Mudanças Climáticas e Avaliação do Ciclo de Vida Embrapa Cerrados, 23 agosto 2012

Avaliação do Ciclo de vida da produção de cana de açúcar no Brasil: a evolução de conceitos sobre emissões de GEE

I C Macedo - NIPE / UNICAMP

Cana de açúcar e GEE

• Emissões na produção de cana (Brasil), no ciclo de vida, são relacionadas com o processo industrial e uso final (reciclo de resíduos).

• O potencial para o comércio internacional de etanol tem motivado a definição de metodologias para avaliar as emissões de GEE e critérios mínimos de mitigação a atingir. Exemplos:

EU - RED Dez 2008; inclui ACV + LUC (direct) 35% hoje; 50% em 2017; 60%, novos, 2017 CA-CARB LCFS inclui ILUC (GEM) com “GREET” US – EPA inclui ILUC (PEM); LCA com “GREET”; etanol: 20% (milho); 50% (cana); 60% (celulósico) MITE (Japão) inclui ACV (~ RTFO, UE); LUC (direto): 50%

Metodologias

• A “harmonização” de metodologias está sendo buscada (fronteiras do sistema, medida da mitigação, alocação de co-produtos, impactos da mudança no uso da terra, fatores para emissão de N2O, linhas de base para emissões da produção de eletricidade, etc). Houve avanços.

Renewable Transport Fuel Obligation, UK (bio-fuels) NREL/DoE and NIPE/UNICAMP: introdução do etanol de

cana no modelo GREET 1.8.c.0) GHG Working Group (RSB), EPFL - Switzerland Global Bioenergy Partnership (GBEP, FAO, G8+5)

→Transparência; simplificações adequadas; bases de dados confiáveis.

Cana de açúcar: diversificação e ACV

• Cana de açúcar → (Açúcar + etanol) (60%) + eletricidade (30%) + leveduras + (óleos) + (sucroquímicos) + (álcool químicos) +... + outros cultivos em rotação

• ACV difere por produto; alocação usada para emissões na produção de cana: balanço de massa do açúcar recuperável total (ATR) associado a cada produto.

• Complexidades: créditos por subprodutos, exemplo: eletricidade; até onde considerar?

Exemplo: ACV GEE etanol, 2008, sem iLUC

• Fluxos de C associados com absorção de C (crescimento da cana) e liberação de CO2 (queima de palha campo, e bagaço, caldeiras; residuos, fermentação do açucar, uso final do etanol).

• Fluxos de C devidos ao uso de combustiveis fosseis na agricultura, indústria e distribuição do etanol; em todos os insumos para processos; na produção de equipamentos e prédios, e na manutenção.

• Fluxos de GEE não relacionados com combustíveis fósseis; principalmente N2O e Metano: queima da palha, emissões de N2O de fertilizantes e residuos (incluindo vinhaça, torta de filtro e palha).

• Emissões de GEE (diretas) na mudança de uso da terra (discussão)

• Mitigação nas emissões de GEE: etanol e eletricidade excedente substituindo gasolina e eletricidade marginal na rede.

• Macedo, I.C., Seabra, J.E.A., Silva, J.E.A.R., 2008. Green house gases emissions in the production and use of ethanol from sugarcane in Brazil: The 2005/2006 averages and a prediction for 2020. Biomass and Bioenergy, Vol. 32, Issue 7, July 2008, pp. 582-595.

ACV GEE etanol, 2008, sem iLUC

Bagasse burned (total) 2550.

CO2 fermentation 760.

Fermentation losses 270.

Car engines 1520.

Photosynthesis 7650. ethanol prod/utilization

Surplus bagasse avoids 150.

Surplus electricity avoids 75.

Summary: Emissions, kgCO2 eq / m3 ethanolNet emission, ethanol prod & utilization 485.

Net emission, including by-products 260.

Avoided, 1 m3 anhydrous / 0.8 m3 gasoline 2280.

Net avoided emission (2280 - 260) 2020.

Cane burning (CO2) 2550. Mitigation: 88%

CANEPRODUCTION

CO2eq

2961.

CO2eq

3604.

1 t cane

8 kg filter cakeSugar cane production

CANEPROCESSING

950 L stillage

Inputs 63. Equipment 6.Transp. & agric. oper. 117.Cane Burning (other GHG) 83.Soil emissions 142.

Inputs 21.0

Buildings 3.0

SystemMass flowGHG (kg CO2eq/m3 ethanol

Sugar cane production

ETHANOLDISTRIBUTION

CO2eq

50.

Transportation 50.

86,3 L ethanolETHANOL

UTILIZATION

CO2eq

1520.

