Produção de biocombustíveis A questão do balanço energético

Produção de biocombustíveis A questão do balanço energético

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Ano XIV - Nº 1 - Jan./Fev./Mar. 200542

Produção de biocombustíveis

A questão do balanço energético

Resumo

Atualmente existe um crescente interesse por fontes alternativas de energia, principalmente por aquelas que contribuam em mitigar as emissões de CO2, característica das fontes tradicionais de energia fóssil. Para isso, o uso de biocombustíveis, como lenha, carvão vegetal, bio-etanol, óleo de dendê e biodiesel produzido pela esterificação de óleos vegetais com metanol e etanol, são vistos hoje como alternativas viáveis. Contudo, pouca atenção vem sendo dada aos estudos do balanço energético, que estabelece a relação entre o total de energia contida no biocombustível e o total de energia fóssil investida em todo o processo da produção do biocombustivel, incluindo-se o processo agrícola e industrial. Somente culturas de alta produção de biomassa e com baixa adubação nitrogenada, como a cana-de-açúcar e dendê, têm apresentado balanços energéticos altamente positivos (media de 8,7). No caso do biodiesel de mamona, o balaço energético é baixo (<2), o que poderia ser melhorado mediante seleção de variedades para alto rendimento e substituição e ou redução da adubação nitrogenada com o uso de leguminosas-adubos verdes em rotação ou consórcio.

Introdução

A produção de biocombustíveis, seja de biomassa sólida, como lenha ou carvão vegetal, ou líquidos, como o bio-etanol produzidos de cana-de-açúcar, óleo de dendê ou biodiesel produzido pela esterificação de óleos vegetais com metanol ou etanol, pode ter várias justificativas econômicas, sociais e ambientais. As vantagens ambientais do uso de biocombustíveis líquidos para veículos vem de duas possíveis fontes:

• A possível mitigação das emissões de gases ou partículas pelos veículos que são diretamente prejudiciais a saúde humana ou ao meio ambiente, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de enxofre e nitrogênio.

• A mitigação das emissões dos gases do chamado "efeito estufa", principalmente o dióxido de carbono (CO2).

Recentemente no Brasil muita atenção vem sendo dada a produção de biodiesel. Os principais fatores para esse maior interesse estão relacionados com: a) aumentos contínuos do preço de petróleo e seus derivados;b) vantagens na mitigação de emissões de CO2; c) possibilidade de captar recursos internacionais

Segundo Urquiaga 1 Bruno José Rodrigues Alves 2

Roberto Michael Boodey 3 Pesquisador da Embrapa Agrobiologia. urquiaga@cnpab.embrapa.br Pesquisador da Embrapa Agrobiologia. bruno@cnpab.br Pesquisador da Embrapa Agrobiologia. bob@cnpab.embrapa.br

Ano XIV - Nº 1 - Jan./Fev./Mar. 200543 por meio do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL) ou Clean Development Mechanism (CDM) do Acordo de Quioto, ou do mercado internacional de créditos de carbono (HOLANDA, 2004). Entretanto, os vários artigos na imprensa e trabalhos científicos publicados sobre este assunto não fornecem informações sobre as quantidades de combustíveis fósseis utilizados na produção dos biocombustíveis. A relação entre o total de energia contida no biocombustível e o total de energia fóssil investida em todo o seu processo de produção, incluindo-se o processo agrícola e industrial, fornece o balanço energético do combustível. Neste sentido, nos EUA e Europa vários trabalhos mostram balanços energéticos negativos. Por exemplo, Pimentel (2001) calculou que são necessários 1,65 GJ (Giga Joules) de energia fóssil para produzir 1,0 GJ de energia na forma do etanol do milho, nos Estados Unidos, e GOVER et al. (1996) calcularam que no Reino Unido seriam necessários 1.01 GJ de energia fóssil para produzir 1,0 GJ de energia na forma de biodiesel de canola (Rape Methyl Ester - RME). Entretanto, dois relatórios recentes dos EUA (SHAPOURI et al., 2002) e da Comunidade Européia (ARMSTRONG et al., 2002), que consideram muitos estudos feitos nos dois continentes, concluíram, respectivamente, que é necessário 0,81 GJ de energia fóssil para a produção de 1.0 GJ de energia na forma de etanol derivado do milho, e 0,68 GJ energia fóssil para produzir 1,0 GJ na forma de RME.

Neste trabalho são apresentados dados disponíveis sobre balanços energéticos para a produção de etanol de cana-de-açúcar e óleo de dendê em condições brasileiras e malasianas, respectivamente, e também se faz um analise preliminar semelhante sobre o balanço energético referente a produção de biodiesel de mamona.

