A PRODUÇÃO DE ETANOL EM MICRO E MINI-DESTILARIAS.

Enrique Ortega, Marcos Watanabe, Otavio Cavalett. Laboratório de Engenharia Ecológica

FEA, Unicamp, Caixa Postal 6121 Campinas, SP, Brasil CEP 13083-862

Resumo

A avaliação sistêmica “emergética” que inclui os valores dos insumos ambientais, a diminuição no oferecimento de serviços ambientais e o aumento das externalidades negativas dos projetos para produção de álcool combustível revela uma realidade muito diferente da imagem da indústria da cana difundida pela mídia. Por meio da analise sistêmica é possível descobrir que a economia de escala desaparece e, ao mesmo tempo, perceber que sistemas agrícolas ecológicos integrados com pequenas destilarias de álcool podem ter um ótimo desempenho econômico e sócio-ambiental. Para chegar a essa conclusão é necessário incluir parâmetros ambientais e sociais. Além disso, hoje, a escolha da modalidade de produção exige uma análise da conjuntura global, pois o modelo de desenvolvimento depende tanto das potencialidades locais quanto dos arranjos políticos regionais e internacionais e do equacionamento da problemática climática e social global. 1. INTRODUÇÃO:

A produção de etanol combustível pode realizar-se de vários modos. Lamentavelmente a escolha tecnológica ocorre em função dos interesses econômicos e políticos unicamente, ficando de fora os objetivos sociais e ambientais. Na época de implantação do Pró-Álcool a opção por usinas grandes (120 000 litros/dia ou seus múltiplos), não era mais do que uma entre diversas possibilidades existentes [Bueno, 1980]. A opção adotada implicou no desgaste de recursos humanos (“bóias-frias”), naturais (solo, flora, fauna) e financeiros (possibilidade da aplicação do dinheiro em outros investimentos). A opção pela grande escala de produção resultou em uma monocultura danosa, pouca possibilidade de interação com a pecuária e a destruição da diversidade ecológica e das pequenas economias nos locais onde as grandes usinas se instalaram [Paschoal, 1983; San Martin, 1985]. Hoje sabemos que também afetou a qualidade da atmosfera global. Nesta década se repete a situação vivida na década de 70, porém com a possibilidade de afetar áreas rurais ainda maiores, pois a relação benefício/custo desconsidera as externalidades negativas e as perdas de serviços ambientais. Não se levam em conta os estudos que indicam o possível agravamento dos problemas sócio-ambientais e não são ouvidas as reflexões críticas dos movimentos sociais ao modelo de produção e consumo vigente nem as implicações do uso de grandes volumes de fertilizantes químicos, pesticidas e herbicidas (derivados do petróleo) nas mudanças climáticas. Ao optar pelos modelos de monocultura extensiva, os planejadores e os tomadores de decisão desconsideram a perda dos serviços ecossistêmicos na lavoura homogênea e também os custos do impacto ambiental dos agro-químicos aplicados na lavoura, custos que são repassados indevidamente às comunidades e aos governos locais (“socialização dos custos”). E não se trata de valores pequenos; o valor dos serviços ambientais perdidos e das externalidades negativas produzidas são da ordem de 300 a 500 dólares/ha. Trata-se de um subsídio aos grandes produtores que explica a economia de escala.

Hipótese: Se fossem contabilizados os valores das perdas dos serviços ambientais e as externalidades negativas das indústrias de álcool, seria possível descobrir que a economia de escala desaparece e, ao mesmo tempo, perceber que podem existir sistemas agro-ecológicos integrados à micro-destilarias de álcool, economicamente viáveis em instalações de porte pequeno (100, 1000 litros/dia) e médio (5000, 20000 l/d), denominadas “micro-usinas” e “mini-usinas”, respectivamente.

