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1 BIOCOMBUSTÍVEIS, BIOMASSA E BIOGÁS 1 Sumário NOSSA HISTÓRIA .................................................................................. 2 INTRODUÇÃO ......................................................................................... 3 A UTILIZAÇÃO DOS BIOCOMBUSTÍVEIS COMO ALTERNATIVA PARA OS COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS .......................................................................... 4 PERSPECTIVAS FUTURAS: DESAFIOS NA UTILIZAÇÃO DOS BIOCOUMBUSTÍVEIS...................................................................................... 10 USO DA BIOMASSA COMO FONTE DE ENERGIA ............................. 11 DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS BIOMASSAS DO BRASIL .................. 17 Biomassa de origem Florestal ............................................................ 17 Lenha e carvão vegetal .................................................................. 17 Resíduos de madeira e Licor negro ................................................ 19 Biomassa de origem Agrícola ............................................................ 20 Cana-de-açúcar .............................................................................. 20 Arroz ............................................................................................... 21 Capim elefante................................................................................ 22 Milho ............................................................................................... 22 Soja ................................................................................................ 23 CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DO BIOGÁS ....................... 24 Principais Formas de Obtenção de Biogás....................................... 25 Biogás proveniente do tratamento de efluentes........................ 26 Biogás proveniente de aterro sanitário ...................................... 27 APROVEITAMENTO DO BIOGÁS ........................................................ 28 Geração de energia elétrica e térmica ............................................... 29 Uso veicular ....................................................................................... 29 REFERENCIAS ..................................................................................... 31 2 NOSSA HISTÓRIA A nossa história inicia com a realização do sonho de um grupo de empresários, em atender à crescente demanda de alunos para cursos de Graduação e Pós-Graduação. Com isso foi criado a nossa instituição, como entidade oferecendo serviços educacionais em nível superior. A instituição tem por objetivo formar diplomados nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em setores profissionais e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e colaborar na sua formação contínua. Além de promover a divulgação de conhecimentos culturais, científicos e técnicos que constituem patrimônio da humanidade e comunicar o saber através do ensino, de publicação ou outras normas de comunicação. A nossa missão é oferecer qualidade em conhecimento e cultura de forma confiável e eficiente para que o aluno tenha oportunidade de construir uma base profissional e ética. Dessa forma, conquistando o espaço de uma das instituições modelo no país na oferta de cursos, primando sempre pela inovação tecnológica, excelência no atendimento e valor do serviço oferecido. 3 INTRODUÇÃO A utilização das energias renováveis é considerada atualmente como uma das alternativas mais eficientes para atingir o desenvolvimento sustentável, principalmente em países em desenvolvimento. De acordo com o documento Our Commum Future, elaborado pela Comissão Mundial sobre o Meio Ambiente e Desenvolvimento, lançado pela Organização das Nações Unidas (ONU) em 1987, o “desenvolvimento sustentável é aquele que satisfaz as necessidades presentes sem comprometer a capacidade das gerações futuras satisfazerem as suas próprias necessidades” (BELLEN 2003). Assim, aumentar a utilização de energias sustentáveis na matriz energética mundial irá permitir uma melhor segurança no fornecimento de energia em escala global, prolongando a existência de reservas de combustíveis fósseis, tal como o petróleo, além de enfrentar ameaças decorrentes das alterações climáticas. E, apesar de grande parte dessas tecnologias estarem em desenvolvimento comercial, algumas, já estão bem estabelecidas, como por exemplo, a utilização do etanol proveniente da cana-de-açúcar no Brasil (GOLDEMBERG 2009). A energia é um insumo indispensável no desenvolvimento econômico e a sua necessidade aumenta continuamente devido ao aumento da população e da industrialização. Desde a revolução industrial, quando o carvão mineral substituiu a lenha como principal fonte energética, as energias fósseis se tornaram vetores centrais da industrialização. Atualmente, as principais fontes geradoras de energia são provenientes do petróleo, do gás natural, do carvão, além da energia hídrica e nuclear. Porém, dentre as desvantagens na utilização do petróleo, por exemplo, está a sua contribuição na poluição atmosférica devido à liberação dos gases de efeito estufa, além de outros contaminantes, tais como NOx, SOx, CO, matéria particulada e compostos orgânicos voláteis. A necessidade de se adequar às normas e as pressões por uma qualidade ambiental mais equilibrada têm levado a indústria a adotar medidas para reduzir o impacto de suas atividades. Algumas empresas começaram a se preocupar não apenas com o impacto provocado por suas 4 plantas industriais, mas também com o impacto ambiental provocado ao longo de todo o ciclo de vida dos seus processos e produtos. A utilização da energia oriunda de fontes renováveis tem sido apontada como uma grande opção que poderia contribuir para o desenvolvimento sustentável nas áreas ambiental, social e econômica. Óleos vegetais já foram testados e utilizados como combustíveis nos motores do ciclo diesel antes mesmo do diesel de petróleo. No entanto, por razões tanto econômicas quanto técnicas, estes deram lugar ao diesel de petróleo. O baixo preço e a oferta dos derivados de petróleo, na época, influenciaram decisivamente na escolha pelo diesel mineral. Diante das problemáticas ambientais envolvidas