Economia & Energia
Ano XI-No 66
Fevereiro - Março 2008
ISSN 1518-2932

 

 

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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

 

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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.

Introdução

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.

Etanol Celulósico de Cana e de Milho

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.

Biomassa Celulósica para Produção de Energia Elétrica

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.

Cogeração de Energia de Bagaço de Cana e de Capim Elefante

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.

Tabela 1.

Matriz Energética Brasileira - maio de 2007 (em № de usinas, MW e %)1.

Tipo

Capacidade Instalada

Nº de Usinas

(MW)

(%)

Hidroelétrica

643

75.582

71,0%

Gás

102

10.799

10,1%

Petróleo

575

4.442

4,2%

Biomassa

271

3.756

3,5%

Nuclear

2

2.007

1,9%

Carvão Mineral

7

1.415

1,3%

Eólica

15

237

0,2%

Importada

 

8.170

7,7%

Total

1.615

106.407

100,0%

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 Metas

Atingir 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.

 

AÇÕES

 

Imediata

(dentro de 10 anos –
230 milhões t)

Continua

(próximos 20 anos –
700 milhões t)

Validade

dos

Recursos

·      Produzir inventários regionais e estaduais da matéria-prima celulósica atual e projetada.

·         Expandir o levantamento nacional das culturas para incluir a biomassa.

·      Expandir o levantamento de dados para incluir relatórios geo-espacias e modelos matemáticos de predição da biomassa

Sistemas

Agronômicos

·      Produzir manuais de procedimentos sustentáveis para a retirada de resíduos agrícolas sem violar as práticas agronômicas e o ambiente.

·      Desenvolver sistemas agrícolas para redução de custo da biomassa.

·      Vasto aumento no investimento em pesquisa para desenvolver sistemas que maximizam a produção sustentável da biomassa.

·        Integrar as culturas energéticas e estratégicas de manejo no sistema atual.

·        Desenvolver sistemas agrícolas para aumentar o seqüestro de carbono e melhorar o balanço de energia.

·        Desenvolver programas de conservação e normas que acomodam e encorajam a produção de biomassa celulósica. 

Melhoramento

das

Plantas

·         Melhorar as plantas existentes e desenvolver novas plantas com maior rendimento de biomassa e eficiência de conversão.

·         Investimento no desenvolvimento de germoplasma e em biotecnologia.

·        Desenvolver plantas com maior capacidade fotossintética e energética, e maior resistência abiótica.

·        Implementar políticas e programas que facilitem a introdução e uso de novas culturas celulósicas.

Logística e

Abastecimento

da Matéria

Prima

·        Desenvolver tecnologias de engenharia de produção para reduzir em 25% os custos totais da produção de etanol.

·      Implementar financiamentos e programas regulatórios que estimulam sistemas de logística mais eficientes.

·        Desenvolver um sistema comum de abastecimento de matéria-prima para todas as biomassas celulósicas, para as regiões geográficas e para as tecnologias de conversão.

Educação

e

Extensão

·        Desenvolver programas educacionais para treinar a força de trabalho necessária para a bioeconomia.

·       Criar programas educacionais para avançar conhecimentos públicos da nova bioeconomia e as políticas de conversação de energia.

Foco I: Validação dos Recursos Naturais

A 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 Agronômicos

Pesquisas 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 Cultura

Embora 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 Prima

O 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 Extensão

O 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.

Referências

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[1] Engenheiro Agrônomo, Pesquisador, Embrapa Soja, Caixa Postal 231, Londrina, PR – CEP 86.001-970.

Email: andreoli@cnpso.embrapa.br

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Revised/Revisado:
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