Total emissions in ethanol life cycle (kg CO2eq/m3 anhydrous)

a

2006 2020 Electricity Scenario

2020 Ethanol Scenario

Cane production (total) 416.8 326.3 232.4

Farming 107.0 117.2 90.6 Fertilizers 47.3 42.7 23.4 Cane transportation 32.4 37.0 26.4 Trash burning 83.7 0.0 0.0 Soil emissions (without LUC) 146.3 129.4 92.0

Ethanol production (total) 24.9 23.7 21.6 Chemicals 21.2 20.2 18.5 Industrial facilities 3.7 3.5 3.2

Ethanol distribution 51.4 43.3 43.3 Credits

Electricity surplusb -74.2 -802.7 -190.0 Bagasse surplusc -150.0 0.0 0.0

Total 268.8 -409.3 107.3 a. Emissions for m3 hydrous ethanol are about 5% less than values verified for anhydrous

ethanol. b. Considering the substitution of biomass-electricity for natural gas-electricity, generated

with 40% (2006) and 50% (2020) efficiencies (LHV). c. Considering the substitution of biomass fuelled boilers (efficiency = 79%; LHV) for oil

fuelled boilers (efficiency = 92%; LHV).

Maize, Sugar cane, Cellulosic Ethanol; NREL/NIPE evaluation, 2009; excluding LUC emissions; co-products displacement

Algumas diferenças entre metodologias: ACV “convencional”

• EU, CARB, EPA: não consideram a energia usada na produção de equipamentos e prédios

• EPA usa o valor do combustivel fóssil usado pela agricultura no país, alocado por área, para a cana.

• CARB considera (toda) a energia elétrica vendida como substituição de Gás Natural (representando a margem) em centrais de potencia. EPA (hoje) também considera assim.

• UE: só considera a energia estritamente co-gerada, na produção de etanol; a alocação de parte da energia gerada com condensação poderia ser (??) considerada.

• Energia usada na produção de fertilizantes e na calagem (processos) • Eficiencia de caminhões no transporte de cana • Valores para a palha% cana e porcentagem de cana queimada (erros) • CARB e EU: diesel para transporte de etanol exportado (erros) • Análise (EU, CARB, EPA): sempre WTTank, não WTW.

Exemplo: etanol de cana, EU-RED, UK-RTFO, CA-CARB e US-EPA

Source: Accounting greenhouse gas emissions in the lifecycle of Brazilian sugarcane bioethanol: Methodological references in European and American regulations ; D Khativada, J E A Seabra, S Silveira, A Walter; 2012 , em publicação.

Comparison of GHG emissions for sugarcane ethanol in different regulations

Constituents Lifecycle GHG emissions (gCO2eq/MJ)

CA-CARBa US-EPA

b EU-RED

c UK-RTFO

c

Agriculture 18.60 36.25 14.11 14.46

Land Use Change (LUC and

iLUC) 46.00 5.07 0 0

Fuel Productiond -5.10 -10.45 1.29 1.05

Fuel and Feedstock

Transport 6.10 4.40 8.57 8.47

Tailpipe 0.80 0.83 0 0

Total Emissions 66.40 36.10 23.97 23.98

Sources: CARB, 2009a and 2009b; EPA, 2010b; IEE, 2010b; DfT, 2011b

Nota: bases de dados, ACV “convencional”

Mesmo para um conjunto “homogêneo” de produtores, diferenças em processos (agricultura e industria ) mostraram grande impacto nos fluxos de GEE.

• 2005/2006: amostra de 44 usinas (100 M t cana / ano), todas no Centro Sul; dados do Controle Mútuo do CTC, ultimos 15 anos, agricultura e industria. Dados de amostras maiores, para parametros selecionados (hoje, até 140 usinas)

• Divergencias nas áreas de conversão industrial e transportes poderão ser resolvidas; o crédito para eletricidade ainda será dificil (UE), mas o problema é conceitual (não falta informação); o método usado por nós (displacement) é o recomendado pela ISO 2006 para LCA.

• Dados agrícolas precisam melhorar (fatores de emissão locais, estoques de C no solo, uso de médias móveis).

Precisamos consolidar nossos dados sobre LUC e modelagem iLUC.

Emissões, LUC (direto): EU e EPA

• UE: diferença entre valores de equilibrio dos SOC (de cana para a biomassa substituida) dividida por 20 anos.

• EPA: 80% no primeiro ano, restante em 100 anos; valor presente, 2% desconto (ou 30 anos, 0%).

• “Média” de biomassa aérea da cana: não considerada.

SOC, áreas de expansão da cana, Brasil

1. As áreas de expansão, no Centro Sul, devem manter a tendencia: áreas de pastagens ou culturas anuais; por razões legais, o ZAE, e economicas

2. Solos nas áreas de cana: essencialmente LAC; textura muito variável

3. Colheita mecânica (cana sem queima) nas áreas de expansão Para estimativas:

Cana é perene ou anual? Usar valores default ou dados reais (existem?) (relatório Winrock 2009)

Tópicos a desenvolver

Alguns pontos para os quais há necessidade de pesquisa, dados de produção e/ou desenvolvimento metodológico no Brasil são vistos em seguida.

Estimativas: SOC, áreas de cana

• IPCC 2006 (30 cm) Solos LAC, clima tropical úmido: SOCREF = 47 t C/ha Cana Crua, alto residuo: Anual: 29 t C/ ha Perene: 52 t C / ha

• Winrock 2009 (revisado); (EPA); perene; média 41 t C / ha SOCREF: 28 a 41 t C/ha S Paulo, MS 41 a 66 t C/ha MG, GO, MT, Paraná

• 2008, dados coletados (várias fontes) (Amaral 2008) 44 t C/ha (crua) e 35 t C ha (queimada), em São Paulo.