na utilização dos combustíveis fósseis, busca-se nesse trabalho refletir sobre a necessidade de mudanças a respeito dos processos de produção de energia que permitam um crescimento econômico mais sustentável, verificando o cenário energético brasileiro em relação à utilização de combustíveis poluentes e a atual alternativa dos biocombustíveis. A UTILIZAÇÃO DOS BIOCOMBUSTÍVEIS COMO ALTERNATIVA PARA OS COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS Há mais de cem anos, Rudolph Diesel projetou o motor a diesel original, para funcionar com óleo vegetal extraído do amendoim (MA & HANNA 1999). No entanto, na época, a utilização de combustíveis com base em óleos vegetais não era aceitável, pois eles eram mais caros do que os combustíveis derivados do petróleo. Atualmente, porém, com os aumentos nos preços do petróleo e as incertezas em relação a sua disponibilidade, trazem novamente o interesse nas fontes renováveis para a produção de combustíveis. A utilização dos biocombustíveis se torna interessante por apresentar vantagens tais como: substituição do óleo diesel em caldeiras e motores de combustão interna sem grandes ajustes, as emissões de sulfato são consideradas quase zero, além de emitir somente pequenos montantes de CO2 5 na atmosfera, principalmente quando se observa todo ciclo de vida do petróleo, que inclui o cultivo, a produção e a conversão em biodiesel (BOZBAS 2005). A demanda mundial por combustíveisrenováveis tem se expandido de forma rápida nos últimos anos e deverá acelerar ainda mais em um futuro próximo. Isso se deve à combinação de diversos fatores: necessidade de redução da dependência de derivados de petróleo nas matrizes energéticas nacionais e mundiais; incentivo à agricultura e às indústrias locais; desenvolvimento de estratégias para a redução e/ ou limitação do volume de emissões de gases causadores do efeito estufa. O etanol, que é produzido em diversos países, não apenas como combustível, mas como o principal componente das bebidas alcoólicas, é empregado na mistura com a gasolina, sendo comum adicionar E10 (10% de etanol em 90% de gasolina). Juntos, Brasil e Estados Unidos produzem cerca de 90% de todo o etanol do mundo. Com base na cultura do milho, os Estados Unidos, produz aproximadamente 75% do etanol de seu país, seguido pelo Brasil, onde a cultura da cana de açúcar se repete sendo o estado de São Paulo o maior produtor (58%), seguido pelos estados do Paraná, Minas Gerais, Alagoas e Pernambuco. A Índia segue sendo o maior produtor de cana de açúcar do mundo, mas sua utilização como biocombustível ainda é pequena se contrastada com a produção brasileira (MASIEIRO & LOPES, 2008) (Fig. 1). 6 Figura 1: Principais produtores de etanol em bilhões de litros em 2005. Fonte: MASIEIRO & LOPES 2008. O Brasil ocupa local de destaque no desenvolvimento e uso de fontes renováveis de energia, por causa da sua grande extensão territorial, clima e várias alternativas. Os processos de desenvolvimento econômico somam-se às pressões para a busca de energias que possam substituir o petróleo e, assim, os biocombustíveis na forma de etanol e de biodiesel vêm despertando o interesse de todos os agentes econômicos (MASIEIRO & LOPES, 2008). A utilização de biocombustível oriundo da gordura animal e de outros óleos vegetais também vem sendo utilizados no Brasil e a seguir, são mostrados alguns exemplos de sua efetividade. Na pesquisa de GOMES e colaboradores (2008), é discutida a produção do biodiesel a partir do óleo de frango. Segundo os autores, a produção brasileira 7 de carne de frango está concentrada na região sul, e representa 55,81% da produção, tendo o Estado do Paraná uma posição de destaque, representando 27% da produção brasileira. Os óleos e gorduras, vegetais ou animais, são chamados triglicerídeos, produtos naturais da reação do propanotriol (glicerol) com ácidos graxos, cujas cadeias têm de 12 a 22 átomos de carbono e peso molecular três vezes maiores que o óleo diesel. Os ésteres são provenientes da reação de condensação de um ácido carboxílico e um álcool, chamada de reação de esterificação, os quais apresentam peso molecular e propriedades físicas e químicas semelhantes ao óleo diesel (GOMES et al 2008). De maneira geral, as gorduras animais são geralmente classificadas como sebos, gorduras que apresentam estado sólido em temperatura ambiente, dada a sua composição percentual ser elevada em ácidos graxos saturados, principalmente o esteárico. As gorduras de frangos são classificadas como óleo de frango, por causa do baixo percentual de ácido esteárico, ficando próximas a óleos como o de soja, apresentando-se em estado líquido a temperatura ambiente, facilitando a reação de transesterificação (GOMES et al 2008). Os autores objetivaram em tal estudo, determinar o potencial de produção de biodiesel, a partir do óleo de frango, produzido nas cooperativas da região oeste do Estado do Paraná, caracterizando as propriedades físicas e químicas do óleo de frango; realizando ainda uma transesterificação em escala laboratorial, além de determinar o rendimento do processo em biodiesel e a avaliação do potencial de produção do óleo de frango. Ao testarem a eficiência do biocombustível, os autores concluíram que o mesmo apresentou um rendimento de até 95%, podendo atender 37,1% da quantidade total de biodiesel necessária no Estado. NETO e colaboradores (2000) também discutiram a utilização de óleos vegetais usados em frituras como combustível alternativo ao diesel convencional que foram testados no transporte coletivo da cidade de Curitiba, PR. Os óleos vegetais são produtos naturais constituídos por uma mistura de ésteres derivados do glicerol (triglicerídios), cujos ácidos graxos contêm cadeias de 8 a 24 átomos de carbono com diferentes graus de insaturação (NETO et al 2000). 8 A utilização de biodiesel no transporte rodoviário pesado oferece grandes vantagens para o meio ambiente, principalmente em grandes centros urbanos, tendo em vista que a emissão de poluentes é menor que a do óleo diesel. Em seus estudos, os autores encontraram que a maior diferença foi verificada com relação à emissão de fumaça, cuja redução média foi 41,5%, medido em escala Bosch (Fig. 2): Figura 2: Emissão de fumaça em ônibus de transporte coletivo de Curitiba – PR, determinada em escala Bosch a partir da queima do diesel comercial e da mistura B20 contendo biodiesel (éster metílico) de óleo de frituras. Fonte: NETO et al 2000. 