2. JUSTIFICATIVA:

A Humanidade evolui a partir do uso de fontes de energia que consegue usar, cabe então esperar que ela mesma, devido ao declínio dos recursos energéticos e da perda da biodiversidade, dos problemas da poluição e da crise social, consiga mudar de rumo e se adaptar a um novo leque de fontes de energia, no qual caberá a biomassa um papel fundamental [Odum e Odum, 1976; 2001]. Da biomassa podem-se obter vários tipos de combustíveis (sólidos, líquidos e gasosos) de caráter renovável, entre os quais o álcool etílico é um dos mais nobres, pois não é tóxico, é de fácil transporte e pode substituir, em parte, o consumo de gasolina. O Brasil foi sempre deficitário em petróleo e hoje apresenta um saldo positivo, porém temporariamente. O país ainda é suscetível às variações de oferta e preço do petróleo no mercado internacional e a situação pode-se complicar, pois as previsões apontam o esgotamento das reservas de petróleo em menos de três décadas e um aumento de preço do barril de petróleo aos níveis que atingiu durante as crises de 1972 e 1983 ou maiores. Nessa conjuntura, o uso dos combustíveis da biomassa constitui uma alternativa que pode colaborar na solução do “efeito estufa” se bem planejada [Cerqueira Leite, 1988, 2006; Vasconcelos e Vidal, 2002]. É necessária a elaboração de planos de auto-suficiência energética para o país, considerando neles tanto o curto, o médio e longo prazo. Porém, para serem realmente viáveis no longo prazo, deveriam considerar os aspectos sociais e ecológicos [Wiesner, 1984; Minc, 1987; Ortega, 1987; Bacic et al, 1988]. Vários pesquisadores (ESALQ; Embrapa; USP/São Carlos, ITAL) se interessaram no estudo da produção de álcool em escalas menores, havendo a instalação e operação de pequenas destilarias autônomas em diversos lugares do país [Folha de São Paulo, 1985]. Podem ser destacadas as de Jundiaí [Solnik, 1984] e São Carlos [Corsini, 1981]. Nelas a produção de álcool não é a única atividade, ela está articulada à produção de forragens para gado bovino, biogás, biofertilizante, aproveitamento do vinhoto, uso do bagaço excedente como combustível e outras atividades que poderiam aumentar a lucratividade do empreendimento. Foi sugerido designar este modelo como “Sistema Integrado de Produção de Alimentos e Energia” ou SIPEA [La Rovere e Tolmasquim, 1984]. Como nos anos seguintes o preço do petróleo caiu muito, esses empreendimentos foram desativados, pois não podiam competir com um combustível de alta qualidade disponibilizado a um preço que era mantido baixo para subsidiar o sistema industrial global. Mas o petróleo é finito e causa um grande impacto na natureza, na sociedade e na atmosfera, portanto as pesquisas e os empreendimentos em mini-usinas integradas voltaram a ser realizados.

3. TECNOLOGIA:

Quando se planeja uma destilaria de álcool, se determina o futuro da região, poderíamos pensar em uma relação escala de produção vinculada ao sistema social (ver tabelas 1 e 2). As escalas de 4000 até 40 000 hectares permitem produzir álcool concentrado (99%) e eletricidade de forma eficiente com vapor a alta pressão. As escalas de 4 até 400 hectares apresentam atualmente limitações na produção de etanol absoluto permitindo apenas produzir álcool hidratado de 94% sem co-geração de eletricidade. Assim, ter-se-ia somente a auto-suficiência de combustível líquido. Tabela 1. Escalas e modelos sócio-políticos.

Modalidade de organização social

Área da lavoura (ha) e toneladas de cana por

dia (TCD)

Litros/dia de etanol e MegaWatt/ano de

eletricidade

Modelo altamente concentrador 40 000 ha 5000 TC

5 000 000 l/dia ~730 000 MW/ano

Modelo com ajustes sócio-ambientais

4 000 ha 500 TC

500 000 l/dia 73 000 MW/ano

Assentamentos rurais grandes 400 ha 50 TC

50 000 l/dia -

Assentamentos rurais médios 40 ha. 5 TC

5 000 l/dia -

Assentamentos rurais pequenos 4 ha. 0,5 TC

5 00 l/dia -

Tabela 2. Escalas e modelos tecnológicos.

Modalidade de organização Lavoura Outras características

Modelo altamente concentrador Monocultura extensiva e agro-química.

Terreno plano, mecanização.

Modelo com ajustes sócio-ambientais

Monocultura orgânica e produção pecuária

Terreno plano, mecanização.

Assentamentos rurais pequenos, médios e grandes (Organizações Comunitárias)

Policultura ecológica Possibilidade de ter terreno ondulado, sem mecanização.

Se os benefícios e as despesas sócio-ambientais fossem incluídos no cálculo da rentabilidade dos empreendimentos rurais, a rentabilidade mudaria em favor dos sistemas com melhores características ecológicas e sociais. Até agora, esta inclusão não tem sido efetuada por falta de conhecimento para determinar os valores dos serviços ambientais e das externalidades negativas. A divulgação destes valores pode permitir que a sociedade se auto-organize para apoiar os sistemas verdadeiramente mais econômicos.

