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BIOMASSA MODERNA NO BRASIL.................................... . . . . . . . voltar para os tópicos

Por meio da biomassa é possível se obter energia, sendo que ela pode se apresentar em diversas formas, como por exemplo: etanol, biodiesel, carvão vegetal, lenha, biogás, entre outros.

No Brasil a biomassa moderna é utilizada em diversos setores da economia, porém há potenciais a serem desenvolvidos, seja através da melhoria dos processos atuais ou pelo desenvolvimento de novos usos.

A seguir serão descritos os principais resultados energéticos obtidos a partir das fontes de biomassa existentes:

Produção de energia através da biomassa

EtanolBiodieselDendroenergiaBiogás

Etanol

O etanol é utilizado como combustível no Brasil desde meados da década de 1970, quando foi instituído pelo Governo Federal, por meio da Lei nº 76.593, o Programa Nacional do Álcool – Proalcool.

Desde então o investimento em pesquisa e desenvolvimento tem feito com que as produtividades agrícola e industrial tenham se elevado continuamente.

Devido ao melhoramento genético e ao crescimento na variedade de espécies de cana-de-açúcar, a produtividade agrícola média no Brasil, que era de 65 t/ha em 1998 (MOREIRA; GOLDEMBERG, 1999), atingiu valores de cerca 100 t/ha em 2003; a quantidade de açúcar na cana aumentou de 9,5% em 1977 para 14% em 2003 (PROCANA, 2005).

O desenvolvimento de tecnologias e a melhoria dos processos, gerenciamento e controle da fabricação de açúcar e álcool elevaram os rendimentos de extração do açúcar da cana de 88% em 1977 para 95 – 98% em 2003 e ganhos de 17% no rendimento da fermentação, chegando algumas destilarias a rendimentos de fermentação de 92% (PROCANA, 2005).

No Brasil, a partir de 2003, foram lançados comercialmente veículos com os motores flexíveis (flex-fuel), capazes de utilizar, sem qualquer interferência do motorista, gasolina (com 20% a 25% de etanol), etanol hidratado puro ou ainda misturas desses dois combustíveis em qualquer proporção, de acordo com os requisitos de eficiência e dirigibilidade e atendendo aos limites legais de emissões de gases de escapamento

(JOSEPH JUNIOR, 2007). Os veículos equipados com esses motores têm representado a maioria dos veículos novos vendidos no Brasil a partir de 2005 (BNDES, 2008).

A participação nas vendas de veículos leves movidos somente a etanol chegou a 96% do mercado em 1985, porém no final desta década, devido aos preços mais atraentes do açúcar no mercado internacional, a produção de álcool etílico foi reduzida drasticamente, e o país passou por uma séria crise de abastecimento. A venda destes veículos foi praticamente extinta, chegando ao valor mínimo de 0,07% em 1997 (BAJAY; FERREIRA, 2005).

Produção do etanol brasileiro

Atualmente, a cultura da cana alcança quase todos os estados brasileiros e ocupa cerca de 9% da superfície agrícola do país, sendo o terceiro cultivo mais importante em superfície ocupada, depois da soja e do milho. Em 2008, a área colhida foi da ordem de 7,29 milhões de hectares, para uma área plantada de mais de 8,36 milhões de hectares e produção total de 558,1 milhões de toneladas (MAPA, 2008).

A cultura da cana-de-açúcar no Brasil apresenta tradicionalmente dois períodos distintos de colheita, variando de acordo com o regime de chuvas, para otimização de operações de corte e transporte, bem como melhor ponto de maturação da cana. Na região Norte-Nordeste a safra vai de setembro a março, e na região Centro-Sul, de maio a novembro (BNDES, 2008).

A região produtora de maior destaque é a Centro-Sul-Sudeste, com mais de 85% da produção, e o maior produtor nacional é o Estado de São Paulo, com cerca de 60% da produção.

O setor sucroalcooleiro brasileiro conta com 387 usinas em operação cadastradas no Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA, 2008; posição em 15/05/2008) sendo que destas, 79 se encontram na região Norte-Nordeste e as outras 308 se concentram na região Centro-Sul.

Quanto ao perfil de produção, as usinas brasileiras podem ser classificadas em três tipos de instalações: as usinas açucareiras, que produzem exclusivamente açúcar; as usinas de açúcar com destilarias anexas, que produzem açúcar e etanol; e as instalações que só produzem etanol, chamadas destilarias autônomas. A grande maioria das instalações é formada por usinas de açúcar com destilarias anexas (por volta de 60%), seguidas por um considerável montante de destilarias autônomas (aproximadamente 35%) e por algumas unidades de processamento exclusivo de açúcar (os 5% restantes) (BNDES, 2008).

Tecnologias de segunda geração

Para a produção de etanol de segunda geração, está sendo desenvolvida a tecnologia de produção a partir do bagaço e palha de cana. Por enquanto não há plantas operando em escala comercial, apesar de existirem unidades demonstrativas e pilotos pelo mundo. Esta tecnologia promete revolucionar o setor, fazendo com que haja uma maior produção de biocombustível por uma mesma unidade de cana plantada.

O processo consiste na degradação das fibras do bagaço ou palha de cana-de-açúcar por meio de processos ácidos ou enzimáticos. A partir dessa quebra em unidades menores de açúcares, a fermentação propicia a produção de etanol.

Há diversos entraves ainda a serem enfrentados por essa tecnologia, porém espera-se que além da matéria-prima de cana de açúcar, outros materiais lignocelulósicos também sejam utilizados para produção de etanol, aumentando a eficiência do processo e favorecendo a dispersão da biomassa em diferentes regiões para fins energéticos.

Biodiesel

O biodiesel é um combustível que pode ser produzido a partir de uma série de matérias-primas (óleos vegetais diversos, gordura animal, óleo de fritura) através dos processos de transesterificação e craqueamento. O processo que tem apresentado resultados técnico-econômicos mais satisfatórios é a transesterificação, no qual ocorre uma reação entre o óleo vegetal e um álcool (metílico ou etílico), na presença de um catalisador, e cujos produtos são um éster de ácido graxo (biodiesel) e glicerina.