9 Os autores concluíram que os resultados foram bastante promissores. No entanto, para avaliar a real eficiência e viabilidade deste biocombustível alternativo, será necessária a realização de testes de longa duração para que se possam avaliar as consequências mecânicas que o biodiesel de óleo de fritura efetivamente acarreta em motores lacrados previamente aferidos (NETO et al 2000). Não obstante, um dos principais efeitos causado pela expansão da produção de biocombustíveis é o avanço da fronteira agrícola sobre áreas de floresta nativa, como ocorre com a soja no Brasil, onde a fronteira agrícola está se expandindo para o bioma Amazônico levando a um aumento nas taxas de desmatamento. Em várias regiões, o etanol e o biodiesel continuam sendo mais caros que os combustíveis fósseis sendo subsidiados direta ou indiretamente para viabilizar sua produção. O emprego de óleo vegetal para produzir combustível diminuiria sua oferta no mercado de alimentos, podendo, portanto, ocorrer um aumento do preço do óleo vegetal alimentar, caso não haja, simultaneamente, oferta para atender à demanda do mercado de alimentos e de combustível (MENDES & COSTA 2009). Por sua vez, a pesquisa sobre o biodiesel extraído de algas é considerada a nova fronteira do setor. A expectativa em relação a esse biodiesel é enorme, pois as algas (i) absorvem o CO2; (ii) crescem de forma rápida e exponencial; (iii) são ricas em lipídios (óleo); (iv) podem ser cultivadas em piscinas ou lagoas abertas ou em fotobiorreatores; (v) podem apresentar grandes produtividades por hectare por necessitar relativamente de pouco espaço físico (terra), o que não ocorre com as culturas vegetais tradicionais; e (vi) não são utilizadas como alimento de uma forma geral (MENDES & COSTA 2009). No Brasil, o Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), em parceria com a Secretaria Especial de Aquicultura e Pesca (SEAP/PR), lançou em 2008, através do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), edital de pesquisa com o objetivo de selecionar projetos voltados para a aquicultura e uso de microalgas para a produção de biodiesel (FRANCO et al 2013). Dentre as propostas apresentadas, os temas abordavam, 10 dentre outros aspectos, desenvolvimento de técnicas de cultivo; maximização da produtividade em óleo; avaliação da viabilidade econômica do processo global, do cultivo à obtenção de biodiesel; processos mais econômicos e eficientes para a coleta da biomassa algal e a extração da fração lipídica; avaliação das propriedades físico-químicas de biodiesel de microalgas e adoção de estratégias, visandogarantir com que atendam às especificações de qualidade definidas nas resoluções da Agência Nacional de Petróleo – ANP. O biocombustível oriundo de microalgas representa uma alternativa promissora para o futuro, no entanto, ainda há a necessidade de se reduzir os custos de produção para que essa fonte energética se torne economicamente viável aos combustíveis tradicionais. PERSPECTIVAS FUTURAS: DESAFIOS NA UTILIZAÇÃO DOS BIOCOUMBUSTÍVEIS O uso dos biocombustíveis no Brasil é relativamente recente e, naturalmente, existem ainda grandes desafios a serem superados. A demanda mundial por biocombustíveis deverá crescer a taxas elevadas, impulsionada pela conscientização da necessidade de deter o processo de aquecimento global, bem como pela preocupação de uma possível escassez de petróleo. Devido ao seu pioneirismo no setor, o país tem firmado parcerias de transferência de tecnologia e cooperação na produção e comercialização de biocombustíveis com vários países. No entanto, a oferta potencial de biodiesel, por exemplo, é muito superior à demanda, provocando, assim, um excesso de capacidade ociosa. Uma das grandes dificuldades do setor é a impossibilidade de exportar o produto nacional para os grandes consumidores internacionais. Isso impõe ao Brasil o desafio de insistir na discussão, em sua agenda externa, do fim das barreiras impostas pelos países europeus, sem as quais a produção de biodiesel nesses países não se viabilizaria. E ainda, há a necessidade de transformar o biocombustível em commodity internacional que respeite todas as especificações impostas nos diversos mercados. De fato, o Brasil é uma nação com nível de desenvolvimento ainda insuficiente, ao qual se associam um baixo 11 consumo específico de energia, carência de infraestrutura energética e concentração do uso das riquezas naturais. A matriz energética brasileira é dependente do desenvolvimento econômico do país. Assim, é necessária uma política energética eficiente que reconheça que este é um fato fundamental e crescente, visto que parte do sistema energético foi privatizado e depende, portanto, de investimentos não- governamentais. O licenciamento ambiental dos empreendimentos também deve ser obedecido, pois é possível mitigar muitos dos impactos, com políticas corretas e, prévio e transparente estudo de impacto ambiental. Não se podem deixar de lado aspectos de segurança no fornecimento, criação de empregos e de sustentabilidade ambiental. A questão dos biocombustíveis também se torna delicada pelo fato de que não se pode simplesmente afirmar que devemos substituir totalmente o petróleo pelo etanol e o biodiesel, pois existem frações valiosas do petróleo que não podem ser atualmente substituídas pelo uso de biocombustíveis de maneira economicamente viável. As áreas de energia, meio ambiente e, principalmente, economia, estão em constante mutação, e novas ideias, propostas e soluções são apresentadas a cada dia. No entanto, os efeitos causados pela utilização dos combustíveis fósseis ao meio ambiente no decorrer dos séculos, são extremamente visíveis e preocupantes, de modo que se torna necessário encontrarmos maneiras coordenadas de mitigar e minimizar tais impactos. E os esforços para tal feito, devem partir das esferas econômicas, ambientais e sociais. USO DA BIOMASSA COMO FONTE DE ENERGIA O desenvolvimento da civilização está atrelado ao consumo de energia exercido pelo homem. Desde os primórdios, quando o homem descobriu o fogo e começou a utilizar sua energia para cocção de alimentos e outros fins, esta energia tem sido obtida através de atividades