a04v32n3-Biomassa e energia

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Quim. Nova, Vol. 32, No. 3, 582-587, 2009
*e-mail: goldemb@iee.usp.br
Biomassa e energia
José goldemberg
Universidade de São Paulo, São Paulo - SP, Brasil
Recebido em 2/12/08; aceito em 20/2/09; publicado na web em 17/3/09
BIOMASS AND ENERGY. Biomass was the dominating source of energy for human activities until the middle 19th century, when 
coal, oil, gas and other energy sources became increasingly important but it still represents ca. 10% of the worldwide energy supply. 
The major part of biomass for energy is still “traditional biomass” used as wood and coal extracted from native forests and thus non-
sustainable, used with low efficiency for cooking and home heating, causing pollution problems. This use is largely done in rural areas 
and it is usually not supported by trading activities. There is now a strong trend to the modernization of biomass use, especially making 
alcohol from sugar cane thus replacing gasoline, or biodiesel to replace Diesel oil, beyond the production of electricity and vegetable 
coal using wood from planted forests. As recently as in 2004, sustainable “modern biomass” represented 2% of worldwide energy 
consumption. This article discusses the perspectives of the “first” and “second” technology generations for liquid fuel production, as 
well as biomass gaseification to make electricity or syngas that is in turn used in the Fischer-Tropsch process.
Keywords: biomass; energy.
inTroDUÇÃo
A produção de energia no século 20 foi dominada por combus-
tíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) que representavam ainda no 
início do século 21, cerca de 80% de toda a energia produzida no 
mundo.1
Além dos combustíveis fósseis, energia nuclear e energia 
hidroelétrica tinham pequenas participações, bem como as novas 
fontes renováveis de energia (solar, eólica, geotérmica e pequenas 
centrais hidroelétricas) que são as mais atraentes do ponto de vista 
ambiental, mas que lamentavelmente representavam apenas 1,5% da 
produção mundial. No total todas estas fontes representavam 10% 
da produção de energia. Os outros 10% se originam na biomassa: 
8,40% sob a forma de biomassa tradicional usada de forma primitiva, 
não sustentável, pelas populações carentes da África, Ásia e parte da 
América Latina, que derrubam as árvores para aquecer ambientes e 
cozinhar. Os restantes 1,91% eram usados como formas modernas 
de energia, quer gerando eletricidade ou produzindo carvão vegetal 
para a indústria siderúrgica quer produzindo etanol, um excelente 
combustível com octanagem maior do que a gasolina, sem as suas 
impurezas como particulados e óxidos de enxofre.
A fração da biomassa usada em diferentes regiões do mundo varia 
muito, desde 2% nos países da OCDE até 60% em certas regiões da 
África (Figura 2).
Em 1850, biomassa representava 85% do consumo mundial de 
energia e, mais ainda, antes disso era praticamente a única forma de 
energia usada pelo homem, além da força dos ventos (para navega-
ção), animais domesticados (na agricultura) e pequenas quantidades 
de carvão para aquecimento residencial.
Com a Revolução Industrial que se iniciou com o uso das má-
quinas a vapor no fim do século 18, a importância do carvão, que 
era pequena, usado principalmente para aquecimento residencial, 
aumentou para 15% em 1850 e cresceu rapidamente para 50% no 
fim do século 19.3 A Figura 3 mostra duas das projeções existentes 
indicando também a importância crescente da energia solar e o de-
clínio da contribuição das fontes fósseis de energia.
Daí para frente petróleo e gás se tornaram dominantes. Há duas 
explicações para isso: em primeiro lugar, líquidos como petróleo e 
gás eram mais fáceis de transportar e deram origem a novas formas 
de utilização de combustíveis, como motores de combustão interna 
(ciclos Otto ou Diesel). Além disso, o uso de biomassa na forma 
primitiva e freqüentemente predatória com que era usada causava 
desmatamento e degradação do solo é, portanto, desaconselhável. 
Por essa razão tornou-se conhecido como o combustível dos mais 
pobres e subdesenvolvidos. O que ocorreu, contudo é que, a partir 
das últimas décadas do século 20, a “biomassa moderna” começou 
a representar uma contribuição crescente e está, portanto, em plena 
recuperação.
As projeções para o futuro indicam que a importância da biomassa 
aumentará muito, chegando a representar no fim do século 21 de 10 
a 20% de toda a energia usada pela humanidade. 
Usos moDernos Da Biomassa
Existe um grande número de tecnologias de conversão energé-
tica da biomassa, adequadas para aplicações em pequena e grande 
Figura 1. Oferta de energia primária no Brasil em 20042
Biomassa e energia 583Vol. 32, No. 3
escalas. Elas incluem gaseificação, métodos de produção de calor e 
eletricidade (cogeração), recuperação de energia de resíduos sólidos 
urbanos e gás de aterros sanitários além dos biocombustíveis para 
o setor de transportes (etanol e biodiesel). O recente interesse na 
energia da biomassa tem dado ênfase em aplicações que produzem 
combustíveis líquidos para o setor de transportes. (biocombustíveis). 
A Figura 4 descreve as etapas do processamento do bioetanol de 
primeira e segunda gerações.
A Figura 5 esquematiza os diversos caminhos existentes para 
a produção de biocombustíveis. Dadas as crescentes preocupações 
quanto ao futuro da oferta global de petróleo e a de outras opções de 
combustível disponíveis para o setor de transportes, tais combustíveis 
representam a melhor das opções de uso da energia de biomassa. 