A utilização do biodiesel é bastante difundida, principalmente na Europa. Nestes países, o biodiesel é produzido principalmente a partir da reação de transesterificação entre o óleo de canola e o metanol (derivado do gás natural ou petróleo) (NOGUEIRA; MACEDO, 2005).

O Brasil está entre os maiores produtores e consumidores de biodiesel do mundo, com uma produção anual, em 2008, de 1,2 bilhões de litros e uma capacidade instalada, em janeiro de 2009, para 3,7 bilhões de litros (ANP, 2009).

A utilização do biodiesel, em substituição ao diesel, promove a redução da maioria das emissões causadas por este combustível fóssil. A exceção se dá nos óxidos de nitrogênio, poluente de particular importância por ser um dos precursores do ozônio troposférico. Outra característica importante é a ausência de enxofre no biodiesel, colaborando para a redução das emissões de SOx causadas pelo diesel, em particular o diesel brasileiro, cujo teor de enxofre é bastante elevado (NOGUEIRA; MACEDO, 2005).

Segundo Ramos et al. (2003) e Ramos & Wilhelm (2005), dentre as fontes de biomassa mais adequadas e disponíveis para a consolidação de programas de energia renovável, os óleos vegetais têm sido investigados não só pelas suas propriedades, mas também por representarem alternativa para a geração descentralizada de energia, atuando como forte apoio à agricultura familiar, criando melhores condições de vida (infraestrutura) em regiões carentes, valorizando potencialidades regionais e oferecendo alternativas a problemas econômicos e sócio-ambientais de difícil solução (CAMARA, 2006).

No caso brasileiro, são utilizados óleos vegetais de diversas oleaginosas, conforme as espécies produzidas em cada região, por exemplo: óleo de palma na região Norte, óleo de mamona na região Nordeste, óleo de soja na região Centro-Oeste.

Segundo Saad et al. (2006), nem todo óleo vegetal pode ou deve ser utilizado como matéria-prima para a produção de biodiesel. Isso porque alguns óleos vegetais apresentam propriedades inadequadas que podem ser transferidas para o

biocombustível, tornando-o inadequado para uso direto em motores do ciclo diesel. Exemplos: a) uma propriedade indesejada é o alto índice de iodo, que torna o biodiesel mais susceptível à oxidação e inadequado para uso direto em motores do ciclo diesel; b) viscosidades muito altas são tecnicamente indesejáveis; por exemplo, o óleo de mamona é muito viscoso (~239 mm2/s) e, por consequência, produz ésteres de viscosidade (~14 mm2/s) superior aos limites estabelecidos pela especificação do motor.

Dentre as espécies de plantas oleaginosas bem ou relativamente estudadas para a produção nacional de biodiesel, relacionam-se a soja, o girassol, a mamona, o milho, o pinhão-manso, o caroço de algodão, a canola, o babaçu, o buriti, o dendê, o amendoim, além de outras potencialmente viáveis (PARENTE, 2003; RAMOS et al., 2003).

A eficiência energética do biodiesel vem sendo estudada por diversos autores. Em estudo de Pimentel e Patzek (2005), houve a comparação da produção de biodiesel a partir de grãos de soja e girassol, sendo observado que a produção a partir do girassol tem uma perda de 54% de energia, enquanto que a produção a partir da soja apresentou perda energética menor (21%).

Em suma, a eficiência energética do biodiesel depende de fatores como gasto energético na produção e o teor de óleo dos grãos utilizados. Vários autores (FREDERIKSSON et al., 2006; JANULIS, 2004; POWLSON et al., 2005) vêm estudando o balanço energético de biocombustíveis, como etanol e biodiesel, tendo encontrado resultados variáveis para processos que utilizam a mesma matéria-prima. Nos estudos realizados pelo USDA e pelo USDE (1998), houve uma perda de 19,45% para o biodiesel produzido de soja. O sistema agrícola adotado, com maior ou menor número de operações de preparo de solo, por exemplo, é fundamental para um balanço energético favorável (SILVA e FREITAS, 2008).

Além disso, o balanço energético depende dos fatores considerados pelos autores, que pode somar à energia do biocombustível a energia contida em subprodutos, como o farelo da soja, por exemplo, o que diminui as perdas do processo. A mão-de-obra é um fator muitas vezes desconsiderado no gasto energético (SILVA e FREITAS, 2008).

De acordo com Zhang et al. (2003), um dos principais obstáculos para implementação dos programas de biodiesel é o alto custo de produção. Em geral o custo é bastante variável, pois depende principalmente da matéria-prima, do processo utilizado e local de produção do biocombustível. Com o aumento da demanda pelo biocombustível é esperado que a aumente a produção de oleaginosas, propiciando com esse ganho de escala, uma redução nos custos de produção. Porém, se a questão de competição entre produção de alimentos e combustível prevalecer, haverá a valorização da produção de grãos e aumento nos custos de produção.

Considerando os aspectos para implementação de um programa para substituição do diesel, o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) lançou em 2005 o Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel, que prevê o incentivo para a produção de combustíveis a partir de fontes renováveis. Além disso, desde 1º de julho de 2009, o óleo diesel comercializado em todo o Brasil contém 4% de biodiesel. Esta regra foi estabelecida pela Resolução nº 2/2009 do Conselho Nacional de Política Energética (CNPE), publicada no Diário Oficial da União (DOU) em 18 de maio de 2008, que

aumentou de 3% para 4% o percentual obrigatório de mistura de biodiesel ao óleo diesel (ANP, 2009).

A venda de diesel B4 é obrigatória em todos os postos que revendem óleo diesel, sem haver necessidade de qualquer ajuste ou alteração nos motores e veículos que utilizem essa mistura.

Dendroenergia

O aproveitamento da madeira como fonte de energia pode ser considerado a forma mais antiga de utilização de biomassa, pois a partir dela é produzida a lenha, ainda hoje empregada para cocção e calefação.

A energia gerada empregando-se a madeira e/ou seus resíduos é denominada dendroenergia, podendo a madeira utilizada como combustível ser proveniente de florestas energéticas ou processos industriais (NOGUEIRA; LORA, 2003).