extrativistas, aproveitando-se assim dos recursos da natureza. Este processo era realizado sem quaisquer preocupações com os impactos que poderiam advir de sua execução, pois se 12 acreditava que os recursos naturais e os combustíveis fósseis foram fontes abundantes de energia, sem previsão de esgotamento. Contudo, desde a metade do século XX este cenário está em transformação. A evolução dos processos industriais e o desenvolvimento da sociedade acarretam em um aumento sistemático da demanda de energia e, devido a este fato, a comunidade mundial começou a perceber os impactos de um consumo descontrolado destes recursos. Foi constatado que a grande maioria dos insumos energéticos utilizados na produção de energia em grande escala possui reservas finitas. Estes aumentos de demanda agregados às limitações das reservas fizeram com que as perspectivas de duração das fontes de energia predominantes se tornassem reduzidas. Outra ação que mudou consideravelmente o cenário de produção de energia ocorreu ao final do século XX com a implantação de legislações ambientais em diversos países. A preocupação em se preservar o meio ambiente para as gerações futuras, discutindo-se questões tais como o aquecimento global e as emissões de carbono, passou a ser um tópico de destaque em qualquer projeto de geração de energia. Além dos aspectos quantitativos e ambientais existem também fatores econômicos que impactam diretamente no setor energético, com foco na indústria de petróleo. Após a Segunda Grande Guerra, em 1945, surgem sinais iniciais da importância geoestratégica do petróleo com as primeiras ameaças de embargo petrolífero realizadas pelos países árabes aos Estados Unidos. Desde este período até os dias atuais já ocorreram cinco crises relacionadas a produção / consumo de petróleo (1956, 1973, 1979, 1991 e 2008), revelando ao mundo as consequências econômicas da grande dependência de uma única fonte de energia. Em vista dos fatos apresentados se faz necessário a busca de alternativas energéticas sustentáveis visando atender a demanda crescente de energia no âmbito mundial. Muitas alternativas surgiram como solução deste problema, dando-se destaque a energia solar, a energia eólica, a energia atômica e a energia proveniente das biomassas. Todas as alternativas citadas possuem vantagens e desvantagens que devem ser levadas em consideração. Por este 13 motivo, até o momento, nenhuma das opções despontou como a melhor alternativa, mas cada uma deve ser analisada, verificando-se a melhor relação custo-benefício para cada aplicação. 14 Tabela 1 – Classe de combustíveis utilizados no Brasil para geração de energia elétrica - Operação. Combustível Quantidade de empreendimentos Potência (kW) % Biomassa 429 8.990.493 28,79 Fóssil 1045 20.753.350 66,46 Outros 36 1.485.270 4,76 Total 1510 31.229.113 100 Fonte: ANEEL:BIG, 2012 – Acesso em 19/01/2012. Do ponto de vista energético a biomassa é toda matéria orgânica, seja de origem animal ou vegetal, que pode ser utilizada na produção de energia (ANEEL, 2002). A mesma sempre esteve presente como fonte de energia na história da civilização, inicialmente na forma de lenha ou carvão e, a partir de meados do século XX, outras formas de utilização da biomassa ganharam ênfase. A utilização da biomassa tem como grandes vantagens, seu aproveitamento direto por meio da combustão em fornos e caldeiras e também a redução de impactos socioambientais. Como desvantagens, seu aproveitamento apresenta eficiência reduzida, contudo estão sendo pesquisados aperfeiçoamentos das tecnologias de conversão. Por ser considerada uma fonte energética limpa e renovável, o interesse na utilização de biomassa ganhou espaço no mercado de energia, passando a ser considerada uma boa alternativa para a diversificação da matriz energética mundial e consequente redução da dependência dos combustíveis fósseis, conforme se pode observar nos dados apresentados na Tabela 1 e na Figura 3. Por este motivo os investimentos e incentivos do setor público e do setor privado de diversos países na produção de energia utilizando a biomassa têm aumentado consideravelmente nos últimos anos. 15Figura 3 – Participação das diversas fontes de energia no consumo (1973 e 2006). Fonte: IEA, 2008. A biomassa, quando utilizada para fins energéticos, é classificada em três categorias: florestal, agrícola e rejeitos urbanos, onde, na biomassa energética agrícola, estão incluídas as culturas agro energéticas e os resíduos e subprodutos das atividades agrícolas, agroindustriais e da produção animal. O potencial energético de cada um desses grupos depende tanto da matéria-prima utilizada quanto da tecnologia utilizada no processamento para obtê-los. Existem diversas rotas tecnológicas para a utilização da biomassa com a finalidade de se produzir energia elétrica, contudo, todas envolvem a transformação da biomassa, por meio de processos termoquímicos, bioquímicos e físico-químicos, em um produto intermediário, que por fim, será usado na geração de eletricidade. Para cada cenário deve ser observado a viabilidade técnica e econômica de cada tipo de biomassa e da tecnologia a ser empregada visando a otimização dos resultados. A matriz energética brasileira, considerando-se os empreendimentos em operação, segundo o BIG 2012, está atualmente dividida conforme apresentado na Tabela 2. 16 Tabela 2 – Matriz de energia elétrica do Brasil: empreendimentos em operação. Empreendimentos em Operação Tipo Capacidade Instalada % Total % N.° de Usinas (kW) N.° de Usinas (kW) Hidráulica - 966 82.318.681 65,76 966 82.318.681 65,76 Gás Natural 102 11.424.053 9,13 140 13.213.236 10,56 Processo 38 1.789.183 1,43 Petróleo Óleo Diesel 891 3.942.036 3,15 923 7.074.243 5,65 Óleo Residual 32 3.132.207 2,50 Biomassa Bagaço de Cana 347 7.263.608 5,80 427 8.986.143 7,18 Licor Negro 14 1.245.198 0,99 Madeira 42 373.827 0,30 Biogás 16 70.902 0,06 Casca de Arroz 8 32.608 0,03 Nuclear - 2 2.007.000 1,60 2 2.007.000 1,60 Carvão Mineral Carvão Mineral 10 1.944.054 1,55 10 1.944.054 1,55 Eólica - 72 1.452.792 1,16 72 1.452.792 1,16 Importação Paraguai 5.650.000 5,46 - 8.170.000 6,53 Argentina 2.250.000 2,17 Venezuela 200.000 0,19 Uruguai 70.000 0,07 Total 2.548 125.171.587 100 2.548 125.171.587 100 Fonte: ANEEL:BIG, 2012 – Acesso em 19/01/2012 A Tabela 3 apresenta uma visão mais detalhada das biomassas utilizadas nas usinas em operação no Brasil. Tabela 3 – Detalhamento do uso da biomassa para geração de energia elétrica no mercado brasileiro - Operação. 