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AULA 6 BIOENERGIA Prof. Marcos Baroncini Proenca 2 GESTÃO DE BIOMASSA E DE BIOENERGIA Anteriormente, fizemos um apanhado geral sobre o que é a biomassa e a bioenergia. Aprofundamos conhecimentos sobre a biomassa no mundo e no Brasil, explicando os principais tipos e como são usados para geração de energia. Discorremos sobre os tipos de biocombustíveis e bioenergia que podem ser produzidos pela biomassa. Traçamos um comparativo entre a biomassa disponível o os biocombustíveis e bioenergia gerados, buscando relacionar capacidade produtiva com produção real. Discorremos sobre os fatores econômicos que interferem na produção de cada biomassa e no aproveitamento maior de seu potencial para geração de energia, bem como estabelecemos o potencial da bioeconomia no mundo e situamos o Brasil nesta crescente vertente da economia. Nesta aula, trataremos da principal preocupação que se deve ter com relação à bioeconomia, que é uma gestão dos biocombustíveis desde suas biomassas, para que seja explorado todo o seu potencial econômico e, com isso, alavancar novas áreas de atuação, empregabilidade e geração de renda. TEMA 1 – CONTEXTO INTERNACIONAL E NACIONAL PARA GESTÃO DE BIOMASSA E BIOENERGIA Como já vimos anteriormente, seguindo resoluções da reunião da Cúpula das Nações Unidas para o Desenvolvimento Sustentável, foram adotados os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS). São 17 objetivos que deverão orientar as políticas nacionais e as atividades de cooperação internacional nos próximos quinze anos, sucedendo e atualizando os Objetivos de Desenvolvimento do Milênio (ODM). O sétimo destes 17 objetivos trata da energia e estabelece que os países devem “assegurar o acesso confiável, sustentável, moderno e a preço acessível à energia, para todos”. Para atingir esse objetivo, ficaram estabelecidas três metas que devem ser atingidas até 2030: • Assegurar o acesso universal, confiável, moderno e a preços acessíveis a serviços de energia; • Aumentar substancialmente a participação de energias renováveis na matriz energética global; 3 • Dobrar a taxa global de melhoria da eficiência energética. Assim, almeja-se uma maior participação de fontes renováveis de energia e maior eficiência no uso dos recursos naturais, principalmente pela transição da matriz energética fóssil para matrizes renováveis (Ferraz, 2018). Portanto, uma boa gestão da biomassa e da bioenergia que ela gera é de fundamental importância estratégica para o atingimento destas metas e inserção como potência na bioeconomia. Um bom exemplo de gestão vem da Alemanha, onde, em 2000, a coalizão entre o Partido Social Democrata e o Partido Verde levou à aprovação da Lei das Fontes de Energia Renováveis (Erneuerbare Energien Gesetz), que foi a base da política de transição energética alemã. Essa lei implementou um sistema de tarifas diferenciadas com o intuito de apoiar as novas tecnologias de geração renovável. Além disso, impôs ao setor de utilidades alemãs a absorção da energia gerada por toda e qualquer fonte renovável. Isso levou à expansão da produção de energia renovável na Alemanha de forma que, já em 2017, existiam cerca de 1,5 milhão de produtores independentes de energia renovável no país (Colomer, 2018). Porém, como no resto do Mundo, está havendo uma desaceleração neste tipo de programa na Alemanha, devido às incertezas na mudança de matriz energética para uma totalmente sustentável. Segundo Clarice Ferraz (2018), se destacam três incertezas diretamente relacionadas a uma maior atratividade para as fontes renováveis de energia, que seriam: a revolução do óleo não convencional, a financeirização dos mercados futuros de energia e a transição para uma economia de baixo carbono. Com relação ao Brasil, a autora enfatiza que, além destas incertezas, há ainda uma profunda crise político-institucional e econômica, afetando negativamente o nível de investimentos de modo geral e, em especial para o setor elétrico, que já apresenta um modelo regulatório com inequívocos indicativos de mau funcionamento (Ferraz, 2018). Mesmo assim, como já enfatizado anteriormente, somos