Cana-de-açúcar

O primeiro balanço energético calculado para cana-de-açúcar em condições brasileiras foi publicado por Silva et al. (1978) antes da produção de veículos que usavam etanol hidratado. Este estudo foi a base de um trabalho mais atualizado, publicado por Boddey (1993), mas os dados aqui apresentados derivaram principalmente do trabalho de Machado (1998). Atualmente a produtividade média de cana-deaçúcar no Estado de São Paulo é de 84 Mg (toneladas métricas) ha-1, e a produção de etanol de cana é próximo de 86 litros/Mg de cana fresca. Utilizando esses valores e um valor calorífico de etanol de 2,3 MJ L-1, a produção total de energia no etanol soma 161,1 GJ ha-1. A Tabela 1 mostra os ingressos de energia fóssil necessários e o resultante balanço energético da produção de etanol derivado da cultura.

Tabela 1. Balanço energético para a produção de etanol de cana-de-açúcar sob condições brasileiras.

Rendimento (colmos de cana) Produção de etanol

Ingressos de energia fÛssil 1. Máquinas agrícolas e transporte à usina 2. Fertilizantes/pesticidas 3. Mudas/toletes 4. Equipamentos e prédios 5. Insumos na usina(1) Total

Energia produzida no etanol

BalanÁo energÈtico = Energia no biocombustível/

Energia fóssil investida Reagentes químicos utilizados no processamento da cana, e lubrificantes etc.

ha-1 ano-1

84,0 Mg 7.224 L

5,62 7,23 0,48 6,03 0,62 19,98 GJ

161,10 GJ 8,06

Os primeiros trabalhos sobre balanço energético da produção de etanol da cana-deaçúcar foram publicados no exterior nos anos 70, e os resultados sempre foram muito baixos ou negativos devido ao alto consumo de energia fóssil no processamento do mosto e na destilação do etanol na usina. Entretanto, poucos anos após o começo do ProÁlcool, as usinas conseguiram substituir toda essa energia fóssil,

Ano XIV - Nº 1 - Jan./Fev./Mar. 200544 correspondente a mais de 50% daquela produzida no etanol (BODDEY, 1993), pelo uso do bagaço da cana. Atualmente muitas usinas com excesso de bagaço estão gerando eletricidade que é vendida para a rede estadual. Se esta energia excedente for incluída no balanço energético do etanol, o valor do balanço sobe para mais de 10 para 1 (MACHADO, 1998).

É interessante comparar esse balanço energético calculado para as condições reais do Brasil com os balanços da produção de biodiesel de canola (RME) ou de etanol do milho (ou da beterraba ou do trigo) da Europa e dos EUA. O balanço energético positivo da produção de etanol de cana-de-açúcar de 8.06 mostra que para produzir 1 GJ de energia, nesta forma, são necessários 0,124 GJ de energia fóssil, em comparação com 0,81 e 0.68 GJ de energia fóssil para produzir 1 GJ de energia na forma de etanol do milho ou do biodiesel de canola (RME). Os biocombustíveis produzidos nos EUA e na CE praticamente não merecem este nome, se for contabilizado somente a economia na liberação de CO2.

Dendê

Por muitos anos, tanto a Ceplac, no sul da Bahia, e a Embrapa Amazônia Ocidental, em Manaus, promoveram estudos agronômicos sobre a utilização da cultura de dendê e conduziram programas de melhoramento dessa espécie. Um documento da Embrapa Amazônia Ocidental cita que "A inexpressiva participação do Estado do Amazonas e sobretudo do Brasil no cenário mundial de produção de óleo de palma (óleo de dendê), com cerca de apenas 0,5% da produção mundial em 1999, apesar de dispor do maior potencial de expansão da cultura no planeta, é conseqüência da tímida expansão da agroindústria do dendê no País e reflete a inexistência de políticas e programas governamentais especialmente desenhadas para a atividade". A produção mundial óleo de dendê supera os 20 milhões de Mg ano-1, sendo 80% produzido no sul da Ásia, principalmente na Indonésia e Malásia. É na Malásia onde foram desenvolvidos mais estudos sobre a possível utilização desse óleo como combustível.

Os dados utilizados no balanço energético do óleo de dendê neste trabalho (Tabela 2) foram retirados principalmente do trabalho de Wood e Corley (1991), baseado em grandes plantações (Unilever Ltd.) na Malásia. Produções de até 7 ou 8 Mg do óleo ha-1 já foram registradas; plantações bem manejadas geralmente produzem aproximadamente uma média de 20 Mg ha-1 de cachos contendo entre 18 e 2% de óleo. No trabalho de Wood e Corley (1991), os autores utilizaram uma produtividade de 3.87 Mg ha-1 do óleo principal com um valor calorífico de 39,9 MJ kg-1 além de 450 kg de óleo do palmiste (Palm kernel oil) com valor calorífico muito semelhante. Na estimativa dessa produtividade, que é baixa, os autores contabilizaram toda a área da plantação incluindo palmas com menos de 4 anos de idade, que ainda não produzem frutas. Como o preço do óleo do palmiste é muito mais alto, seria mais lógico vendê-lo no mercado internacional, e por isso não foi incluído no balanço energético.