17 Combustível Quantidade de empreendimentos Potência (kW) % Licor negro 14 1.245.198 13,85 Resíduos de madeira 37 316.927 3,53 Capim elefante 2 31.700 0,35 Biogás 16 70.902 0,79 Bagaço de cana-de-açúcar 347 7.263.608 80,79 Óleo de palmiste 2 4.350 0,05 Carvão vegetal 3 25.200 0,28 Casca de arroz 8 32.608 0,36 Fonte: ANEEL:BIG, 2012 – Acesso em 19/01/2012 DESCRIÇÃO DAS PRINCIPAIS BIOMASSAS DO BRASIL Biomassa de origem Florestal A biomassa energética florestal é definida como produtos e subprodutos dos recursos florestais que incluem basicamente biomassa lenhosa, produzida de forma sustentável a partir de florestas cultivadas ou de florestas nativas, obtida por desflorestamento de floresta nativa para abertura de áreas para agropecuária, ou ainda originada em atividades que processam ou utilizam a madeira para fins não energéticos, destacando-se a indústria de papel e celulose, indústria moveleira, serrarias etc. O conteúdo energético desta classe de biomassa está associado à celulose e lignina contidas na matéria e ao baixo teor de umidade. Seu aproveitamento no uso final energético se realiza, principalmente, através das rotas tecnológicas de transformação termoquímica mais simples, como combustão direta e carbonização, mas rotas mais complexas também são empregadas para a produção de combustíveis líquidos e gasosos, como metanol, etanol, gases de síntese, licor negro (um subproduto da indústria de celulose), entre outros (ANEEL:EPE, 2007). Lenha e carvão vegetal A lenha é definida como ramos, troncos, achas (tora de lenha, cavaca) de madeira tosca ou quaisquer pedaços de madeira que podem ser utilizados como combustível. No Brasil, ela participa com cerca de 10% da produção de energia 18 primária e continua tendo grande importância na matriz energética do país. Em relação a sua composição a lenha possui de 41% a 49% de celulose, de 15% a 27% de hemicelulose e de 18% a 24% de lignina e seu poder calorífico inferior médio é de 3100 Kcal/Kg. A produção de lenha pode ser dividida em dois segmentos: a lenha catada e a lenha produzida para fins comerciais. A lenha catada proveniente de matas nativas parecia uma fonte inesgotável desta biomassa, contudo a forma predatória com que a mesma foi explorada causou problemas críticos em diversas regiões do país. Várias regiões onde existiam abundantes coberturas florestais passaram a conviver com a degradação do solo, a alteração no regime das chuvas e consequente desertificação. Na produção de lenha para fins comerciais, principalmente nas serrarias e indústrias de móveis, a lenha proveniente das matas nativas é substituída pela lenha de reflorestamento, sendo o eucalipto a principal árvore cultivada para este fim. Após a utilização da lenha nas fábricas são gerados resíduos industriais como pontas de toras, costaneiras e serragem de diferentes tamanhos e densidade. Tais resíduos podem ter um aproveitamento energético. Para a lenha catada, de uso residencial, é considerada uma densidade com valor médio de 300 Kg/m³ e, para a lenha comercial, a densidade de 390 Kg/m³ (BEN, 2011). No Brasil em 2010, cerca de 33% da lenha produzida foi transformada em carvão vegetal. Esta transformação é realizada através dos processos conhecidos como carbonização, que consiste na queima da lenha com presença controlada de ar, ou pelo processo de pirólise, onde a lenha é submetida a altas temperaturas em um ambiente com pouquíssima ou nenhuma quantidade de oxigênio. O poder calorífico inferior do carvão vegetal é de 6460 Kcal/Kg e sua densidade média é de 250 Kg/m³. Em relação a sua composição têm-se de 20% a 35% de material volátil, de 65% a 80% de carbono fixo e de 1% a 3% as cinzas (material inorgânico). O Brasil é o maior produtor mundial deste insumo energético, sendo o setor industrial, liderado pelas indústrias de ferro-gusa, aço e ferro-ligas, o maior 19 consumidor do carvão vegetal utilizando 85% da produção nacional. O setor residencial consome cerca de 9% e o setor comercial fica com 1,5% da produção de carvão vegetal. Resíduos de madeira e Licor negro O Brasil possui alto potencial florestal devido às suas grandes extensões de terra que possibilitam um alto volume de produção de madeira. A cadeia produtiva da madeira gera uma grande quantidade de resíduos se considerarmos os processos de transformação primário, secundário e terciário que, se não tratados adequadamente, podem gerar diversos problemas ambientais. Estes resíduos são constituídos pelo material florestal orgânico que sobra na floresta após a colheita, sobras de madeira, com ou sem casca, galhos grossos e finos, fuste, casca, copa, touça e raízes. As árvores mais utilizadas em florestas de reflorestamento são o pinus e o eucalipto. O pinus é do gênero de plantas da família pinaceae e são árvores perenes presentes principalmente em climas temperados. Seus resíduos possuem poder calorífico inferior de 4174 Kcal/Kg e densidade de 350 Kg/m³. Já o eucalipto é a designação vulgar das várias espécies vegetais do gênero Eucalyptus, pertencente à família das mirtáceas, que compreende outros 130 gêneros. Seus resíduos possuem poder calorífico inferior de 4024 Kcal/Kg e densidade de 374 Kg/m³. Tanto os valores citados para o eucalipto quanto para o pinus consideramum teor de umidade em torno de 25%. O eucalipto é responsável por 81,6% da área total com florestas plantadas e o pinus é responsável por 17,2%, ficando 1,2% da área plantada para outros gêneros. Outro derivado da madeira que é bastante utilizado como combustível para a geração de energia elétrica é o licor negro. O licor negro, também conhecido como lixívia negra, é um resíduo líquido proveniente do digestor após o processo de cozimento da madeira. É uma mistura complexa que contém grande número de substâncias orgânicas dissolvidas da madeira junto a seus componentes inorgânicos. Seu poder calorífico inferior é da ordem de 2860 Kcal/Kg de licor. Na indústria de produção de papel a matéria prima é a polpa da madeira que é obtida através de processos mecânicos e químicos da madeira bruta 20 separando-a em lignina, celulose e hemicelulose (componentes da madeira). Os processos mecânicos