A exploração de florestas plantadas visa exclusivamente a conversão da madeira em energia. Caso a madeira seja proveniente de florestas nativas deve-se, obrigatoriamente, considerar um sistema de reflorestamento ou manejo, visando garantir a sustentabilidade do processo de exploração florestal (VARKULYA JR, 2004).

Três segmentos industriais que usam madeira podem ser destacados: serrarias, movelarias e indústrias de papel e celulose, sendo que a madeira utilizada para produção de energia deriva dos próprios processos industriais.

O setor de papel e celulose é dividido em três grupos: indústrias de papel, indústrias de celulose e indústrias integradas (fabricantes de papel e celulose). A geração de eletricidade empregando resíduos de madeira é mais acentuada nas indústrias de celulose e nas integradas, pois nestes grupos ocorre o processamento da madeira, que é a matéria para produção de celulose. Nessa unidades a produção de energia atende de 50% a 80% da demanda interna, já as unidades que fabricam apenas papel geram apenas 10% da energia consumida no processo, comprando o restante das concessionárias (VELÁZQUEZ, 2000).

A madeira aproveitada para a geração de energia deriva das cascas e aparas das árvores processadas. Ainda pode ser considerado, neste segmento, um outro tipo de biomassa denominado lixívia ou licor negro, obtido através do processo de cozimento da madeira para produção de celulose, denominado processo sulfato ou “kraft” (VELÁZQUEZ, 2000).

Analogamente ao setor sucroalcooleiro, o vapor obtido na caldeira, a partir da queima de resíduos de madeira, além de gerar eletricidade capaz de atender parte do consumo da própria indústria, também pode atender às necessidades térmicas da planta industrial.

O Brasil atualmente é o quarto maior produtor mundial de celulose, ficando atrás de EUA, China e Canadá. Os dados mais recentes indicam, devido aos investimentos feitos nos últimos dez anos, que de uma produção de 1,4 milhões de toneladas ao ano, em 2008 a produção brasileira foi de mais de 12 milhões de toneladas (BRACELPA, 2009).

Ainda segundo informações da BRACELPA (Associação Nacional dos Fabricantes de Celulose e Papel) o Brasil em 2008 obteve uma taxa de recuperação de papel de 45,09%, tornando-se o décimo maior reciclador de papel do mundo.

Nas serrarias e movelarias, apesar do possível aproveitamento de resíduos de madeira, constituídos por serragem e lenha, ainda não é efetiva a produção de energia elétrica. Neste segmento, o principal problema se refere à exploração predatória da floresta que, além de gerar problemas de ordem legal, também impede que sejam realizados levantamentos precisos da quantidade de resíduos obtidos e que poderiam ser usados para geração de energia.

O aproveitamento mais comum dos resíduos gerados neste segmento industrial consiste em transformar a lenha em carvão vegetal, que pode ser consumido em indústrias siderúrgicas, ou mesmo no setor residencial.

Carvão vegetal

O carvão vegetal é a transformação de biomassa, por exemplo a lenha, em fornos ou reatores pelo processo de pirólise ou carbonização. O carvão vegetal quando produzido de forma sustentável, a partir de lenha de reflorestamento ou resíduos agro-industriais, é um combustível renovável.

No Brasil, este combustível já é produzido há cerca de 400 anos; sua produção só atingiu a maturidade na década de 1960. A produção de carvão vegetal atingiu seu ápice em 1989, quando foram produzidos 44,8 milhões de metros cúbicos; após essa data, a produção vem apresentando quedas constantes, com uma produção de 25,4 milhões de metros cúbicos em 2000.

O carvão vegetal é mais calórico do que a lenha e, quando queimado, libera menos fumaça. As tecnologias de carbonização sofreram muitos avanços. O processo de produção do carvão vegetal ocorre em altas temperaturas, na faixa de 450 a 600ºC na ausência de oxigênio.

Nestas condições, a biomassa, em vez de entrar em combustão, sofre carbonização pela eliminação da fumaça, que nada mais é do que materiais voláteis e água eliminados na forma de vapores e gases.

No início, o carvão vegetal era produzido apenas em um amontoado de lenha coberto com terra no qual se ateava fogo e, após o resfriamento, coletava-se a massa negra remanescente para o uso na cocção, calefação e iluminação doméstica. Atualmente, usam-se fornos de alvenaria com concepção mais moderna, capazes de aumentar o rendimento em carvão e produzir mais carvão vegetal com uma mesma massa de lenha enfornada. Os fornos têm diversos formatos. Os mais rudimentares são em forma de cúpula, outros são cilíndricos com o teto em cúpula e existem ainda os grandes fornos retangulares de grande capacidade de produção.

Os dois fornos mais comuns no Brasil são o forno rabo-quente, construído de tijolos comuns, geralmente sem chaminé com uma porta e volume efetivo de 4,5 e 250 toneladas de madeira com diâmetro de 3 a 7 metros, e o forno superfície ou colmeia, também construído com tijolos comuns, possui de 1 a 6 chaminés, uma ou duas portas e

capacidade entre 17,5 e 75 toneladas de madeira. Nesses fornos a carbonização da madeira é simétrica, o custo de construção é baixo e podem ser construídos próximo às florestas; entretanto, não é possível controlar a temperatura e a concentração de oxigênio (ROSILLO-CALLE; BEZZON 2005).

Existem também os fornos retangulares, nos quais os caminhões podem entrar para carregar e descarregar madeira e carvão, possibilitando maior controle da temperatura e aumentando o rendimento de carvão vegetal e derivados. Estes fornos foram testados por algumas empresas no Brasil (ACESITA e MAFLA) e os resultados apontaram redução nos custos de produção entre 7% e 15%, além de maiores eficiências, devido aos grandes volumes e qualidade equivalente ou superior, que podem ser produzidos em cada batelada.

No entanto, a maior parte do carvão vegetal brasileiro ainda é produzida em fornos redondos, principalmente devido aos custos iniciais de produção, que compensam a baixa produtividade. Contudo, ainda existe uma perspectiva favorável de substituição de fornos convencionais por retangulares nas principais empresas fabricantes de carvão vegetal (ROSILLO-CALLE; BEZZON 2005).

