Economia & Energia |
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Convergência de Agricultura e Energia: I. Produção de Biomassa Celulósica para Biocombustíveis e Eletricidade Hidrogênio e Células a Combustível Emissões de CO2 Provenientes da Queima de Combustível Comparação entre os Valores da IEA e os da e&e/MCT
Download: Arquivo zipado do Balanço de Carbono gerando programa Excel com macros em Visual Basic que tem que ser ativadas para que o programa funcione
Veja também nosso suplemento literário livro:
O Crepúsculo do
Petróleo
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Convergência de Agricultura e Energia:
I. Produção de
Biomassa Celulósica para Biocombustíveis e Eletricidade
Claudinei Andreoli
[1]
Resumo:
A demanda de biomassa para produção de biocombustível aumentará
drasticamente a quantidade de matéria seca das culturas exigida para
suprir o uso tradicional e a nova demanda de energia. Simplesmente ajustar
a alocação de biomassa das demandas competitivas atuais não gerará
material suficiente para alcançar as metas renováveis. Uma nova estratégia
de energia deve ser incluída para maximizar a absorção e o uso da luz e CO2
disponíveis nas terras agricultáveis e aumentar a eficiência do uso de
insumos. Políticas bem trabalhadas e esforços educacionais estimularão uma
rápida adoção das tecnologias agronômicas atuais para expandir a
produtividade e o uso eficiente de insumos. Para avançar o sistema agro
ecológico de produção, além do atingível com práticas existentes, novos
conhecimentos e informações, novos sistemas e novos recursos genéticos
deverão ser criados sendo que incentivos para descobertas contínuas devem
ser metas do programa.
Palavras-chave:
biocombustível, biomassa, recursos genéticos, petróleo,
energia.
Abstract:
Demand for biofuel feedstock will dramatically increase the amount of crop
dry matter required to satisfy both its traditional use and new demand.
Simply adjusting the allocation of crop biomass among competing demands
will not accommodate enough feedstock to achieve renewable goals. A new
energy strategy must include maximizing the capture and use of light and
CO2 available on arable land and then increase the efficiency
of input use of the dry matter. Effective policies and educational efforts
will stimulate rapid adoption of current agronomic technologies to expand
the productivity and efficient use of input. In order to advance
agro-ecosystem production beyond that achievable with existing practices,
new knowledge, new systems, and new genetic resources must be created, and
incentives for continued discovery must be provided.
Keywords: biofuels, biomass, genetic resources, petrol,
energy.
A queda do suprimento de petróleo e as preocupações com o aquecimento
global têm gerado um novo cenário mundial de demanda de energia. A
substituição do sistema de energia fóssil por novas estratégias econômica
e ambientalmente sustentáveis continua crescendo, especialmente com fontes
de energia tradicionais mais caras. Várias agências governamentais e
grupos de trabalhos têm planejado diminuir, em curto prazo, o consumo de
combustível fóssil substituindo por energia renovável (BUSH, 2007; FOUST
et al., 2007; PERLACK et al., 2005; SMITH et al., 2004). O alinhamento e a
continuidade destas metas estão ilustrados na Figura 1.
Figura
1.
Todos os trabalhos concluem que as
quantidades de biomassa exigidas para alcançar as metas de biocombustíveis
são muito maiores que a quantidade de biomassa atual colhida para produção
de energia.
A produção atual de biocombustível no Brasil e nos Estados Unidos recai
principalmente na conversão de cana e milho em etanol, respectivamente. No
entanto, a produção de etanol e outros biocombustíveis está se expandindo
mais intensamente do que aqueles produzidos de grãos como matéria prima.
A administração Bush definiu um quadro de tecnologias recomendadas,
processos e práticas para a produção de energia de biomassa que busca
melhoria na taxa de conversão e maior eficiência no uso de energia. O
plano também se comprometeno sentido de que uma porção significativa do
abastecimento de energia da nação em 2017, em especial combustível para
transporte, virá da conversão de biomassa em combustíveis líquidos.