considerados uma potência em função da biomassa e a bioenergia que podemos gerar, bastando uma gestão mais eficiente e adequada para nos tornarmos também uma potência na bioeconomia. Reforça este fato o relatório do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE, 2017), que indica que países que não têm abundância de biomassa natural, como a Alemanha, o Reino Unido e o Japão, mas que têm forte industrialização e economia nos padrões atuais, dependerão cada vez mais da 4 oferta de biomassa para permanecerem fortes com o crescimento da bioeconomia. Estes países sinalizam o desejo de estabelecer parcerias com países como o Brasil, considerados como potenciais fornecedores de biomassa para combustíveis e energia, para se manterem fortes economicamente. TEMA 2 – GESTÃO DA BIOMASSA E ENERGIA ELÉTRICA Como visto anteriormente, a geração de eletricidade a partir da biomassa se dá por termoelétricas. Nelas, a queima da biomassa gera energia térmica, que é transferida diretamente pelo aquecimento do ar, ou indiretamente, em caldeiras, pelo aquecimento da água que se converterá em vapor. A energia térmica do ar aquecido ou do vapor é convertida, em turbinas, para energia mecânica. Esta energia mecânica, por sua vez, por sistemas de turbinas acopladas a eixos em geradores, é convertida em energia elétrica. Os ciclos de potência de termoelétricas que são mais usados para conversão de biomassa em energia elétrica são o Ciclo de Rankine, o Ciclo Brayton e o Ciclo Misto. O Ciclo de Rankine é o ciclo clássico de geração de energia elétrica, no qual a biomassa é queimada em uma caldeira. Nesta caldeira, que normalmente é do tipo fogo-tubular, a água se transforma em vapor. Este vapor irá movimentar uma turbina acoplada a um eixo. Este eixo é de um material ferromagnético e irá girar dentro de um gerador, dando origem a uma corrente elétrica alternada. Esta corrente segue para a um retificador, onde será convertida para a corrente contínua comercial. As biomassas que oferecem as características mais favoráveis de combustão ao Ciclo Rankine são resíduos florestais, da indústria madeireira, o bagaço de cana-de-açúcar, resíduos sólidos da agroindústria e os resíduos sólidos urbanos. 5 Figura 1 – Ciclo de Rankine No Ciclo Brayton, o ar ambiente passa pelo compressor, onde, comprimido, tem sua temperatura elevada. Este ar comprimido segue para câmaras de combustão, onde é misturado com um combustível que sofrerá combustão. Ao sair da câmara de combustão, os gases gerados pela queima do combustível, com elevada pressão e temperatura, passarão pelas palhetas de uma turbina a gás, transformando a energia térmica em mecânica. Esta turbina, acoplada a um eixo de material ferromagnético, irá girar. Novamente, este eixo irá girar dentro de um gerador, dando origem a uma corrente elétrica alternada. Esta corrente segue a um retificador, onde será convertida para a corrente contínua comercial. As biomassas que oferecem as características mais favoráveis de combustão ao Ciclo Brayton são o biogás, os combustíveis obtidos de processos de gaseificação e os biocombustíveis líquidos. 6 Figura 2 – Ciclo de Brayton com reaquecimento, aproveitando gás de combustão Créditos: BlueRingMedia/Shutterstock. O Ciclo Misto, ou Ciclo Combinado, é a combinação do Ciclo de Rankine com o Ciclo de Brayton, normalmente pela disposição de turbinas a vapor e turbinas a gás em série. Hoje, os países que mais produzem energia elétrica de biomassa são, em primeiro lugar a China, os EUA em segundo e o Brasil em terceiro. O Brasil já foi o país de maior potencial neste tipo de energia, mas, atualmente, por falta de incentivos e investimento, vem perdendoposições, chegando neste momento a ter sua terceira posição ameaçada por Cuba, que abriu este mercado para investimentos estrangeiros. Um bom exemplo de gestão da biomassa para energia elétrica a ser seguido vem do Departamento Americano de Energia (DOE), que está com o planejamento estratégico de atingir, em 2030, uma capacidade instalada de 100 GW de energia elétrica proveniente de biomassa. Para isso vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias para aumentar a eficiência termodinâmica das usinas termoelétricas e reduzir os custos de capital e geração de eletricidade. A meta a ser atingida em termos de custos é o kW instalado ficar entre US$ 770,00 e US$ 900,00 e o MWh gerado entre US$ 40,00 e US$ 50,00 (ANEEL, 2005). TEMA 3 – GESTÃO DOS BIOCOMBUSTÍVEIS ETANOL, BIODIESEL E BIOQUEROSENE DE AVIAÇÃO Dentro de uma política de transição para uma economia sustentável, que vem acontecendo desde 2007, a redução do uso de combustíveis fósseis já está estabelecida como meta, em particular na estratégia da União Europeia, que 7 prevê a substituição por combustíveis de fontes renováveis. O esforço de promover o aumento do uso de biocombustíveis demonstrou ter um potencial de estimular o crescimento do emprego e oportunidades em vários setores das indústrias, em especial da agroindústria. Segundo o relatório do CGEE (2017), a discussão e implantação de políticas públicas de suporte a bioeconomia, no caso brasileiro, pode levar a políticas industriais e de desenvolvimento econômico inéditas. Este relatório destaca que políticas de desenvolvimento e uso de biocombustíveis, comparativamente a outros países, é muito mais tangível no Brasil. Porém, especificamente para o caso do etanol e biodiesel, ainda ocorrem diversos problemas que desestimulam um maior investimento no setor, com destaque para a concorrência dos derivados do petróleo, cujos preços nas bombas de abastecimento de veículos vêm sendo mantidos artificialmente mais atrativos que os dos biocombustíveis. A falta de infraestrutura para novos biocombustíveis é outro problema, principalmente com o crescimento de veículos automotores híbridos e elétricos, em expansão nos mercados, e consequente diminuição de veículos do tipo Flex Fuel. Investimentos em novas bombas de abastecimento e de pesquisas e implementações de adaptações nos motores para veículos rodarem a biocombustíveis com um consumo menor por quilômetro rodado são caros e a perspectiva de retorno nestes investimentos em um futuro previsível é cada vez menor. Assim, torna-se necessário, por meio de incentivos e políticas voltados à bioeconomia, criar um ambiente que permita à comunidade financeira investir na construção e operação de unidades inovadoras e avançadas, de forma a superar riscos técnicos, logísticos e de mercado que ora se apresentam. Há uma expectativa de comercialização de até 65 bilhões de litros anuais de biocombustíveis até 2020, dos quais se estima que, com os devidos investimentos em tecnologias, 10 a 15 bilhões sejam de biocombustíveis de segunda geração, produzidos a partir de fibras de cana-de-açúcar, da celulose da madeira, partes não comestíveis dos vegetais e de microalgas (CGEE, 2017). Uma boa medida apresentada anteriormente seria a melhoria da política de leilão de valores excedentes de energia elétrica produzida nas plantas de biocombustíveis, que tornaria de imediato mais atraentes os investimentos em 8 plantas de produção de etanol, podendo se estender à produção de biodiesel e bioquerosene de aviação. TEMA 4 – GESTÃO DO BIOGÁS A geração de biogás é um recurso de biomassa que não pode deixar de ser explorados. Todo o foco de gestão deve estar direcionado para melhorar o conhecimento sobre ele e sobre o desenvolvimento de tecnologias para melhor explorá-lo. Para identificar e definir os principais objetivos a serem alcançados, respondendo aos seguintes questionamentos: Quais os produtos a serem gerados? Será buscada a geração e distribuição de renda? Se buscará a democratização da distribuição de energia? Haverá o tratamento de passivos ambientais? Será uma gestão da biodiversidade? Será gestão de resíduos urbanos, sejam eles sólidos ou líquidos? Para qualquer um desses casos voltados à geração do biogás, os principais desafios que hoje enfrentamos estão ligados à infraestrutura e logística, mas também à formação de pessoal qualificado para trabalhar na área e a geração de conhecimento. No caso específico da biomassa, os desafios regulatórios são muito importantes para agilizar os processos de desenvolvimento de conhecimento que resultarão na qualificação de mão de obra e desenvolvimento