Tabela 3. Estimativa sobre o valor dos benefícios e custos sócio-ambientais.

Efeito medido

Modelo ecológico US$/ha/a

Modelo agro-químico US$/ha/a

Geração e manutenção de emprego rural, um emprego cada 10 ha (salário mínimo) versus um posto de trabalho cada 300 ha (dois salários). [14]

180,00 12,00

Problemas sociais na periferia das cidades: infra-estrutura e serviços públicos para migrantes, desemprego, narcotráfico, criminalidade, etc.

0 -30,00

Geração e manutenção de solo. [17] 0 -13,60 Assoreamento. [20] 0 -83,00 Manutenção da cobertura vegetal e da biodiversidade. [17]

0 -4,00

Geração de mudanças climáticas: dióxido de carbono, óxido nitroso e metano. [03][17]

-10 -60,00

Infiltração de água pela floresta preservada e filtração da água pela drenagem dos brejos Preservação da qualidade da água dos rios. [01]

180,00 22,50

Problemas de poluição hídrica. [17] 0 -39,70 Preservação da qualidade de vida no meio rural e da paisagem (valor estético). [20]

3,7 0

Destruição do ecossistema (floresta, cerrado): custos de reposição da cobertura vegetal e da biodiversidade. [14]

0 -98,38

Problemas de saúde provocados pelos agrotóxicos. [17]

0 -0,20

Totais 353,70 -303,38 Diferença a favor 657,00

Tabela 3b. Estimativa das forças sociais, política e militares.

Preservação da soberania nacional ? 0 Destruição das estruturas sociais e dos recursos biológicos, em escala local e nacional. [15]

0 -300,00

Diferença a favor 957,00 Tabela 4. Estimativa de serviços sócio-ambientais e externalidades por modelo político.

Modalidade de organização social Serviços ambientais

dólares/ha/a

Externalidades negativas

dólares/ha/a

Saldo

US$/ha

Modelo concentrador 25 -360 -335

Modelo com ajuste sócio-ambiental 50 -180 -130

Assentamentos rurais pequenos 100 -50 +50

Assentamentos rurais grandes 200 -10 +190

O planejamento de instalações pequenas integradas em rede de cooperativas poderia gerar um programa de auto-suficiência energética rentável ao produtor e ao país, com capacitação da mão-de-obra rural, auto-suficiência de alimentos e energia, melhor aproveitamento dos recursos disponíveis, uso intensivo de técnicas (agrícolas, pecuárias e florestais) mais racionais, diminuição notável da poluição no meio rural, etc. Neste caso, a tecnologia seria aplicada com viabilidade técnica, função social, rentabilidade econômica e sustentação ecológica [Sachs, 1988]. No final da década dos 80, várias universidades, centros de pesquisa e empreendedores desenvolveram esforços para estudar, construir e operar micro-usinas. Devido à crise internacional do petróleo, em 1979, um grupo de pesquisa da Faculdade de Engenharia de Alimentos da Unicamp considerou a possibilidade de destilarias autônomas de pequeno porte que utilizariam cana-de-açúcar e sorgo sacarino e teriam uma capacidade de produção de 1000 a 40000 litros de álcool etílico de 94ºGL por dia. Hoje, graças à continuidade desse esforço por parte de diversos empreendedores, a micro-usina de álcool pode ser considerada viável técnica e economicamente; porém ainda é inviável social e politicamente pelo fato de ser desconhecida. Mostra-se a seguir, o diagrama de blocos de um sistema integrado de produção de energia e alimentos ideal.

Recursos hídricos e nutrientes: Uso da Terra: Industrialização: Produtos: Mercados:

Captação, bombeamento e reserva de água

Ferti-irrigação

Aplicação de compostosAdubos químicos eCorretores de solo

Reserva florestal

Gado semi-confinado

Criação de peixes

Beneficiadora florestal

Biodigestor

Cana de açúcar

Girassol, amendoim, colza, gergelim

Arroz, milho, feijãoCenoura e verdurasUva, morango, figo, frutas diversas

Tratamento de águaCaldeira e turbina

Silo subterrâneo

Fábrica de óleo

Unidade de limpeza, gradação, tratamento,secagem e armazenamento

Fábrica de alimentos

Indústria descentralizada

Unidade de tratamento de resíduos

Mini-usina de álcool

Madeira secaSerragemBiogásBiofertilizanteOvos, leite, carne

EletricidadeVaporBagaçoEtanol (94%)VinhotoEnsiladoÓleo vegetalTorta protéica

Matérias-primas agroindustriaisResíduos agrícolasAlimentos processados

Produtos industriais

CompostosUnidade de serviços: administração geral, obtenção de insumos, etc.