Considerando apenas a contribuição de combustíveis derivados de biomassa,
aproximadamente 250 milhões de toneladas de grãos e biomassa celulósica,
por ano, serão necessárias para alcançar a meta de 10 ano, e 650 a 700
milhões de toneladas/ano de biomassa para atingir a meta de 2025 (Figura
1). Para atender essa meta americana com etanol anidro de cana, o Brasil
precisaria aumentar em 10 vezes a área de cana nos próximos 10 anos.
O etanol produzido de cana, no Brasil, e de grão de milho, nos Estados
Unidos, foram os primeiros passos para introduzir a energia renovável no
sistema de combustível. Os maiores problemas são o impacto atual nos
preços dos alimentos, a capacidade de produção planejada e a
disponibilidade de milho para usos tradicionais. Produção de
biocombustíveis, em grande escala, exigirá muito mais fontes de matéria
prima do que o milho e cana, e o etanol celulósico vem para preencher essa
lacuna (PERLACK et al., 2005). A enorme quantidade de biomassa necessária
para acompanhar essas metas (Figura 1) não está atualmente disponível.
Entretanto, projeções otimistas de alguns relatórios indicam sistema de
produção futuro capaz de atender à demanda de biomassa projetada (PERLACK
et al., 2005, SMITH et al., 2004). Na verdade, para que as projeções se
tornem realidade, práticas de produção, colheita e processamento de
biomassa celulósica devem ser sustentáveis e lucrativas para os produtores
de biomassa e para as refinarias.
Desenvolvimento, abastecimento e sistemas de conversão da biomassa,
melhoramento genético e práticas agrícolas de manejo devem ser melhoradas
para atingir o desafio de um sistema agrícola que produza alimento, ração,
fibras e combustível. Os obstáculos para a indústria emergente de etanol
celulósico são as ineficiências associadas com as práticas de produção da
matéria prima, sistema mercadológico e logístico e os processos de
conversão (ANDREOLI e SOUZA, 2007). Se a tecnologia dos biocombustíveis
não está madura em todos aspectos, da produção até a distribuição final,
ela será parcialmente capaz de acomodar as altas de preços de
commodities que são causadas pelos efeitos da oferta e demanda.
Para a gasolina e etanol de milho, que são tecnologias maduras, o custo da
matéria prima compromete 50% do custo de produção (EIA, 2006; SHAPOURI e
GALLANGHER, 2004). No caso da cana no estado de São Paulo, a matéria-prima
compromete em 60% os custos do etanol. Como a tecnologia de
biocombustíveis ainda está nos primórdios, as primeiras refinarias
celulósicas comerciais gastaram somente 40% do custo para produzir um
galão de etanol de biomassa (FOUST et al., 2007). Os gargalos limitantes
são ainda mais problemáticos porque a indústria não depende somente das
novas tecnologias de conversão, mas da nova matéria prima e do sistema de
entrega, colheita, transporte e processamento. Atualmente, o custo
estimado para produzir e entregar grandes quantidades de biomassa
celulósica para produção de etanol ultrapassa os 40% do custo estimado de
produção do etanol (KUMARA e SOKHANSANJ, 2007). Redução de custo da
matéria prima, das tecnologias de produção e logísticas e a conversão
celulósica associadas com o amadurecimento da indústria poderão tornar os
biocombustíveis mais competitivos. Em médio prazo, todavia, soluções
políticas e reguladoras devem ser necessárias para que a produção de
etanol de biomassa celulósica se torne o maior componente da matriz
energética de transporte.
A estimativa da produção nacional de cana-de-açúcar é de 475,07 milhões de
toneladas, das quais 47% (223,48 milhões de toneladas) são para a
fabricação de açúcar e 53% (251,59 milhões de toneladas) para a produção
de álcool (CONAB, 2007). Do total da produção nacional de cana-de-açúcar,
São Paulo esmagou 58,55% (278,18 milhões de toneladas), sendo a produção
total de álcool de 12.144 milhões de litros. A produtividade foi de 86,7
toneladas por ha e o rendimento industrial médio foi de 84 litros por
tonelada (CONAB, 2007).