trituram a madeira, separando assim apenas a hemicelulose que é uma polpa de menor qualidade, de fibras curtas e de cor amarelada. O processo químico na indústria de papel mais difundido no Brasil é o Kraft, onde uma solução de hidróxido de sódio / sulfito de sódio, conhecido como licor branco, é adicionada para separar a celulose da matéria prima lenhosa, etapa essa conhecida como digestão. Nesta operação, mais da metade da madeira se solubiliza, saindo junto com os produtos químicos na forma de uma lixívia escura, o licor negro. No Brasil, a produção total de licor negro no ano de 2010 foi de 21.247.000 toneladas, sendo 4.796.000 toneladas (22,6%) aplicadas em transformação (geração de energia elétrica). Este quantitativo equivale a 1,37 milhões de tep e 15,95 TWh, incluindo os empreendimentos cadastrados no BIG. Biomassa de origem Agrícola A biomassa energética agrícola é definida como os produtos e subprodutos provenientes das plantações não florestais, tipicamente originados de colheitas anuais, cujas culturas são selecionadas segundo as propriedades de teores de amido, celulose, carboidratos e lipídios, contidos na matéria, em função da rota tecnológica a que se destina. As culturas agro energéticas utilizam principalmente rotas tecnológicas de transformações biológicas e físico- químicas, como fermentação, hidrólise e esterificação, empregadas para a produção de combustíveis líquidos, como o etanol, o biodiesel e óleos vegetais diversos. Integram estas culturas a cana de açúcar, o milho, o trigo, a beterraba, a soja, o amendoim, o girassol, a mamona e o dendê, existindo uma grande variedade de oleaginosas a serem exploradas. Abaixo estão descritas as biomassas agrícolas com maior destaque no cenário brasileiro. Cana-de-açúcar Cana de açúcar é uma gramínea com uma haste fibrosa espessa, crescendo até 6 metros de altura. As variedades comerciais de cana de açúcar são híbridos complexos de várias espécies dentro do gênero Saccharum. A espécie mais conhecida é Saccharum officinarum. 21 A planta de cana é constituída por quatro partes principais, que são: raízes, talho (fruto agrícola), folhas e flores. O talho é constituído no seu interior por um tecido esponjoso muito rico em sumo açucarado que pode ser extraído de diversas maneiras. O conteúdo calórico da cana-de-açúcar, considerando todos os seus componentes (sacarose, fibras, água e outros) é de, aproximadamente, 1060 Kcal/Kg. Para o bagaço de cana o poder calorífico inferior é de 2130 Kcal/Kg, considerando o bagaço com 50% de umidade. O poder calorífico inferior das pontas e folhas (palha) da cana-de-açúcar é de 3105 Kcal/Kg, também considerando 50% de umidade. A cana de açúcar é constituída por fibra e sumo onde o sumo é composto por água, sólidos solúveis ou brix. O brix é um composto de sacarose mais açúcares redutores e sais, sendo estes dois últimos considerados impurezas. Em outras palavras a cana de açúcar, considerando a matéria seca a 30%, tem a seguinte composição: 70% de umidade, 14,7% de fibras, 13% de açúcares e 2,3% de não- açúcares. Arroz O arroz é uma gramínea anual que tipicamente cresce até 1 – 1,8 metros de altura. A principal espécie de arroz cultivada é a oryza sativa, uma das 23 espécies do gênero. As plantas desde gênero são tolerantes a condições desérticas, quentes, úmidas, alagadas, secas e frias, e crescem em solos salinos, alcalinos e ácidos. A palha de arroz (0,38 tonelada para cada tonelada de arroz colhido) é definida como o resíduo que permanece no campo após a etapa de colheita. Já a casca de arroz (22% do peso total do arroz com casca) é o resíduo gerado após o processamento industrial do arroz bruto. O poder calorífico inferior da palha e da casca são, respectivamente de 3821 Kcal/Kg e 3200 Kcal/Kg. A cultura do arroz é muito exigente em relação a umidade do solo, contudo pode ser desenvolvida sob diversas condições climáticas. Para que a plantação seja bem sucedida dois fatores são de suma importância: água em abundância para que seja mantida a temperatura ambiente dentro da faixa adequada e, nos sistemas tradicionais, mão-de-obra intensiva. 22 Em torno de 15% das cascas de arroz residuais do processo industrial são utilizadas na fase de secagem do próprio processo, sendo que os outros 85%, assim como os resíduos de palha de arroz gerados no plantio, não possuem outro tipo de reaproveitamento. Capim elefante O capim elefante é uma gramínea perene com altura entre três e cinco metros. Foi trazida da África para servir de pastagem e é utilizada principalmente na criação de gado de corte e leiteiro. Suas principais características são: possui crescimento rápido, tolera solos pobres de nutrientes e gera uma quantidade maior de biomassa por área. Seu poder calorífico inferior é de 3441 Kcal/Kg (25% de água). O capim-elefante pode ser colhido seis meses após o seu plantio e permite de dois a quatro colheitas por ano, o que possibilita fornecimento de biomassa durante todo o ano. O potencial energético do capim-elefante pode ser descrito com a relação de 45 toneladas/ha/ano de biomassa seca (MAZZARELLA, IPT) que podem virar energia. Além disso, a cultura do capim- elefante é altamente eficiente na fixação de CO2 atmosférico durante o processo de fotossíntese para a produção da biomassa vegetal, contribuindo para a redução do efeito estufa. A transformação do capim-elefante em energia consiste em sua colheita mecanizada e posterior secagem. Em uma próxima etapa, o mesmo segue através de uma esteira para uma máquina onde as folhas são picadas em pequenos pedaços e onde é retirado o restante da umidade. Em seguida, estes pedaços são depositados em uma caldeira em que serão queimados e transformados em energia térmica. Milho O milho é uma gramínea anual originária da América Central. Possui tipicamente de dois a três metros de altura e não possui sabugo no topo da haste. O milho possui flores masculinas e femininas separadas, em que as flores masculinas emergem como a franja no topo da haste depois que todas as folhas se formaram. Já as flores femininas se encontram na base das folhas, no meio da haste. Após a polinização, o grupo de flores femininas forma as espigas. 