se
dividir o rolo em 3 partes. Assim, um rolo será suficiente para cobertura de
300 metros lineares de pilha, equivalente a 600 m³, resultando em um custo de
R$ 2,46/m³ de pilha coberta.

Tabela 4 – Análise para
cobertura das pilhas

25%

20%

Tamanho do rolo de lona

8m
x 100m

8m
x 100m

Custo do rolo de lona (UU$)

651,47

651,47

Rendimento de um rolo de lona (m3)

600

600

Custo do m3 para cobertura (UU$)

1,09

1,09

Estoque necessário para produção (m3)

21.910,00

21.147,00

Total Gasto em lonas (UU$)

23.881,90

23.050,23

Diferença comparada a umidade 30% (UU$)

19.413,36

35.619,48

Resultado (UU$)

-4.468,54

12.569,25

Fonte:
Elaborado pelos autores (2019)

O custo do metro da pilha coberta, se multiplicado pelo
estoque necessário para a produção durante a safra (21.147 m³ para 20% de
umidade), resulta em um desembolso de R$ 52.021,62 em lona, não contando a
manutenção e estoque para eventuais reposições. Assim, ao utilizar uma lenha
com 20% de umidade, quando comparada com 30% de umidade, gera uma economia de
R$ 80.496,00. Comparando esse valor com o gasto de R$ 52.021,62 necessário para
cobrir a pilha, percebe-se que é viável economicamente a cobertura das pilhas.
Contudo, a pilha coberta e índice de 25% de umidade, torna-se inviável fazendo
a mesma comparação.

4 CONCLUSÃO

Com o presente estudo concluiu-se que o melhor período para
realizar o corte de eucalyptus objetivando o máximo rendimento da lenha,
quando utilizada para a queima em caldeiras, é até o final do mês de setembro,
pois assim as pilhas terão, no mínimo, cinco meses de exposição aos meses de
verão. Comprovou-se que este é o período de maior perda no teor de umidade,
atingindo índices de 30% de umidade, com economia financeira de 11,73% devido a
redução em 3.033 m³ de lenha utilizada para suprir a demanda. Já com a
cobertura das pilhas, antes dos meses chuvosos e antes de iniciar o inverno,
consegue-se reduzir a umidade para até 20%. Ao analisar custo/benefício
percebe-se que, mesmo gastando para cobrir as pilhas, ainda é vantajoso
economicamente. Mas a comparação do custo da cobertura para pilhas com índice
de umidade de 25% mostrou não ser viável financeiramente. Observou-se também
que as características do poder calorífico dos eucalyptus dunnii e
saligna não apresentam diferenças consideráveis, porém o tipo dunnii possui
características de absorção de umidade maior que o tipo saligna, ou
seja, uma vez perdida a umidade, o tipo dunnii pode recuperá-la com mais
facilidade.

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