Um hectare de cana produz, de forma econômica e ecologicamente amigável,
cerca de 7.500 litros de etanol; o milho, nos Estados Unidos, apesar das
fortes críticas, produz 3.000 litros de etanol e 3.000 kg de ração animal
(DDGS). Para os processos industriais na fabricação de etanol e açúcar, as
usinas utilizam cerca de 85 a 87% do bagaço, restando apenas 13 a 15% para
a co-geração de energia ou para a produção de etanol. Uma tonelada de cana
produz, em média, 84 litros de etanol e 250 kg de bagaço com 50% de
umidade (125 kg de matéria seca). Considerando um rendimento de 200 litros
de etanol (celulósico) por tonelada de bagaço de cana, uma tonelada de
cana acrescentaria apenas 3,75 litros de etanol (125 x 0,15 x 0,20).
Assim, um hectare de cana no estado de São Paulo que produziu, em média,
na safra de 2007, 84 toneladas, resultaria num adicional de 315 litros de
etanol de celulose por hectare (ANDREOLI, 2007: dados não publicados).
Isto significa que grande parte da energia contida na biomassa do bagaço é
utilizada nos processos de conversão do caldo em etanol. O etanol
brasileiro só é viável porque utiliza o subproduto bagaço como fonte de
calor e energia no processo de conversão dos açúcares em etanol (sem custo
da matéria-prima para a indústria). Se no Brasil fosse utilizada energia
fóssil, como fazem os americanos para produzir etanol de milho, o etanol
de cana também seria econômica e ambientalmente inviável.
O mesmo raciocínio lógico também é válido para a biomassa de milho. Se
considerarmos uma produtividade de 8.800 kg de grãos por hectare e uma
produção de 5.000 kg de matéria seca por hectare, e deixando 75% da palha
no solo para reciclagem de carbono orgânico, haveria uma produção de 3.250
litros de etanol de grãos e somente 250 litros de etanol de biomassa por
hectare. Para atender a projeção americana de 36 bilhões de galões (136
bilhões de litros), em 2022, seria necessário cultivar e colher 40 milhões
de hectares de milho (área plantada em 2007). Por isso, essa corrida do
governo americano para buscar novas alternativas de biomassa celulósica.
O Brasil estruturou um setor elétrico com características peculiares em
relação a outros países. Há uma predominância de hidroeletricidade na sua
matriz energética, garantindo energia limpa, renovável e mais barata
(Tabela 1). A geração de biomassa de bagaço de cana corresponde a 2.720 MW,
2,6% do total da matriz energética.
Alguns estudos como o CONSELHO EMPRESARIAL DE ENERGIA (2006), o PROGRAMA
ENERGIA TRANSPARENTE (2006) e DELFIM NETO (2007) têm indicado com certa
insistência a possibilidade de uma nova crise de oferta, ou o racionamento
de energia, análoga à Crise do Apagão de 2001-02. A oferta não vem
crescendo no ritmo desejado e necessário ao crescimento do PIB, dentro de
uma média de 4.000 MW ano (CASTRO e BUENO, 2007).
Uma das soluções para reduzir a crise energética é a geração de energia
através da biomassa celulósica. Parece que o governo decidiu apostar no
potencial do setor e o Ministério de Minas e Energia publicou no mês de
dezembro a portaria nº 331, estabelecendo para o dia 15 de abril de 2008 a
data do primeiro leilão exclusivo para a compra e venda de energia de
biomassa, a ser produzida em 2010. Mesmo assim, o governo não cobriria a
demanda de 4.000 MW ano.
Na safra de 2007, a produção de cana destinada para a produção de álcool e
açúcar foi de 475 milhões de toneladas (CONAB, 2007). Considerando que uma
tonelada de cana produz 250 kg de bagaço a 50% de umidade (125 kg de
matéria seca), e um kg de bagaço seco fornece 20 MJ, temos, então, 2.500
MJ/ t. Considerando ainda uma taxa de utilização de 15% do bagaço para
cogeração de energia, e uma eficiência térmica de 33%, uma tonelada de
cana produz 35 kWh. Isto significa que um hectare de cana gera, em média,
no estado de São Paulo 3034 kWk= 3,0 MWh. Matriz Energética Brasileira - maio de 2007 (em № de usinas, MW e %)1.