23 Como impactos ambientais do cultivo do milho podem ser citados o uso intensivo de agroquímicos causando o surgimento de resistência em ervas daninhas, assim como de pragas e doenças, uso excessivo de água para irrigação, erosão do solo e degradação do mesmo, contaminação da água por escoamento e lixiviação de agroquímicos, perda de habitats e efeitos sobre a biodiversidade e a disseminação de pólen de lavouras geneticamente modificadas. No processo de colheita do milho a utilização de máquinas é fundamental e aplicado praticamente à totalidade da produção. O milho é colhido e a própria máquina faz o beneficiamento do grão, retirando o caule, folhas, palha e sabugo, tendo como resultado o grão de milholimpo. Os grãos são depositados na própria máquina e os resíduos são despejados na lavoura, pela parte de trás da máquina. Essa é uma grande desvantagem, pois todos os resíduos do milho, chamados de palhada, ficam distribuídos por toda a área plantada, dispersos no ambiente. Este fato ocorre em toda produção a granel de milho no Brasil, o que praticamente inviabiliza a utilização da palhada na geração de energia elétrica devido aos altos custos para juntar e transportar estes resíduos. O poder calorífico da palhada de milho é de 4227 Kcal/Kg. Soja A soja é um grão rico em proteínas e pertence à família fabaceae (leguminosa), assim como o feijão, a lentilha e a ervilha. O poder calorífico da palha de soja é de 3487 Kcal/Kg. Na produção de soja as exigências térmicas e hídricas são altas, destacando- se as fases mais críticas que são a floração e a do enchimento dos grãos. Apesar destes fatos, a soja suporta bem a escassez de água na fase vegetativa e, no estágio de maturação e colheita, tolera excesso de umidade. 24 Tabela 4 – Informações técnicas da cultura de soja. Item Dado Ciclo 105 a 135 dias Teor de óleo no grão 20% Teor de farelo 72% a 79% Produtividade média (grão) 2800 Kg/ha Rendimento em óleo 560 Kg/ha Fonte: MAPA e SPAE, 2010 O processamento dos grãos de soja não gera resíduo e, sendo assim, todos os resíduos da cultura de soja são provenientes do processo de colheita, ou seja, os grãos são colhidos e a palha (folhas, caule, talos e cascas) é retirada e descartada na lavoura. Assim como na cultura do milho, esta característica torna sua utilização muito custosa devido aos gastos com o recolhimento, compactação e transporte dos resíduos. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DO BIOGÁS O biogás é uma mistura gasosa composta principalmente de metano (CH 4 ) e gás carbônico (CO 2 ), derivada da atividade biológica durante a decomposição anaeróbia da matéria orgânica em diversos ambientes. A faixa de composição geral- mente encontrada do biogás em relação a outras misturas gasosas combustíveis, principalmente o Gás Natural (GNV) e o Gás de Síntese (SynGas) de processos de Gaseificação da Biomassa. O metano é um gás que tem um potencial de efeito estufa 21 vezes maior que o do dióxido de carbono, contribuindo, substancialmente, para o agrava- mento do efeito estufa e, consequentemente, do aquecimento global. O metano produzido no processo de digestão anaeróbica pode causar grande impacto ambiental se for liberado diretamente na atmosfera. Por isso, há a necessidade da sua queima ou aproveitamento energético, convertendo o CH 4 para CO 2 di- minuindo, assim, o impacto causado ao meio ambiente. Trata-se de um gás in- color, inodoro e altamente combustível. Sua combustão apresenta uma chama azul-lilás e, às vezes, com pequenas manchas vermelhas. Não produz fuligem e 25 seu índice de poluição atmosférico é inferior ao do butano, presente no gás de cozinha. O biogás pode ser utilizado como combustível em sistemas de conversão energética, entretanto requer um cuidado especial pela presença do H 2 S que é altamente corrosivo para a maioria dos equipamentos utilizados para a sua queima. Além disto, o Biogás apresenta uma composição significativa de CO 2 que, pela presença do seu carbono oxidado, diminui o poder calorífico do gás. Assim, após a remoção ou limpeza do CO 2 , H 2 S e outras impurezas, o Biogás apresenta uma fração elevada de metano (>99%). Este Metano purificado ou Biometano, resultante da limpeza e concentração do biogás, apresenta PCI mais elevado sendo comparável ao gás natural (GNV) podendo ser utilizado em motores a combustão. A comparação do poder calorífico (PCI) do Metano com outros gases. Ao contrário do propano e butano, o metano é um gás leve e de menor densidade, ocupando um volume significativo e difícil liquefação, tornando oneroso seu transporte e armazenamento. O poder calorífico do biogás é variável situando-se na faixa de 22.500 a 25.000 kJ/m3 e o gás metano purificado com cerca de 35.800 kJ/m3. Isto significa um aproveitamento de 6,25 a 10 kWh/m3 (SANTOS, 2000). Outro aspecto importante a ser considerado é a umidade presente no biogás, uma vez que tem influência direta no processo de combustão, afetando a temperatura de chama, limites de inflamabilidade, diminuição do poder calorífico e taxa ar-combustível do biogás. Principais Formas de Obtenção de Biogás A conversão de matéria orgânica em biogás pode ser observada em sistemas naturais ou então em reatores específicos também denominados de biodigestores. Como exemplo de sistemas de conversão em ambientes naturais podemos citar as áreas pantanosas com matéria orgânica, sedimentos em corpos d’água e áreas de aterro (subsolos). Podemos citar ainda os sistemas naturais representados pelo rúmen bovino e intestinos de animais superiores onde se desenvolvem os microrganismos encarregados de biodigestão 26 anaeróbia com geração de metano. A seguir são apresentadas as principais formas de obtenção de biogás. Biogás proveniente do tratamento de efluentes Dentre as diversas alternativas disponíveis para o tratamento de efluentes líquidos (esgoto sanitário, vinhaça, dejetos animais), destaca-se a digestão anaeróbia. Os digestores anaeróbios, ou biodigestores, são equipamentos utilizados para digestão de matérias orgânicas presentes nos efluentes líquidos, processo que permite a redução de seu potencial poluidor, além da recuperação da energia na forma de biogás (FISHER et al., 1979; Lucas Júnior, 1994). Os biodigestores constituem uma tecnologia bem antiga, já conhecida e praticada pelos chineses e indianos, os quais conceberam os biodigestores para tratamento de estercos animais. Inicialmente esta tecnologia foi utilizada com a finalidade de geração do biofertilizante e somente mais tarde verificou-se a possibilidade de geração e aproveitamento do biogás como combustível. A concepção dos biodigestores modelos indiano e chinês está ilustrada na Figura 4 (A,B). Tecnicamente não existe uma grande diferença entre biodigestores e reatores metanogênicos. Entretanto, é comum entre os pesquisadores da área da engenharia ambiental diferenciar estes tipos de reatores com base nos sistemas de carga orgânica e teores de sólidos. Os biodigestores trabalham com maior teor de sólidos (cargas orgânicas mais elevadas) e os reatores anaeróbios com menores teores de sólidos totais (5 a 10%). 