Biogás

O biogás é uma mistura gasosa rica em metano. O metano é o componente predominante no gás natural combustível, hoje importado da Bolívia pelo Brasil e usado para geração de eletricidade, abastecimento de veículos automotores, geração de calor em indústrias e abastecimento doméstico e comercial em substituição ao GLP (gás liquefeito de petróleo).

O biogás é formado a partir da degradação da matéria orgânica. Sua produção é possível a partir da reação de uma grande variedade de resíduos orgânicos como lixo doméstico, resíduos de atividades agrícolas e pecuárias, lodo de esgoto, entre outros.

O potencial energético do biogás varia em função da presença de metano em sua composição: quanto mais metano, mais rico é o biogás. Tipicamente o biogás é composto por 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico, monóxido de carbono, amônia, oxigênio e aminas voláteis. Dependendo da eficiência do processo, o biogás chega a conter entre 40% e 80% de metano (PECORA, 2006).

Segundo Alves (2000), a presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, dióxido de carbono) prejudica o processo de queima tornando-o menos eficiente. Estas substâncias entram com o combustível no processo de combustão e absorvem parte da energia gerada. O poder calorífico do biogás se torna menor à medida que se eleva a concentração das impurezas.

A formação de biogás pode ocorre em aterros sanitários, estações de tratamento anaeróbio de efluentes ou digestores de resíduos rurais. Nestes locais, a matéria orgânica presente nos resíduos é degradada, em uma atmosfera sem oxigênio, por bactérias anaeróbias que, aliando outras condições favoráveis como temperatura, umidade e pH, produzem naturalmente o biogás.

O biogás, até pouco tempo, era considerado como um subproduto obtido por meio da decomposição da matéria orgânica. Porém, a alta dos preços dos combustíveis convencionais e o crescente desenvolvimento econômico vem estimulando pesquisas de fontes renováveis para produção de energia tentando criar, deste modo, novas formas de produção energética que possibilitem a redução da utilização dos recursos naturais esgotáveis.

A conversão energética do biogás pode ser apresentada como uma solução para o grande volume de resíduos produzidos por atividades agrícolas e pecuárias, destilarias, tratamento de esgotos domésticos e aterros sanitários, visto que reduz o potencial tóxico das emissões de metano ao mesmo tempo em que produz energia elétrica, agregando, desta forma, ganho ambiental e redução de custos (COSTA, 2002).

O biogás pode substituir outros combustíveis utilizados na indústria. Como pode ser verificado na Tabela 6.1, com 1Nm³ de biogás obtem-se a energia equivalente à de 1,5 kg de lenha ou 0,74 kg de carvão mineral, por exemplo.

Figura 6.1. Equivalência de 1Nm³ de biogás em relação a outros combustíveis.

Fonte: CARDOSO FILHO, 2001.

Visto que é uma fonte primária de energia, o biogás pode ser utilizado para iluminação de residências, aquecimento de água, além de aquecimento de caldeiras e fornos em usos industriais. O biogás não é tóxico, porém atua sobre o organismo humano diluindo o oxigênio, o que pode provocar morte por asfixia. Não é solúvel em água e sua combustão não libera resíduos (LIMA, 2005).

Conversão do biogás

A geração de energia elétrica com biogás pode ser feita com grupos moto-geradores semelhantes àqueles conhecidos comercialmente, através de motores de combustão interna a diesel, gasolina ou gás ou turbinas a gás, todos adaptados para queimar biogás.

Uma das barreiras para a recuperação da energia do biogás foi a necessidade de grandes quantidades de resíduos, gerando grandes quantidades de biogás para alimentar máquinas com potências maiores, em geral a partir de 500 kW. Entretanto, recentemente foi introduzida no mercado norte-americano a tecnologia de microturbinas, equipamentos fornecidos com potências para escalas inferiores a 100 kW e já disponíveis para utilização de biogás.

Nesta faixa de potência estão 24% da população dos municípios (entre 50 mil e 230 mil habitantes), representando cerca de 150 MW de potência descentralizada. Podem ser encontradas instalações para geração de energia elétrica por microturbinas alimentadas por com biogás nos EUA já neste ano de 2001. O pequeno porte destes sistemas aumenta a flexibilidade da operação, possibilitando a geração de energia em pequenas localidades, o que amplia o espectro de localidades com potencial para a recuperação de biogás, principalmente no Brasil.

Potencial para geração de eletricidade com biogás

A geração de energia com o biogás de resíduos apresenta consequências duplamente benéficas, pois irá colaborar com a viabilidade econômica do saneamento urbano.

Uma vez que apenas aterros bem gerenciados e estações de tratamento de esgoto têm condições de implementar tal ação, essa geração de energia também servirá como incentivo ao bom gerenciamento sanitário.

A disponibilidade de biogás é imediata. Aterros bem gerenciados necessitam de poucas obras de impermeabilização e captação. Estações de tratamento de esgotos ou lodos não necessitam de praticamente nenhuma adaptação. As necessárias adaptações de instalações rurais podem ser executadas em poucos meses.

Considerando-se as 60.000 toneladas de lixo de lixo geradas no país por dia e a taxa de coleta de 80 %, tem-se a geração de 650.000 toneladas de metano por ano. Considerando-se o fator de 2.000 t de metano/ano.MW, pode-se estimar que o potencial de geração de energia elétrica pelos resíduos sólidos urbanos no Brasil seja de 300 a 500 MW.

Vantagens do uso do biogás

O biogás é uma fonte de energia renovável e, portanto, sua recuperação e seu uso energético apresentam vantagens ambientais, sociais, estratégicas e tecnológicas significativas. Considerando que os lixões apresentam geração de biogás (metano) e que, sem captação/utilização, esta emissão tem impactos importantes no aquecimento global do planeta e na contaminação do lençol freático em nível regional, a utilização do biogás para geração de energia acaba por ser um forte candidato a projetos de comercialização de créditos de carbono. Tanto este fato é verdade que muitos países da União Europeia comprometidos com a redução das emissões de gases efeito estufa estão investindo significativamente em projetos de geração de energia com biogás.