Uso residencial

Transporte

Indústrias

Serviços

Agricultura

Mercados regionais

Mercados nacionais

Mercado exterior

Consumo local

Consumo externo

Figura 1. Sistema integrado de produção de alimentos e energia (SIPAE) 4. ESTUDO DE CASO:

A Fazenda Jardim de Marcello Mello, em Mateus Leme, Minas Gerais, possui uma micro-usina desenvolvida pelo proprietário. A fazenda tem 300 ha, porém o sistema da micro-usina de álcool ocupa somente 20 ha, nesse espaço existe cana-de-açúcar (2 ha), uma reserva de vegetação nativa dentro do vale da micro-usina (10 ha), plantações diversas como bananal, eucaliptal, horta e pomar (1 ha) e áreas de pastagem para o gado (6 ha). Essa ocupação do espaço contribui para uma maior sustentabilidade, para a preservação da biodiversidade do meio ambiente e para a existência de nascentes. Na figura 2 e nas fotos colocadas a seguir, destacamos a mini-usina de álcool.

Corte manual e transporte em cangalha

Cana com folhas

vinhoto

Coluna de destilação para retificação

Dornas para fermentação em

batelada

Trocador de calor

Depósito

Triturador à facas

caldo diluido

Prensa com um terno de rolos

Bagaço com restos de açúcar

vinhotopalha

Cochos para alimentação de gado bovino

Resíduos agrícolas

Pilha de esterco fermentado

Adubo orgânico

Coluna de cachaça

Álcool de 94%

Carne bovina em pé

Lenha de eucalipto

Fornalha e vaporizador

Vapor alcoólico

Figura 2. Fluxograma de uma mini-usina de álcool, com difusor, fazendo parte de um Sistema Integrado de Produção de Alimentos e Energia (SIPEA).

Vista da fazenda em Mateus Leme, MG.

Oficina mecânica e da mini-destilaria.

Vista lateral

Vista da moenda

Dorna de mistura de caldo

Tanques para fermentação em batelada

Fornalha de lenha e caldeira

Coluna de destilação

5. ANÀLISE EMERGÉTICA DA FAZENDA JARDIM:

Utiliza-se a metodologia emergética conforme proposta por H.T. Odum (1996).

Figura 3. Diagrama sistêmico da micro-usina integrada da Fazenda Jardim. Mostram-se a seguir os diagramas dos subsistemas que compõem o sistema da micro-usina em um vale de 20 hectares, contendo os dados necessários dos fluxos de materiais e energia para fazer os cálculos dos fluxos de emergia.

Figura 4 . Diagrama do subsistema de mata nativa.

Micro-usina de álcool, agroindústria local e regional.

Vegetação nativa

Eucalipto

Cana-de-açúcar

Pastos, grãos, arbustos

Gado

Parcela individual

Pessoas

Álcool 94%

Esterco

Produtos e serviços do bosque nativo

Água, solo, biodiversidade,

micro-clima

Produtos da horta e do pomar

Consumo interno

Vinhoto

Gado gordo em pé

Sol, vento, chuva

Minerais do solo

Nitrogênio atmosférico

Cinzas

Bezerros magros

Postes

Formicida

Materiais, energia

Serviços

Mão-de-obra

Figura 5 . Diagrama do subsistema da horta e pomar.

Biomassa vegetal

PastosSol, vento, chuva

N atmosfera

Minerais do solo

CO2, Nox, SOx

Biomassa vegetal 6,3 ton/ha/ano (massa seca)

albedo

1200 mm

80 kg

6 kg(200 kg/ha/ano)

1 ha

?

Esterco do gado

Figura 6 . Diagrama do subsistema de pastos e arbustos.

Figura 7 . Diagrama do subsistema de engorda de bezerros.

Estoques de biomassa em crescimento

Eucalipto e outras árvores

Sol, vento, chuva

N atmosfera

Minerais do solo

CO2, Nox, SOx

Madeira (10 ton/ha/ano)

Lenha (10 ton/ha/ano)

1 haalbedo

1200 mm

40 kg

8 kg

Formicidas

1 kg/ha/ano

?

Figura 8 . Diagrama do subsistema de eucalipto.

Figura 9 . Diagrama do subsistema de cana-de-açúcar.

Figura 10. Diagrama do subsistema de micro-usina.