de tecnologias. No que se refere aos resíduos urbanos sólidos e líquidos, é importante distinguir os casos em que os desafios são políticos, regulatórios ou tecnológicos. Já no caso dos resíduos agrícolas e agroindustriais, os desafios são principalmente tecnológicos, uma vez que o Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicação (MCTIC) lançou em 2018 um Plano Estratégico no qual pretende fomentar ao menos um projeto ou chamada pública para desenvolvimento científico e tecnológico na produção de biogás e biofertilizante a partir de dejetos líquidos provenientes da agroindústria (CGEE, 2018). Segundo Maria Cândida Barbosa Nascimento, no Brasil, entre os períodos de 2004 a 2015, no qual realizou sua pesquisa, foram implementadas apenas nove usinas termoelétricas em aterros de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU), que na época geravam juntas um total de 86,3 MW de energia elétrica. Também foram implementadas duas usinas exclusivamente para a geração de biogás. Isso representa, segundo a pesquisadora, entre 7% e 20% do potencial de energia que 9 pode ser gerada pelos gases produzidos nos aterros. Analisando o potencial por regiões, apresentou nesta nota técnica que a Região Sudeste coleta mais da metade do volume total de RSU gerados no Brasil, tendo estimado este volume em 52,6%, e levantado que 73% do total deste volume de RSU é disposto em aterros sanitários. Em segundo lugar está a Região Nordeste, com coleta de cerca de quase um quarto dos RSU gerados no Brasil, tendo estimado este volume em 22,1% e levantado que 64,3% do total deste volume é depositado não só em aterros, mas também em condições inadequadas, nos lixões. No período, ou seja, até 2015, foram implantadas, nos Estados de Minas Gerais e São Paulo, seis usinas termelétricas, que totalizaram uma potência instalada de 57,1 MW de energia elétrica. Até o ano de 2016, segundo a autora, foram registrados no Brasil, 30 projetos de aproveitamento dos gases gerados em aterros de RSU, com potencial de gerar juntos 286,04 MW de energia elétrica. O Gráfico 1 mostra a estratificação desses projetos com seus potenciais percentuais do montante de energia esperado (Nascimento, 2019). Gráfico 1 – Projetos registrados para geração de energia elétrica e Biometano até 2016: (A) relação da distribuição da quantidade de projetos (%); (B) potencial de geração de energia (%) 65% 26% 6% 3% A Norte Nordeste Sul Sudeste 10 Fonte: Nascimento, 2019, p. 146. Em documento do BNDES (2018), há um destaque na consideração do biogás como um novo combustível que vem sendo fomentado no mundo, com destaque para a Alemanha e os EUA, e que deve ter programas de fomento como o RenovaBio, visando não só seu aproveitamento na geração de energia elétrica, como também uma importante fonte de combustível para o aumento da competitividade do setor agrícola e agroindustrial, pois irá substituir gradativamente o diesel, com potencial de diminuir em até 15% o consumo nacional deste combustível (BNDES, 2018). Este ponto de vista reforça o que Milanez et al (2018) afirmam, constatando que além de o biogás reduzir tanto a emissão do metano orgânico quanto do CO2 lançado na atmosfera,sua produção engloba processos comercialmente viáveis, gerando um biocombustível de excelente valor agregado, que pode ser usado tanto em geradores estacionários como em termoelétricas, para a geração de eletricidade, e também diretamente como combustível em tratores e caminhões que vêm sendo desenvolvidos para uso do biogás em substituição ao diesel. É curioso observar que neste mesmo documento, o principal componente de custo elencado para a obtenção do biogás é o da eletricidade. Segundo a Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), este custo, chamado de custo normalizado da eletricidade (levelised cost of electricity – LCOE) varia entre US$ 6/kWh e US$ 14/kWh, conforme a abundância da matéria prima. No caso de alguns países europeus como Portugal, com plantações dedicadas, o custo aumenta. No caso do Brasil, a matéria prima é barata e abundante. Com os resíduos industriais do agronegócio, da agricultura e da pecuária, este custo