No balanço energético para cana-deaçúcar, calculado por Machado (1998), os custos energéticos dos prédios e equipamentos foram incluídos, baseados na energia utilizada na sua fabricação dividido pelo número de anos de utilidade (SILVA et al., 1978). No caso do óleo

Tabela 2. Balanço energético para a produção de óleo de dendê sob condições da Malásia.

Rendimento (cachos) Produção de óleo

Ingressos de energia fÛssil 1. Máquinas agrícolas e transporte à usina 2. Fertilizantes 3. Pesticidas 4. Mão-de-obra Total ha-1 ano-1

18,0 Mg 3.870 kg

0,80

GJ 5,14 1,2 0,67 17,83 GJ 154,41 GJ

Ano XIV - Nº 1 - Jan./Fev./Mar. 200545 de dendê, este item não foi contabilizado. É importante destacar a importância do fertilizante químico nobalanço energético. Apesar da programação de adições anuais de 252 kg K2O ha-1 versus 8 kg N ha-1, o custo energético com K2O foi somente de 3,45 GJ ha-1 (16,5 MJ kg K-1), em comparação com 6,89 GJ ha-1 com o uso de N (78,1 MJ kg N-1). Isso reflete o elevadíssimo custo energético da produção de N pelo processo Häber que utiliza grandes volumes de gás natural. Uma das razões do baixo custo energético da produção de etanol da cana-deaçúcar, no Brasil, é a baixa quantidade de N utilizada em comparação com outros países produtores (BODDEY, 1993). Após a extração do óleo, existe pelo menos 10 Mg ha-1 de resíduos que, a pesar do fato de ter entre 30 (fibra) e 65% (cachos vazios) de umidade, fornece energia suficiente (estimada em 24 GJ ha-1) para a operação de toda a usina de extração e purificação do produto. Parece que essa exigência é chave para produzir um biocombustível com um balanço energético favorável.

Mamona

Não existem, ainda, dados suficientes para estimar o balanço energético desta cultura. Dados de produtividade citados na literatura sugerem que, por enquanto, a produtividade média está em torno de 500 kg de óleo ha-1, (BELTRÃO et al., 2003), mas o rendimento potencial com irrigação pode ser mais que o dobro (HOLANDA, 2004). O valor calorífico desse combustível é cotado a 40,5 MJ kg-1, e por isso a produção energética deve ser aproximadamente de 20,3 GJ ha-1 ano-1. A adubação recomendada por Beltrão et al. (2003) é de 50 kg N (3,91 GJ), 20 kg P2O5 (0,35 GJ) e 25 kg K2O (0,34 GJ) ha-1. Se o custo energético da conversão do óleo da canola é de aproximadamente 12,0 MJ kg-1 (ARMSTRONG et al., 2002), e o mesmo for igual para o biodiesel do óleo da mamona, o total de ingresso de energia fóssil seria de 4,6 GJ (fertilizantes) + 6,0 GJ ha-1 (conversão do óleo para biodiesel). Não estão incluídos no balanço os custos energéticos com preparo do solo, calagem, pesticidas e transporte, com o qual o balanço deve ser menor que 2,0. Isto é muito baixo comparado com os valores para etanol da cana-de-açúcar ou óleo de dendê, mas semelhantes ao da produção de biodiesel de canola (RME), na Europa.

Conclusão

O balanço energético é o parâmetro mais adequado para definir a viabilidade técnica de qualquer programa bioenergético. Como o balanço positivo é altamente dependente do rendimento da cultura e do menor consumo de N-fertilizante, para o caso de culturas de baixa produção de óleo a alternativa é o melhoramento genético e a otimização da contribuição da fixação biológica de N2 através da adubação verde que permita reduzir ao mínimo a adubação nitrogenada.

Referências

ARMSTRONG, A. P. et al. Energy and greenhouse gas balance of biofuels for Europe: an update. Brussels: CONCAWE, 2002. 18 p. (CONCAWE. Report, 2/02). Disponível em: <http:// w.concawe.be/1FGJLPMJAJBJBHPCIKJIDBDFJPDBY9D BYW69DW3571KM/CEnet/docs/DLS/2002-00213-01-E.pdf>. Acesso em: 20 ago. 2004.

BELTRÃO, N. E. de M. et al. Mamona: árvore do conhecimento e sistemas de produção para o Semi-Árido brasileiro. Campina Grande, PB: Embrapa Alagodão, 2003. 19 p. (Circular Técnica, 70)

BODDEY, R. M. “Green” energy from sugar cane. Chemistry & Industry, London, n. 10, p 355-358, May, 1993.

SILVA, J. G. da; SERRA, G. E. Energy balance for ethyl alcohol production from crops. Science, Washington, v. 201, n. 4358, p. 903-906, Sept. 1978.

GOVER, M. P. et al. Alternative road transport fuels: a preliminary life-cycle study for the UK. Oxfrod: Energy Technology Support Unit, 1996. v. 1 e 2. (ETSU report R92)

HOLANDA, A. Biodiesel e Inclusão Social. Brasília, DF: Câmara dos Deputados - Coordenação de Publicações, 2004. 200 p. (Cadernos Altos Estudos).

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