Como se observa nas figuras dos subsistemas existe grande captura de recursos da natureza que são gratuitos e renováveis, essa situação vai gerar bons índices de desempenho.

Figura 11. Diagrama-resumo do sistema.

Tabela 5. Fluxos de emergia.

Item Fração renov. Fluxo Unidade seJ/unidade Ref

Emergia renovável (seJ)

Emergia não renovável (seJ)

Emergia total (seJ) %

Renováveis Sol 1 5,20E+09 J 1,00E+00 1 5,20E+09 0,00E+00 5,20E+09 0,0

Chuva 1 6,00E+10 J 3,06E+04 2 1,84E+15 0,00E+00 1,84E+15 18,6

Nitrogênio atm. 1 8,60E+01 kg 4,05E+13 4 3,48E+15 0,00E+00 3,48E+15 35,2

Minerais do solo 1 8,80E+00 kg 8,72E+11 4 7,67E+12 0,00E+00 7,67E+12 0,1

Não Renováveis

Perda de solo 0 9,04E+08 J 1,24E+05 2 0,00E+00 1,12E+14 1,12E+14 1,1

Materiais

Formicida 0 5,00E-02 kg 2,48E+13 2 0,00E+00 1,24E+12 1,24E+12 0,0

Eletricidade 0,5 3,20E+07 J 3,36E+05 2 5,38E+12 5,38E+12 1,08E+13 0,1

Uréia 0 4,38E+02 kg 3,12E+12 3 0,00E+00 1,37E+15 1,37E+15 13,8

Investimento 0,3 3,65E+02 US$ 3,70E+12 5. 4,05E+14 9,45E+14 1,35E+15 13,7

Serviços

Mão de obra 0,5 4,64E+02 US$ 3,70E+12 5 8,58E+14 8,58E+14 1,72E+15 17,4

Emergia total 6,59E+15 3,29E+15 9,88E+15 100 Produtos Álcool 2,59E+10 J

Carne 4,39E+09 J

Madeira venda 7,10E+09 J

Aspargo venda 4,60E+08 J

Energia total 3,79E+10 J

1 - Definição; 2 - Ulgiati e Brown, 2004; 3 – Odum, 1996; 4 - Brandt-Williams, 2002; 5 - Coelho et al., 2003.

Tabela 6. Somatório dos fluxos de emergia

Fluxo Valor (seJ ha-1 ano-1) Renováveis (R) 6,59E+15 Não renováveis (N) 1,12E+14 Recursos da natureza (I) 6,71E+15 Materiais (M) 2,32E+15 Serviços (S) 8,58E+14 Recursos da economia (F) 3,18E+15 Emergia total (Y) 9,88E+15

Tabela 7. Indicadores de emergia calculados.

Índice Cálculo Valor Unidade Transformidade Tr =Y/Ep 261025 seJ/J Taxa de Rendimento de Emergia EYR = Y/F 3,11 adimensional Taxa de Investimento de Emergia EIR = F/I 0,47 adimensional Taxa de Carga Ambiental ELR = (N+F)/R 0,50 adimensional Renovabilidade %R = 100(R/Y) 66,7 %

CONSIDERAÇÕES FINAIS

O sistema estudado mostra valores satisfatórios dos índices emergéticos. Especialmente o índice de renovabilidade que indica que o sistema é 67% sustentável. O valor da emergia capturada da natureza e disponibilizada para a cadeia produtiva é alto (EYR=3,1). A pressão exercida sobre o meio ambiente é baixa (EIR=0,47; ELR=0,5). Os cálculos do sistema estudado podem ser melhorados incluindo dados e indicadores econômicos e sociais. E ainda, é possível considerar a opção de SIPEA de produção de leite e cachaça com unidades regionais de destilação para obter álcool concentrado. Por outro lado, seria muito conveniente realizar uma analise emergética para o modelo que está sendo proposta na ampliação do Pró-Álcool (Cerqueira Leite, 2006) e comparar os indicadores das duas propostas, tanto em termos de unidades isoladas de produção quanto de redes de produção nacional para discutir políticas públicas locais e globais. AGRADECIMENTOS ESPECIAIS A Marcello Mello pela entrevista concedida. A Mileine Zanghetin pela elaboração de figuras e pelas opiniões sobre o arranjo do texto. A Cezira Miluzzi e Edson Espósito pela revisão gramatical. A Alexandre Souza e Marcus Grande pela ajuda na preparação de um vídeo com a entrevista com Marcello Mello na qual descreve a Fazenda Jardim. 6. BIBLIOGRAFIA:

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