1 Fonte: CASTRO e BUENO, 2007. Portanto, para atender a demanda adicional de energia elétrica anual de 4.000 MW, o setor sucroalcooleiro precisaria produzir e colher, aproximadamente, 4,8 milhões de hectares (400 milhões de tonelada de cana), ou seja, quase todas as usinas deveriam estar operando na cogeração de energia. As ações de médio e longo prazo descritas na Tabela 2, utilizadas como manual para a produção de biocombustíveis, poderiam ser também usadas no programa de cogeração de energia elétrica através de biomassa. Para atender esta meta, as agências governamentais precisam urgentemente decidir quem vai investir nas redes de transmissão e distribuição. A indústria, com certeza, está pronta para encarar o desafio energético na próxima década, e o faz com eficiência e competitividade. Outro potencial energético adormecido é o capim elefante (Penissetum purpureum Schum), uma planta tropical C4 originária da África, da família Poaceae, com grande capacidade de conversão da energia solar em energia química. Com baixo uso de insumos e investimentos, um hectare do capim pode produzir de 20 a 25 toneladas de MS, capaz de gerar 450 GJ/ ha, o equivalente a 42 MWh/ ha. O balanço energético líquido do capim elefante é muito superior ao da cana e do milho. As pequenas centrais elétricas (PCE) próximas ao centro urbano poderiam de imediato utilizar a biomassa de capim elefante para geração de energia elétrica. Talvez faltem visão e política por parte dos órgãos públicos, bem como ações de pesquisa para o desenvolvimento da cultura e logística de produção, colheita e transporte. Poucos recursos públicos e privados têm sido destinados para a pesquisa dessa planta energética. Pesquisa, Desenvolvimento e Políticas para Alcançar as MetasAtingir as metas energéticas futuras exigirá novos e grandes investimentos em pesquisa e desenvolvimento (P&D), bem como política governamental para superar os obstáculos ideológicos, técnicos e econômicos. A Tabela 2 mostra as ações em pesquisa, desenvolvimento, política e educação para atingir as metas no plano imediato nos próximos 10 anos (230 milhões de toneladas de biomassa/ ano) e no plano futuro para os próximos 20 anos (700 milhões de tonelada). As ações foram focalizadas em diferentes áreas e categorizadas em ações imediatas (dentro de 10 anos) e contínuas (metas de longo prazo, 2030). Tabela 2. As ações imediatas e contínuas necessárias para cultivar, colher e entregar quantidade de biomassa necessária para produzir etanol dentro das metas.
Foco I: Validação dos Recursos NaturaisA validade das estimativas na “Visão de Bilhão de Toneladas” tem sido discutida na literatura (LAL e PIMENTEL, 2007), mas essas estimativas precisam ser checadas e regionalizadas. A indústria de biocombustível precisará de avaliações atuais e futuras, realísticas e confiáveis, de matérias primas, além de avaliar a estabilidade do fornecimento. Essas avaliações devem ser regionais ou estaduais, além de um levantamento nacional de todas as culturas com rendimento potencial de biomassa. Os inventários confiáveis de biomassa ajudarão o planejamento do agronegócio e das políticas públicas para o desenvolvimento do biocombustível de biomassa. Foco II. Sistemas AgronômicosPesquisas são necessárias para identificar os diferentes sistemas sustentáveis de produção de biomassa. Estas práticas de produção devem manter ou aumentar a fertilidade do solo, produtividade, carbono orgânico do solo (COS) e devem, ainda, controlar a erosão do solo. Para ser uma fonte viável de biomassa, este método de produção precisa também oferecer altas produtividades e alta eficiência do uso de insumo. Os sistemas agrícolas serão in loco, buscando sempre maximizar a eficiência do uso de insumos (luz, água, CO2, nutrientes e pesticidas) mais adequado para cada local. A chave para o desenvolvimento desses sistemas será a criação da rede de experimentação para os