Uma vantagem adicional do uso do biogás é a característica de descentralização na geração, ou seja, todo adensamento populacional é também um centro importador de energia e a recuperação do biogás permite a redução dessa necessidade de importação.

A tecnologia da digestão anaeróbia foi trazida para o Brasil com a crise do petróleo na década de 1970. Diversos programas de difusão foram implantados no nordeste, porém os resultados não foram satisfatórios e os benefícios obtidos não foram suficientes para dar continuidade ao programa (COELHO et al., 2001).

De acordo com Pecora (2006), com o choque do petróleo, diversos países buscaram alternativas para sua substituição, acarretando em um grande impulso na recuperação de energia gerada pelos processos de tratamento anaeróbio. Porém, as soluções para os problemas de desenvolvimento devem ser apropriadas às necessidades, capacidades e recursos humanos, recursos financeiros e cultura. Deste modo, o impulso recebido durante a crise não chegou a substituir os recursos não renováveis por fontes renováveis.

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http://www.suapesquisa.com/ecologiasaude/biodiesel.htm

Biodiesel O que é biodiesel, materias-primas (grãos, soja, mamona, dendê,

girassol), produção, combustível, utilização, vantagens do biodiesel, desvantagens, etanol

Biodiesel: o combustível ecológico

 

O que é o biodiesel

O biodiesel é um combustível renovável, pois é produzido a partir de fontes vegetais (soja, mamona, dendê, girassol, entre outros), misturado com etanol (proveniente da cana-de-açúcar) ou metanol (pode ser obtido a partir da biomassa de madeiras). Ou seja, um combustível totalmente limpo, orgânico e renovável.

A tecnologia de fabricação do biodiesel está em desenvolvimento avançado no Brasil. A Petrobrás possui esta tecnologia e o combustível orgânico já está sendo utilizado em alguns veículos em nosso país. Acredita-se que, para o futuro, este combustível possa, aos poucos, substituir nos veículos os combustíveis fósseis. Será um grande avanço em busca da diminuição da poluição do ar.

Vantagens do biodiesel:

- A queima do biodiesel gera baixos índices de poluição, não colaborando para o aquecimento global.

- Gera emprego e renda no campo, diminuindo o êxodo rural.

- Trata-se de uma fonte de energia renovável, dependendo da plantação de grãos oleoginosos no campo.

- Deixa as economias dos países menos dependentes dos produtores de petróleo.

- Produzido em larga escala e com uso de tecnologias, o custo de produção pode ser mais baixo do que os derivados de petróleo.

Desvantagens do biodiesel

- Se o consumo mundial for em larga escala, serão necessárias plantações em grandes áreas agrícolas. Em países que não fiscalizam adequadamente seus recursos florestais, poderemos ter um alto grau de desmatamento de florestas para dar espaço para a plantação de grãos. Ou seja, diminuição das reservas florestais do nosso planeta.

- Com o uso de grãos para a produção do biodiesel, poderemos ter o aumento no preço dos produtos derivados deste tipo de matéria-prima ou que utilizam eles em alguma fase de produção. Exemplos: leite de soja, óleos, carne, rações para animais, ovos entre outros.

 

http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422009000300004

Química Nova

Print version ISSN 0100-4042

Quím. Nova vol.32 no.3 São Paulo  2009

doi: 10.1590/S0100-40422009000300004 

ARTIGO

 

Biomassa e energia

 

Biomass and energy

 

 

José Goldemberg*

Universidade de São Paulo, São Paulo - SP, Brasil

 

 

ABSTRACT

Biomass was the dominating source of energy for human activities until the middle 19th century, when coal, oil, gas and other energy sources became increasingly important but it still represents ca. 10% of the worldwide energy supply. The major part of biomass for energy is still "traditional biomass" used as wood and coal extracted from native forests and thus non-sustainable, used with low efficiency for cooking and home heating, causing pollution problems. This use is largely done in rural areas and it is usually not supported by trading activities. There is now a strong trend to the modernization of biomass use, especially making alcohol from sugar cane thus replacing gasoline, or biodiesel to replace Diesel oil, beyond the production of electricity and vegetable coal using wood from planted forests. As recently as in 2004, sustainable "modern biomass" represented 2% of worldwide energy consumption. This article discusses the perspectives of the "first" and "second" technology generations for liquid fuel production, as well as biomass gaseification to make electricity or syngas that is in turn used in the Fischer-Tropsch process.

Keywords: biomass; energy.

 

 

INTRODUÇÃO

A produção de energia no século 20 foi dominada por combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) que representavam ainda no início do século 21, cerca de 80% de toda a energia produzida no mundo.1

 

 

Além dos combustíveis fósseis, energia nuclear e energia hidroelétrica tinham pequenas participações, bem como as novas fontes renováveis de energia (solar, eólica, geotérmica e pequenas centrais hidroelétricas) que são as mais atraentes do ponto de vista ambiental, mas que lamentavelmente representavam apenas 1,5% da produção mundial. No total todas estas fontes representavam 10% da produção de energia. Os outros 10% se originam na biomassa: 8,40% sob a forma de biomassa tradicional usada de forma primitiva, não sustentável, pelas populações carentes da África, Ásia e parte da América Latina, que derrubam as árvores para aquecer ambientes e cozinhar. Os restantes 1,91% eram usados como formas modernas de energia, quer gerando eletricidade ou produzindo carvão vegetal para a indústria siderúrgica quer produzindo etanol, um excelente combustível com octanagem maior do que a gasolina, sem as suas impurezas como particulados e óxidos de enxofre.

A fração da biomassa usada em diferentes regiões do mundo varia muito, desde 2% nos países da OCDE até 60% em certas regiões da África (Figura 2).

Em 1850, biomassa representava 85% do consumo mundial de energia e, mais ainda, antes disso era praticamente a única forma de energia usada pelo homem, além da força dos ventos (para navegação), animais domesticados (na agricultura) e pequenas quantidades de carvão para aquecimento residencial.