diminui ao ponto de inexistir, como no caso do setor 72% 17% 4% 7% B Norte Nordeste Sul Sudeste 11 sucroalcooleiro, no qual há energia elétrica excedente que é vendida nos leilões da ANEEL (BNDES, 2018). Assim, em termos de gestão, o nosso biogás se apresenta como um produto estratégico de grande valor e que merece ser considerado e impulsionado para se tornar um componente importante, e talvez protagonista, da nossa bioeconomia. TEMA 5 – GESTÃO DA BIOMASSA FLORESTAL E ENERGIA TÉRMICA. O Brasil é o maior produtor mundial de carvão vegetal, chegando à marca de 5,722 milhões de toneladas produzidas em 2018, segundo o Ministério de Minas e Energia (2019), um aumento de 10% em relação ao ano anterior, representando algo em torno de 8% da matriz energética do país. Segundo Albuquerque, a produção de carvão vegetal está entrando em um período de desenvolvimento que há décadas não acontecia, em função da evolução e aumento de exigências do mercado brasileiro, incluindo uma maior fiscalização das condições de trabalho e de produção. Embora o maior consumidor de carvão vegetal no país, a indústria siderúrgica, consuma mais de 90% de toda a produção nacional, este consumo representou, segundo o Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE), em torno de 35% da sua demanda, sendo os outros 65% supridos por carvão mineral e coque. Os principais motivos para que a indústria siderúrgica ainda consuma mais carvão mineral do que carvão vegetal são a oferta e a relação custo-benefício, devido ao seu potencial energético. Para fazer frente a isso, é preciso aumentar a produção, reduzir os custos operacionais e melhorar o potencial energético do produto, de forma sustentável e respeitando as normas de preservação ambiental (Albuquerque, 2019). O Balanço Energético Nacional de 2018 estabeleceu o consumo de carvão vegetal residencial e comercial, principalmente em churrascarias, em cerca de 677.000 toneladas. Este mercado também está cada vez mais exigente com relação não só à qualidade do produto, mas também às condições de fabricação e emissão de poluentes. Citando levantamento feito pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), Albuquerque corrobora que a região amazônica se destaca no abastecimento de madeira serrada no país, devido a sua vasta biodiversidade e pelo manejo florestal sustentável. Entre 9% e 18% em massa de resíduos são geradas durante a atividade de colheita e entre 45% e 55% de resíduos são 12 gerados no processo de beneficiamento das toras. Estes resíduos podem ser aproveitados para a produção de carvão e biogás ou diretamente para a produção de bioenergia. Assim, a Amazônia apresenta grande potencial de utilização dos resíduos do manejo florestal sustentável e do processamento industrial da madeira para abastecimento de sistemas isolados de produção de biocombustíveis e de energia. Entretanto, o autor enfatiza que, devido ao baixo nível tecnológico regional empregado na produção de carvão vegetal a partir desses resíduos, não há um controle adequado das variáveis do processo, o que diminui a eficiência da produção, prejudicando a qualidade e encarecendo o produto final, além de aumentar a emissão de particulados e gases nocivos ao meio ambiente. Novamente, fica evidenciada a necessidade de desenvolvimento de tecnologias e de novas pesquisas e implementação de técnicas que tornem esta produção mais eficiente e sustentável. Segundo Albuquerque (2019), uma variável fundamental do processo é o tempo de secagem da madeira antes do processo de carbonização. Um maior teor de umidade da madeira acarretará problemas no tempo de carbonização e de resfriamento do forno, impactando no rendimento gravimétrico do carvão e na sua qualidade final. Em função deste importante variável de processo, torna-se fundamental existir um planejamento de transporte da madeira integrado com a colheita, além de um sistema de estoque integrado entre campo e pátio, usando a rastreabilidade da madeira e estando alinhado com uma projeção de consumo das plantas. Por meio de simulações que permitam, dentro de uma variável histórica, a projeção de consumos de cada planta de