CWCerr DF

CWCerr GO

CWCerr MT-CW

CWCerr MT-S

SE MG

SE SP

N-NE Cerr TO

Sugar Cane , SOCEQ 50 43 58 41 46 38 49

SOC, áreas de cana – Dados CTC (1990-2009)

• Banco de dados do CTC (1990 – 2009), áreas de cana no C-S:

Medidas: Carbono no Solo, Textura: 27.5 mil locais; 5 estados (C – S) Profundidades: 0-25 cm; 25-50 cm Area total: 1.1 milhão ha

Densidade e textura: 290 pontos, SP – Parana – MG Profundidades: 0-25 cm; 25-50 cm

Resultados: por Estado e por Região em S Paulo: estoque de Carbono no solo, 0-25;25-50 cm; calculado para 0-30 cm.

SOC, canaviais, dados CTC 1990 - 2009

Carbono (g/g solo) X Textura; 0-25 cm; 1.1 milhão ha 0 – 30 cm média: 47.6 t C / ha Textura: 0.33 Densidade: 1.46 0 – 50 cm: 71.8 t C / ha

y = 0,0181x + 0,5511

R2 = 0,4338

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Argila (%)

Carb

on

o (

%)

SOC, Pastagens e culturas anuais (2009)

Winrock 2009:

Culturas anuais: SOC médio nas áreas de expansão: 20 t C/ha

Campos, nativos: 41 t C / ha

IPCC 2006:

Pastagens degradadas: 33 t C / ha Não degradadas, equilibrio 47 Melhoradas: 55

Os experimentos disponiveis parecem confirmar os valores para culturas anuais, campos nativos e pastagens não degradadas; mas não mostram tanta diferença (quanto o IPCC 2006) entre pastagens degradadas e não degradadas.

SOC e biomassa: pastagens, cana e culturas anuais (hoje)

• Estudos em curso (Embrapa, ESALQ, outros) nos últimos anos começam a trazer resultados importantes, indicando as grandes possibilidades de aumentar os estoques de C no solo nas áreas com “degradação”; e as diferenças entre os estoques com cana queimada e crua.

• Ganhos adicionais significantes podem vir da recomposição da áreas de mata ciliar, nos canaviais (8 – 10% da área de cana).

• Dados para corrigir erros (EPA) na consideração sobre a biomassa das raízes são necessários (root / shoot ratio = 0.8?)

• Estoques de biomassa aérea com a cana (conceito do IPCC, usado erradamente na UE) foram quantificados e sua utilização nos cálculos de emissões deve ser implementada. (8.8 t C / ha)

iLUC: considerações

• Como reconhecido pela UE, metodologias (e mesmo conceitos) para avaliar iLUC estão ainda em desenvolvimento. Faltam estudos regionais detalhados; os resultados dependem fortemente da melhoria no gerenciamento da agricultura e pecuária (em particular no Brasil); modelos de equilíbrio geral usados precisam ser muito modificados, e a extrapolação de tendências é inadequada.

• Ações proativas podem reduzir muito emissões por iLUC (no Brasil, por exemplo, o ZAE da cana de açúcar, a moratória da soja, o Programa ABC).

• Os modelos usados para avaliar emissões de GHG por iLUC eram (há apenas quatro anos) extremamente precários, em si, e usaram dados inadequados. O exemplo abaixo mostra o que ocorreu com o caso mais estudado (etanol de milho) entre 2008 e 2011.

• iLUC é um conceito reativo; de fato, precisamos de ações pro-ativas (para eliminar o efeito). Temos usado mais tempo re-definindo fatores de iLUC do que concentrando na sua mitigação (A Faaij, 2011).

ILUC , resultados (modelos PE e GE) para etanol de milho (EUA)

[Wicke et al., Biofuels, 2012]

-100 -50 0 50 100

Searchinger et al. [3]

CARB [13]

EPA [18]

Hertel et al. [14]

Tyner et al. [15] – Group 1

Tyner et al. [15] – Group 2

Tyner et al. [15] – Group 3

Al-Riffai et al. [16]

Laborde [17]

Lywood et al. [25]

Tipper et al. [2] – marginal

Tipper et al. [2] – average

LUC-related GHG emissions (g CO2e/MJ)

Corn

B: Ethanol

iLUC: ações no Brasil

• Metodologias: Introdução (Nassar, A. Gurgel) nos modelos GEM (CARB) e PEM (Purdue – EPA) dos parametros brasileiros (uso do solo) Modelos de alocação direta (Nassar) com intensificação de pastagens

• Dados / desenvolvimento O programa de intensificação de pastagens (dentro do Programa ABC) (Embrapa) Medições e análise de impactos da pecuária nas emissões de GEE (10 grupos, liderança da Embrapa): intensificação (GPV e lotação); fatores de emissão de solos (N2O, CH4); fatores de emissão entérica e dietas; SOC.