Com a Revolução Industrial que se iniciou com o uso das máquinas a vapor no fim do século 18, a importância do carvão, que era pequena, usado principalmente para aquecimento residencial, aumentou para 15% em 1850 e cresceu rapidamente para 50% no fim do século 19.3 A Figura 3 mostra duas das projeções existentes indicando também a importância crescente da energia solar e o declínio da contribuição das fontes fósseis de energia.

 

 

Daí para frente petróleo e gás se tornaram dominantes. Há duas explicações para isso: em primeiro lugar, líquidos como petróleo e gás eram mais fáceis de transportar e deram origem a novas formas de utilização de combustíveis, como motores de combustão interna (ciclos Otto ou Diesel). Além disso, o uso de biomassa na forma primitiva e freqüentemente predatória com que era usada causava desmatamento e degradação do solo é, portanto, desaconselhável. Por essa razão tornou-se conhecido como o combustível dos mais pobres e subdesenvolvidos. O que ocorreu, contudo é que, a partir das últimas décadas do século 20, a "biomassa moderna" começou a representar uma contribuição crescente e está, portanto, em plena recuperação.

As projeções para o futuro indicam que a importância da biomassa aumentará muito, chegando a representar no fim do século 21 de 10 a 20% de toda a energia usada pela humanidade.

 

USOS MODERNOS DA BIOMASSA

Existe um grande número de tecnologias de conversão energética da biomassa, adequadas para aplicações em pequena e grande escalas. Elas incluem gaseificação, métodos de produção de calor e eletricidade (cogeração), recuperação de energia de resíduos sólidos urbanos e gás de aterros sanitários além dos biocombustíveis para o setor de transportes (etanol e biodiesel). O recente interesse na energia da biomassa tem dado ênfase em aplicações que produzem combustíveis líquidos para o setor de transportes. (biocombustíveis). A Figura 4 descreve as etapas do processamento do bioetanol de primeira e segunda gerações.

 

 

A Figura 5 esquematiza os diversos caminhos existentes para a produção de biocombustíveis. Dadas as crescentes preocupações quanto ao futuro da oferta global de petróleo e a de outras opções de combustível disponíveis para o setor de transportes, tais combustíveis representam a melhor das opções de uso da energia de biomassa.

 

 

De todas as opções disponíveis, o etanol da cana-de-açúcar é o maior sucesso comercial dos combustíveis de biomassa em produção atualmente. O etanol da

cana-de-açúcar possui balanço energético positivo e tem sido beneficiado pelo apoio de políticas governamentais em vários países, inclusive no Brasil, que atualmente abastece aproximadamente 40% do combustível para veículos de passageiros (um terço da sua demanda total de energia para transporte) com etanol da cana-de-açúcar.2,6 O balanço energético para a produção de etanol a partir de vários produtos agrícolas é dado na Figura 6.

 

 

Globalmente, existem oportunidades para expandir a produção de etanol da cana-de-açúcar: quase 100 países produzem cana-de-açúcar e as tecnologias de conversão são disponíveis. Além disso, a experiência brasileira sugere que os impactos ambientais adversos associados com a produção em larga-escala de etanol da cana-de-açúcar podem ser significantemente mitigados.10 O etanol também está sendo produzido em escala comercial a partir do milho nos Estados Unidos, o qual subsidiou sua produção por muitos anos e mais recentemente adotou outro tipo de combustível de transporte baseado na biomassa – o biodiesel – que tornou-se comercialmente disponível recentemente, como um resultado de programas na Europa e América do Norte. No entanto, essa opção oferece limitado potencial de redução de custos de produção e sua viabilidade é passível de continuar dependendo de incentivos externos, como subsídios agrícolas. Além disso, adesão às especificações do combustível e efetivo controle de qualidade são fatores importantes para garantir a viabilidade comercial do biodiesel. Avanços tecnológicos recentes têm envolvido esforços para diversificar a cadeia de fornecimento de biodiesel através, por exemplo, do uso do bioetanol ao invés do metanol do carvão mineral como matéria-prima.

A energia do biogás da degradação anaeróbica em aterros sanitários, estações de tratamento de esgoto, e terrenos de tratamento de estrume é considerada uma opção de baixo custo, uma vez que pode se beneficiar de créditos de carbono disponíveis através do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL). Essa forma de energia de biomassa não só substitui a combustão de combustíveis fósseis, mas reduz as emissões de metano, um gás de efeito-estufa mais potente do que o dióxido de carbono.

Tecnologias de conversão de biomassa para formas utilizáveis comercialmente variam em termos de escala, qualidade do combustível e custo. Tecnologias de larga-escala que já estão no mercado incluem combustão em leito fixo, leitos fluidizados, combustão e co-combustão de carvão e biomassa, recuperação de resíduos sólidos urbanos assim como diversos tipos de sistemas para gaseificação, pirólise, etc. Muitas dessas tecnologias não estão disponíveis comercialmente ainda em países em desenvolvimento.

 

O FUTURO DA BIOMASSA MODERNA

Assim como outras opções de energia renovável, o potencial teórico para a energia da biomassa é enorme. Dos aproximadamente 100.000 Terawatts de fluxo de energia solar que atingem a superfície da Terra, cerca de 4.000 Terawatts atingem os 1,5 bilhões de hectares de plantações existentes no mundo. Admitindo que as tecnologias de biomassa moderna possam atingir uma eficiência da conversão energética de 1%, essas plantações poderiam, em teoria, produzir 40 Terawatts de fluxo de energia, ou mais de 3 vezes o atual fluxo de abastecimento global de energia primária de 14 Terawatts. Essa comparação não tem a intenção de sugerir que todas as terras cultiváveis deveriam ser usadas para a produção de energia, mas somente para ilustrar que há espaço para uma expansão significativa da contribuição energética da biomassa moderna, dado que essa contribuição foi estimada em somente 0,17 Gigawatts em 2003.11,12

Há numerosas áreas em países em desenvolvimento onde o uso de matéria-prima de biocombustíveis melhorados, pode ser substituído pela atual utilização de plantas nativas. O uso eficaz dessas novas matérias-primas de biomassa para a co-produção local de aquecimento, eletricidade e combustível de transporte também teria um impacto profundo na capacidade das populações rurais de acessar formas de energia modernas e mais limpas. Soluções energéticas que podem ser desenvolvidas com investimento modesto de capital serão um elemento crucial de uma efetiva estratégia energética. Também será crucial – como parte de qualquer expansão em larga-escala da produção da energia de biomassa – gerenciar as demandas competitivas de produção de alimentos e preservação ambiental. Nas áreas onde a base dos recursos for suficiente para sustentar ambos, alimentos e produção de energia, ou em casos onde é possível fazer uso complementar das mesmas matérias-primas (ex., usando resíduos de produção de alimentos para produção de energia), as restrições ao uso de terra podem não ser um problema grave.