principais sistemas ecos-regionais. Os principais investimentos de pesquisa serão necessários para desenvolver: i) informação e base de dados que orientarão as práticas locais para aumentar rendimentos e carbono orgânico do solo (COS) e controlar a erosão; ii) o uso de sistemas de colheita capazes de coletar biomassa em níveis apropriados nos locais com características diversas. Foco III. Desenvolvimento da CulturaEmbora progressos possam ser obtidos com a adaptação das culturas e cultivares existentes aos sistemas de produção sustentáveis, ganhos maiores para produzir quantidades de biomassa e etanol para atingir as metas previstas nos próximos 10 e 20 anos (Figura 1) exigirão cultivares especificamente desenvolvidas para essas propostas. Independente de qual seja, novas plantas identificadas para produção de biomassa devem possuir pouco ou nenhum risco de tornarem-se plantas invasoras (CAST, 2007). Devido ao trabalho dedicado dos “melhoristas”, nos últimos 50 anos, ter sido focado em ganho de rendimento de grão e óleo das commodities, como milho e soja, existem poucos trabalhos para melhorar ou desenvolver plantas de biomassa energética. Por exemplo, apesar do USDA ter destacado nos EUA, switchgrass (Panicum spp. L.) e, no Brasil, o capim elefante (Penissetum pupureum L) como matérias primas proeminentes de biomassa, estas espécies têm tido pouco atenção da comunidade científica pela falta de recursos. O melhoramento de plantas é um empreendimento de longo prazo, de 12 a 15 anos, para o lançamento de uma nova variedade ou híbrido no mercado. Entretanto, o aumento do conhecimento em genética, bioquímica e fisiologia de caracteres específicos, combinado com as ferramentas da biologia molecular, têm potencial de acelerar os processos de melhoramento. Desenvolvimento de novas biomassas para produção de biocombustíveis é necessário, o que exigirá comprometimento e investimento, fundamentais para a construção de massa científica capacitada em genética de plantas, fisiologia, bioquímica, genômicas, melhoramento e sistemas de produção para estas novas e evolutivas plantas energéticas. Foco IV. Logística no Fornecimento de Matéria PrimaO sistema de logística de colheita, carregamento e transporte envolve as etapas que vão desde as operações necessárias para tirar a biomassa da terra até a bio-refinaria. Coletivamente, estas atividades de pré-processamento representam um dos maiores desafios para o sucesso da indústria. Embora os custos de produção dependam de inúmeros fatores, a produção e a logística da biomassa representam 35 a 65% do custo total do etanol celulósico, enquanto que as operações logísticas podem comprometer entre 50 a 75% destes custos. Se os custos de logística ultrapassarem em 25% os custos totais de produção de etanol celulósico, pouca margem sobrará no sistema para os produtores de biomassa e para os industriais. Os custos de logística variam de região para região, dependendo do clima, sistema de transporte, limite de carga, tipos de biomassa, secagem e armazenamento. Melhoramentos na densidade e no fluxo da biomassa são cruciais para otimizar atividades de manuseio na colheita e no transporte, diminuir gastos com uso de energia fóssil, padronizar os formatos de biomassa e maximizar entradas no sistema de produção de etanol de biomassa. Foco V. Educação e ExtensãoO público precisa de informação para avaliar os custos e benefícios associados com a transição de energia baseada em petróleo para uma economia voltada para os biocombustíveis. Programas de extensão e de educação para as diversas opções de cultivos e práticas para produção e colheita de biocombustíveis serão componentes essenciais para o futuro da energia renovável. Programas educacionais devem incluir todos os aspectos da bioenergia, incluindo o dilema “Energia x Alimentos”, considerações ambientais e ciclo de vida dos retornos de energia líquida. Além disso, o