27 Figura 4: (A) Esquema de concepção de biodigestores modelo Indiano. (B) Modelo Chinês. Biogás proveniente de aterro sanitário O aterramento é uma das técnicas de processamento final de resíduos só- lidos urbanos (RSU) de modo a atenuar os seus impactos no meio ambiente. Essa técnica consiste, basicamente, na compactação dos RSU no solo, na forma de camadas que são periodicamente cobertas com terra ou outro material inerte. O objetivo principal do aterro sanitário é o de melhorar as condições sanitárias relacionadas aos descartes dos resíduos sólidos urbanos evitando os danos da sua degradação descontrolada. Os aterros podem ser divididos em diferentes tipos: Aterro controlado: formação de camadas de resíduos sólidos urbanos, compactados e nivelado com terra mas sem a presença de qualquer tipo de impermeabilização do terreno. A melhor definição deste tipo de ater- ro seria “lixão controlado”. É uma solução adotada devido ao seu baixo custo mas, devido ao seu grande impacto ambiental, esta alternativa deve ser continuadamente desencorajada. Aterro sanitário: formação de camadas de resíduos 28 compactados, que são sobrepostas acima do nível original do terreno resultando em confi- gurações típicas de “escada” ou de “troncos de pirâmide”, denominadas de taludes. O aterro sanitário deve contemplar a impermeabilização do terreno com material geotêxtil para evitar a infiltraçãode chorume no solo. Deve haver, também, sistema de extração do biogás e de chorume do interior do aterro. Aterro em valas: o uso de trincheiras ou valas visa facilitar a operação do aterramento dos resíduos e a formação das células e camadas; assim sendo, tem-se o preenchimento total da trincheira, que deve devolver ao terreno a sua topografia inicial. Para se caracterizar como aterro sanitário, estes devem dispor de drenos de águas pluviais superficiais, poços de inspeção, sistemas de tratamento de percolados, monitoramento de aquíferos, estrutura de transbordo, mata ciliar e cobertura vegetal os resíduos Os resíduos sólidos depositados em camadas no aterro, iniciam a sua decomposição em ambiente anaeróbio, seguindo basicamente as etapas da digestão anaeróbia e metanização dos resíduos orgânicos (hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese). Neste ambiente deve estar previsto, na concepção do aterro, os drenos líquidos para o chorume gerado e os drenos gasosos para coleta do biogás produzido. A metanização dos resíduos orgânicos vai depender da composição gravimétrica dos resíduos, compactação dos resíduos, regime pluviométrico e da geometria do aterro. Os modelos de geração de biogás em aterros associam as fases de decomposição com o tempo em que elas se perpetuam ativas na massa de lixo, avaliando as gerações dos diversos gases que compõem o biogás originado nos aterros. APROVEITAMENTO DO BIOGÁS A emissão de biogás para a atmosfera provoca impactos negativos ao meio ambiente e a sociedade, na medida em que contribui para o agravamento do efeito estufa. 29 O aproveitamento energético do biogás, além de contribuir para a preservação do meio ambiente, também traz benefícios para a sociedade, pois promove a utilização de um recurso de baixo custo; colabora com a não dependência da fonte de energia fóssil; possibilita a geração descentralizada de energia; aumenta a oferta de energia; possibilita a geração local de empregos; colabora para a viabilidade econômica dos aterros sanitários, Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs) e propriedades rurais; otimiza a utilização local de recursos e aumenta a viabilidade do saneamento básico no país, permitindo o desenvolvimento tecnológico de empresas de saneamento e energéticas. Os benefícios atribuídos ao uso do biogás estão vinculados ao tipo de aproveitamento a que ele será destinado. As duas principais alternativas para o aproveitamento energético do biogás são: conversão em energia elétrica e o aproveitamento térmico. Entretanto, o biogás também pode ser utilizado como combustível em veículos. Geração de energia elétrica e térmica O aproveitamento do biogás para geração de energia elétrica é feito pela sua queima e essa queima é mais proveitosa em uma máquina de combustão interna, como motor ciclo Otto e turbina a gás, que ainda dispõe calor residual que pode ser aproveitado como energia térmica. Pode-se citar também a utilização da queima do biogás em motores stirling de combustão externa. Outra possibilidade de gerar energia térmica é queimar o biogás diretamente em caldeiras e, também, em sistemas de cogeração. Uso veicular Para ser utilizado como combustível em veículos é necessário que o biogás atinja as especificações do gás natural. Para isso, o biogás deve passar por um rígido sistema de purificação para a remoção da umidade, H 2 S e CO 2 presentes em sua composição. Após o processo de purificação o poder calorífico do biogás, agora também chamado de biometano, aumenta, fazendo com que aumente também a autonomia do veículo e a qualidade constante para uma combustão homogênea. 30 O biometano não provoca a corrosão devido a retirada de H 2 S, amônia e água. Além disso não contém partículas que podem causar danos ao motor. Isso significa que após a purificação o gás resultante para o uso veicular possui um conteúdo de metano superior a 95% em volume. 31 REFERENCIAS ANEEL, 2008, Atlas de energia elétrica do Brasil. 3 ed. Brasília, ANEEL. ANEEL, 2012, Banco de Informações de Geração. Disponível em: <www.aneel.gov.br>. Acesso em: 19/01/2012. BELLEN HMV (2003). Desenvolvimento sustentável: uma descrição das principais ferramentas de avaliação. Ambiente e Sociedade 7: 1 – 22. BOZBAS K (2005). 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