Em outras áreas, entretanto, o potencial para produção de energia para deslocar a produção de alimentos pode gerar preocupações – especialmente se a produção de alimentos serve a população local, enquanto a produção de energia é prioritariamente para exportação. Este pode ser o caso em vários países em desenvolvimento, em particular no estado de São Paulo, onde a expansão das plantações de cana-de-açúcar para produção de etanol poderia reduzir a produção de alimentos. Na prática isto não ocorre porque a expansão no estado tem ocorrido em pastagens degradadas.13 Exemplo desta situação ocorreu quando um forte aumento nos preços de milho devido, em parte, à expansão rápida de demanda por etanol de milho nos Estados Unidos, provocou protestos e distúrbios no México, no início de 2007.

Algumas das mais promissoras oportunidades para solucionar estes conflitos e expandir a contribuição energética da biomassa moderna envolvem avanços de vanguarda nas ciências biológicas e químicas, inclusive o desenvolvimento de plantios designados para produção de energia e a simulação artificial de processos biológicos naturais, tais como a fotossíntese. Descobertas nas novas fronteiras da

pesquisa de energia da biomassa, em qualquer das muitas áreas de pesquisa descritas no Quadro 1, poderiam ter profundas implicações para o futuro do uso da energia de biomassa. Como outras opções para o uso de recursos renováveis, a magnitude da contribuição da biomassa dependerá de quanto progresso poderá ser alcançado em áreas-chave como: redução de custos; mitigação de impactos ambientais, uso da água, produtos químicos (pesticidas ou fertilizantes), perdas na biodiversidade; e minimização da pressão em recursos escassos do solo em termos de requisitos competitivos para produção de alimentos e fibras e preservação do habitat.

Soluções que simultaneamente se proponham a remover todos esses obstáculos envolvem expandir a disponibilidade de solo para a produção de energia; integrar o desenvolvimento da energia de biomassa com as práticas agrícolas e florestais sustentáveis; melhorar a produtividade de plantios com consideração ao solo, à água e ao uso de nutrientes; e desenvolver tecnologias de produção avançada e conversão. Biocombustíveis produzidos da lignocelulose, em preferência ao amido, aparentam ser mais promissoras, tanto em termos de minimizar potenciais conflitos entre produção alimentícia e energética e em termos de maximizar os benefícios ambientais (inclusive a redução de gases do efeito estufa) relativos ao uso de combustíveis fósseis.

Significativos avanços têm sido alcançados mundialmente com relação à produtividade agrícola. Entre 1950 e 1999, as áreas usadas para plantio de cereal aumentaram 17%. Durante esse tempo, a produtividade da safra de cereais subiu 183%.14 A introdução de novas variedades de espécies diversificou as culturas de plantio, permitindo uma colheita eficaz em diferentes tipos de solos, climas e condições de água e também melhores safras.

Para dar um exemplo, a União Européia e os Estados Unidos estão realizando grandes esforços em Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) para melhorar a competitividade dos custos da produção comercial do etanol. Os esforços atuais estão focados em promover a recuperação eficaz de açúcares através da hidrólise de frações de celulose e hemicelulose da biomassa, assim como uma melhor fermentação do açúcar.12

Com o crescente aumento dos preços de óleo e gás natural, e com os novos incentivos gerados pela emergência do mercado de carbono, o gás de aterros sanitários, bagaço da cana-de-açúcar, biodiesel, madeira de reflorestamento, e esquemas resíduo-energia estão também se tornando opções atrativas. Baseado nas atuais tendências no desenvolvimento tecnológico, espera-se que os custos de recuperação da energia de biomassa se reduzam em até dois terços em 20 anos.12

O progresso no desenvolvimento de alternativas para a energia de biomassa, além de aliviar a pressão em recursos finitos de combustíveis fósseis, pode reduzir os custos de mitigação de emissões de carbono. O etanol de cana-de-açúcar, por exemplo, tem um balanço energético positivo de oito para um, e um custo aproximadamente nulo de mitigação de carbono. Como uma tecnologia que evita emissões de gases de efeito-estufa, o bioetanol poderia, em breve, alcançar custos negativos conforme se torna mais barato do que a gasolina – mesmo sem subsídios governamentais – em alguns mercados.

Por outro lado, muito do etanol e do biodiesel produzidos comercialmente nos países OCDE têm, atualmente, custos de mitigação de carbono na faixa de US$60-400 por tonelada de dióxido de carbono no ciclo de vida que englobe todo o processo.5 O uso de fertilizantes no cultivo da biomassa, por exemplo, pode produzir emissões de óxido nitroso, um gás de efeito-estufa extremamente potente – o que reduziria os benefícios climáticos decorrentes do uso do petróleo. Da mesma forma, a conversão da biomassa em combustível líquido requer energia e –

dependendo da eficiência do processo de conversão e das fontes energéticas usadas – pode também produzir significantes emissões reduzindo os benefícios que adviriam do seu uso. Melhorar o desempenho dos combustíveis de biomassa no que se refere à mitigação das mudanças climáticas depende, então, da redução desses aportes de energia.