carbonização, se poderá fazer a integração entre as florestas em ponto de corte e os estoques atualizados de pátio, gerando um planejamento de corte e transporte muito mais assertivo, o que evitará a ociosidade dos fornos por falta de madeira para carbonizar e permitirá que estes carbonizem madeiras mais secas, com melhor relação de tempo de carbonização e resfriamento do forno e gerando produtos de melhor qualidade rendimento gravimétrico. Uma vez equacionada esta variável, se deverá tratar do maior problema de produção de carvão vegetal de nosso país, que é o das falhas resultantes das más práticas no processo produtivo. O principal vilão deste problema é o ineficiente acompanhamento da carbonização. Segundo o autor, ainda é comum encontrar, em pequenos, médios e até grandes produtores, métodos rudimentares 13 e empíricos de acompanhamento da carbonização, como a observação da coloração da fumaça para determinar entradas de oxigênio ou vedação destas entradas em fornos de barro. O autor sugere que, por intermédio de um simples controle manual de pirometria, com treinamento dos pequenos e médios produtores, este processo seria extremamente mais eficiente. Já para os grandes produtores, um sistema supervisório com controle automático de entrada de oxigênio nos fornos, que são industriais, seria o mais indicado. Equacionado também este problema, deve ser encarado um desafio do processo de produção de carvão vegetal, que é a diminuição do tempo de resfriamento dos fornos, que chega a constituir até 65% do tempo total do processo. Melhorar este tempo significa dar maior rotatividade aos fornos e aumentar a produção. Segundo o autor, várias empresas grandes do segmento estão investindo em pesquisa e desenvolvimento de soluções para a diminuição do tempo de resfriamento dos fornos, tendo algumas já logrado êxito devido a implantação de sistemas de refrigeração por troca térmica em fornos retangulares. Porém, ainda é uma área que demanda estudos, com grandes oportunidades. Estes estudos devem focar em sistemas mais viáveis economicamente, uma vez que, mesmo para plantas de carbonização de grande porte, implementar sistemas de diminuição do tempo de resfriamento ainda é oneroso, pois a maioria das carvoarias existentes atualmente não dispõe de infraestrutura para melhorias tecnológicas e grande parte delas não possui sequer energia elétrica para instalação de compressores, ventiladores ou mesmo bombas que permitam a circulação de fluidos que auxiliem na refrigeração. A solução pode passar pela mitigação ou eliminação dos gases emitidos no processo de carbonização, que é uma exigência não mais exclusiva de órgãos ambientais, mas do próprio mercado consumidor. Atualmente, a formamais utilizada é o queimador de gases, que elimina grande parte dos gases gerados, os convertendo em gás carbônico e vapor de água, mas que tem como contraponto um aumento considerável no custo dos fornos. Para sua viabilização a melhor alternativa tem sido a complementação do sistema de queima a um sistema de geração de energia elétrica, o que tem apresentado bons resultados (Albuquerque, 2019). Assim, é possível gerar a energia necessária para controlar o resfriamento do forno e até participar em leilões de excedente de energia da ANEEL, que pode se constituir numa importante fonte de captação de recursos para as carvoarias. 14 Todas as sugestões apresentadas levam certamente a uma maior produtividade e maior qualidade do carvão vegetal, que permitirá seu avanço no mercado e uma consolidada participação na bioeconomia de nosso país. 15 REFERÊNCIAS ALBUQUERQUE, J. S. Produção de Carvão Vegetal: desafios e oportunidades. Blog INFLOR, 11 abr. 2019. Disponível em: . Acesso em: 28 ago. 2019. Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL. Atlas de Energia Elétrica. 2. ed. Brasília: ANEEL, 2005. Disponível em: . Acesso em: 28 ago. 2019. BOMTEMPO J. V.; ALVES F.; OROSKI, F. Bioeconomia em construção XII – Bioeconomia no Brasil: explorando questões-chave para uma estratégia nacional. Blog Infopetro, 10 jul. 2017. Disponível em: . Acesso em: 28 ago. 2019. 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