público deve estar alerta para os diferentes combustíveis para transporte, bem como a necessidade de conservação de energia como componente essencial para o sucesso de uma estratégia energética nacional. Uma economia energética baseada em biocombustível exigirá uma força de trabalho treinada e qualificada para os processos de colheita, transporte e plantas desenhadas para converter biomassa em etanol. Cientistas e engenheiros treinados e capacitados nas multidisciplinas serão necessários para expandir o fornecimento de matéria-prima para atender as metas de 2030. Fomento e suporte público para pesquisa nessas áreas devem ser acrescidos. Como novas culturas e sistemas agrícolas serão desenvolvidos, as Ematers e os programas de extensão devem ser treinados para educar os produtores rurais e a cadeia de produção dos novos biocombustíveis. ReferênciasANDREOLI, C.; SOUZA, P. S. Cana-de-açúcar; a melhor alternativa para conversão de energia solar e fóssil em etanol. Economia & Energia, v. 59, p. 26-33, dez. 2006-jan. 2007. CASTRO, N. J.; BUENO, D. Os leilões de energia nova: Vetores de crise ou de ajuste entre oferta e demanda. Economia & Energia, v. 63, p. 33-48, 2007. CONAB. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. 3º levantamento da cana-de-açúcar. http://www.conab.gov.br/conabweb/download/safra/3lev-cana.pdf. (18 de dezembro de 2007). BUSH, G. W. State of the Union Address. 23 de Janeiro de 2007. http://www.whitehouse.gov/stateoftheunion/2007/initiatives/sotu2007.pdf (10 dezembro 2007). CONSELHO EMPRESARIAL DE ENERGIA. Suprimento Energético - Cenários. Rio de Janeiro, Firjan, 2006. COUNCIL FOR AGRICULTURE SCIENCE AND TECHNOLOGY. Biofuels feedstocks: The risk of future invasions. Commentary QTA 2007-1, p. 8, 2007. CAST. Ames Iowa. COUNCIL FOR AGRICULTURE SCIENCE AND TECHNOLOGY. Convergence of agriculture and energy: II. Producing cellulosic biomass for biofuels. Commentary QTA 2007-2, p. 8, 2007. CAST. Ames Iowa. DELFIM NETO, A. O desafio da energia. Jornal do Comercio. São Paulo, 25 de maio de 2007. ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION (EIA). A primer on gasoline prices. National Energy Information Center. Washington, D.C., EIA, 2006. htpp://tonto.eia.doe.gov//reports/ reportsA.asp? (20 de Novembro de 2007). FOUST, T.D.; WOOLEY, R.; SHEELAN, J.; WALLACE, R.; IBSEN, K.; DAYTON, D.; HIMMEL, M.; ASHWORTH, J.; McCORMICK, R.; MELENDEZ, M.; HESS, J.R.; KENNEY, K.; WRIGHT, C.; RADTKE, C.; PERLACK, R.; MIELENZ, J.; WANG, M.; SYNDER, S.; WERPY, T. A national laboratory market and technology assessment of the 30 x 30 Scenario. NREL/TP-510-40942, draft publication. “Cellulosic ethanol production”. Section 4, March, http://bcsmain.com/mlists/files/30x30/Documents/30x30Section4Only.PDF (13 de dezembro de 2007). KUMARA, A.A.; SOKHANSANJ, S. Switchgrass (Panicum vigratum L.) delivery to a bio-refinery using integrated biomass suply analysis and logistics (IBSAL) model. Bioresource Technology, v. 98, p. 1033-1044, 2007. LAL, R.; PIMENTEL, D. Biofuels from crop residues. Soil Tillage Res v. 93, p. 237-238, 2007. LONG, S.P.; ZHU, X –G.; NAIDU,S.L.; ORT, D.R. Can improvement in photosynthesis increase crop yields? Plant Cell Environ. V. 29, p. 315-330, 2006. PERLACK, R.D.; WRIGHT, L.L.; TURHOLLOW, A.F.; GRAHAM, R.L.; STOKES, B.J.; ERBACH, D.C. Biomass as feedstock for a bionergy and bioproducts industry: The technical feasibility of a Billion-Ton Annual Supply. Department of Energy/GO -102005-2135, April, 2005. PROGRAMA ENERGIA TRANSPARENTE: Monitoramento permanente de cenários de oferta e do risco de racionamento. Rio de Janeiro. Instituto Acende Brasil e PRS Consultoria. Abril de 2007. SHAPOURI, H.; GALLAGHER, P. USDA´s 2002 ethanol cost-of-production survey. U.S. Department of Agriculture, Office of Energy Policy and News Uses, Agricultural Report Number 841, p. 22, 2005. 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