O interesse está também crescendo no desenvolvimento de sistemas integrados que permitiriam a co-produção de matéria-prima energética com outro produto agrícola, como meio de atingir economias significativas no custo e benefícios ambientais. Por exemplo, a produção de biodiesel pode fazer sentido somente se utilizadas sementes não comestíveis (por ambos, humanos e animais) como matéria-prima ou se puder ser feita com o cultivo de alimento animal.

Outros exemplos potencialmente promissores de sistemas integrados envolvem processos de gaseificação que poderiam permitir a co-produção de múltiplos produtos, inclusive de eletricidade, combustíveis líquidos de transporte e produtos químicos. Tecnologias de gaseificação podem ser usadas com diversas matérias-primas, incluindo carvão mineral e uma ampla gama de materiais orgânicos. Em geral, o processo envolve a produção de gás sintético (composto primeiramente de monóxido de carbono e hidrogênio) de qualquer carbono – e hidrogênio; o gás sintético pode então ser usado para dirigir turbinas de alta eficiência e como matéria-prima para manufatura de uma variedade de produtos químicos sintéticos ou combustíveis.

A tecnologia de gaseificação em pequena escala pode eventualmente emergir como uma opção promissora para melhorar o acesso à energia em áreas isoladas. Por enquanto, o mais importante uso de recursos de biomassa disponíveis localmente pode estar no seu uso conjunto com modernas tecnologias de combustão como substituto ao óleo diesel, o qual é, agora, comumente usado em motores a diesel antigos e ineficazes.

A indústria da biotecnologia atualmente está começando a investigar processos de produção mais avançados do que as opções atuais, como hidrólise do etanol e fermentação, enzimas de biodiesel, maior fixação de carbono nas raízes, e recuperação melhorada de óleo.8 Avanços na engenharia genética já permitem o desenvolvimento de estirpes de resistência a doenças para as safras que são viáveis no ambiente (como solos degradados) que eram antes considerados inadequados para cultivos, assim como para safras que exigem menos insumos químicos e água. Novas tecnologias de alto nível em desenvolvimento incluem técnicas de bioprocessamento de lignocelulose que permitiriam a co-produção de combustíveis e produtos químicos nas biorefinarias, incluindo modificações genéticas para a obtenção de matérias-primas de biomassa além de facilitar a aplicação de tecnologias de processo que poderiam alcançar 70-90 por cento de eficiência na conversão energética.

 

FRONTEIRAS NA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS

Atualmente, a indústria de biocombustíveis é baseada essencialmente na produção de etanol através da fermentação de açúcares ou amidos e na produção de biodiesel derivado de óleos vegetais. O uso de materiais de biomassa de lignocelulose (de madeira ou fibroso) – em contraste aos açúcares e amidos – tem, entretanto, maior potencial para maximização da eficiência de conversão de luz solar, água e nutrientes em biocombustíveis.

Plantas perenes, como as gramíneas ou árvores de rápido crescimento são particularmente atrativas para a produção em larga-escala de biocombustíveis

sustentáveis, por diversas razões: não requerem lavra por aproximadamente 10-15 anos após o primeiro plantio; raízes de longa vida podem ser desenvolvidas para estabelecer interações simbióticas com bactérias para fixar nitrogênio e nutrientes minerais, resultando em uma menor perda de nitratos e erosão do solo. Algumas espécies perenes retiram uma fração substancial de nutrientes minerais de porções de plantas da superfície. Gramíneas selvagens como miscanthus têm produzido até 65 toneladas secas por hectare (suficiente para produzir 24.600 litros de etanol por hectare) em solos não irrigados e não fertilizados, nos Estados Unidos. Isso é aproximadamente cinco vezes maior do que a produtividade comum do açúcar de beterraba ou matéria-prima de amido, como o milho. Em geral, o rendimento de biodiesel da maioria das matérias-primas – exceto óleo de dendê – é menor. Os atuais métodos de produção de etanol de matéria-prima celulósica procedem em três etapas: pré-tratamento termoquímico da biomassa não-preparada para fazer polímeros de celulose e hemicelulose complexos mais acessíveis ao ataque enzimático; aplicação de coquetéis enzimáticos especiais que hidrolisam a parede celular polissacarídea em uma mistura de açúcares simples; e fermentação, mediante bactéria ou levedura, para converter esses açúcares em etanol.

A fração rica em lignina, que é separada da celulose e da hemicelulose pode ser queimada para fornecer energia às biorefinarias ou convertida em gás de síntese e após em combustíveis pelo processo de Fischer-Tropsch. Os métodos atuais dependem de etapas complexas e intensivas no uso de energia, onde o pré-tratamento é incompatível com a decomposição enzimática. Como resultado, fases de neutralização adicional são necessárias, adicionando ao custo total e reduzindo a eficácia do processo. Nas futuras biorefinarias, os processos de despolimerização e de fermentação podem ser consolidados em uma só etapa usando uma mistura de organismos na conversão da biomassa em etanol. Melhorias significantes na redução do uso de energia, custos de enzimas e no número de etapas do processo são também possíveis.

A aplicação de avanços de áreas de desenvolvimento rápido de ciência e tecnologia, como a biologia sintética e o alto rendimento de funcionalidades genômicas, permite prever rápidas melhoras na matéria-prima e na conversão da mesma em biocombustíveis. Possíveis áreas de pesquisa que incrementariam a produção de biomassa e sua conversão em combustível são listadas no Quadro 1. Materiais celulósicos como arroz e palha de trigo, sabugo de milho e outras safras e resíduos florestais podem servir de fontes de matéria-prima celulósica.

O desenvolvimento de micróbios fotossintéticos que produzem lipídios ou hidrocarbonetos também possui ótimo potencial para produção de biocombustíveis. Apesar de ser pouco provável que a produção agrícola de biomassa utilizável exceda a eficiência de conversão solar de 1-2%, algas podem converter energia solar a eficiências que excedem 10%.

A combinação de processos microbiais anaeróbios e aeróbios pode ser separadamente otimizada, para que o precursor de um combustível possa ser produzido em um ambiente anaeróbico e o produto final em um ambiente aeróbico. O cultivo de algas teria a vantagem de alta eficiência mas a produção desses microorganismos poderá requerer uma infra-estrutura de alto custo de capital.

 

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