De todas as opções disponíveis, o etanol da cana-de-açúcar é o 
maior sucesso comercial dos combustíveis de biomassa em produção 
atualmente. O etanol da cana-de-açúcar possui balanço energético 
positivo e tem sido beneficiado pelo apoio de políticas governamen-
tais em vários países, inclusive no Brasil, que atualmente abastece 
aproximadamente 40% do combustível para veículos de passageiros 
(um terço da sua demanda total de energia para transporte) com etanol 
Figura 2. Fração da biomassa usada em diferentes regiões do mundo3
Figura 3. Participação da energia primária, 1850-1990 e cenários para 21003
Goldemberg584 Quim. Nova
da cana-de-açúcar.2,6 O balanço energético para a produção de etanol 
a partir de vários produtos agrícolas é dado na Figura 6.
Globalmente, existem oportunidades para expandir a produção 
de etanol da cana-de-açúcar: quase 100 países produzem cana-de-
açúcar e as tecnologias de conversão são disponíveis. Além disso, a 
experiência brasileira sugere que os impactos ambientais adversos 
associados com a produção em larga-escala de etanol da cana-de-
açúcar podem ser significantemente mitigados.10 O etanol também 
está sendo produzido em escala comercial a partir do milho nos 
Estados Unidos, o qual subsidiou sua produção por muitos anos e 
mais recentemente adotou outro tipo de combustível de transporte 
baseado na biomassa – o biodiesel – que tornou-se comercialmente 
disponível recentemente, como um resultado de programas na Europa 
e América do Norte. No entanto, essa opção oferece limitado poten-
cial de redução de custos de produção e sua viabilidade é passível 
de continuar dependendo de incentivos externos, como subsídios 
agrícolas. Além disso, adesão às especificações do combustível e 
efetivo controle de qualidade são fatores importantes para garantir 
a viabilidade comercial do biodiesel. Avanços tecnológicos recentes 
têm envolvido esforços para diversificar a cadeia de fornecimento 
de biodiesel através, por exemplo, do uso do bioetanol ao invés do 
metanol do carvão mineral como matéria-prima.
A energia do biogás da degradação anaeróbica em aterros sani-
tários, estações de tratamento de esgoto, e terrenos de tratamento de 
estrume é considerada uma opção de baixo custo, uma vez que pode 
se beneficiar de créditos de carbono disponíveis através do Mecanis-
mo de Desenvolvimento Limpo(MDL). Essa forma de energia de 
biomassa não só substitui a combustão de combustíveis fósseis, mas 
reduz as emissões de metano, um gás de efeito-estufa mais potente 
do que o dióxido de carbono. 
Tecnologias de conversão de biomassa para formas utilizáveis 
comercialmente variam em termos de escala, qualidade do combus-
tível e custo. Tecnologias de larga-escala que já estão no mercado 
incluem combustão em leito fixo, leitos fluidizados, combustão e 
co-combustão de carvão e biomassa, recuperação de resíduos sólidos 
urbanos assim como diversos tipos de sistemas para gaseificação, 
pirólise, etc. Muitas dessas tecnologias não estão disponíveis comer-
cialmente ainda em países em desenvolvimento.
o FUTUro Da Biomassa moDerna
Assim como outras opções de energia renovável, o potencial 
teórico para a energia da biomassa é enorme. Dos aproximadamente 
100.000 Terawatts de fluxo de energia solar que atingem a superfície 
da Terra, cerca de 4.000 Terawatts atingem os 1,5 bilhões de hectares 
de plantações existentes no mundo. Admitindo que as tecnologias 
de biomassa moderna possam atingir uma eficiência da conversão 
energética de 1%, essas plantações poderiam, em teoria, produzir 40 
Terawatts de fluxo de energia, ou mais de 3 vezes o atual fluxo de 
abastecimento global de energia primária de 14 Terawatts. Essa com-
paração não tem a intenção de sugerir que todas as terras cultiváveis 
deveriam ser usadas para a produção de energia, mas somente para 
ilustrar que há espaço para uma expansão significativa da contribui-
ção energética da biomassa moderna, dado que essa contribuição foi 
estimada em somente 0,17 Gigawatts em 2003.11,12
Há numerosas áreas em países em desenvolvimento onde o uso de 
matéria-prima de biocombustíveis melhorados, pode ser substituído 
pela atual utilização de plantas nativas. O uso eficaz dessas novas 
matérias-primas de biomassa para a co-produção local de aqueci-
mento, eletricidade e combustível de transporte também teria um 
impacto profundo na capacidade das populações rurais de acessar 
formas de energia modernas e mais limpas. Soluções energéticas 
que podem ser desenvolvidas com investimento modesto de capital 
serão um elemento crucial de uma efetiva estratégia energética. 
Também será crucial – como parte de qualquer expansão em larga-
escala da produção da energia de biomassa – gerenciar as demandas 
competitivas de produção de alimentos e preservação ambiental. Nas 
Figura 4. Etapas do processamento do bioetanol de primeira e segunda 
geração4
Figura 5. Vias potenciais para a produção de biocombustíveis5
Nota: A atual produção de biocombustíveis através de matéria-prima de 
biomassa de lignocelulose – incluindo a biomassa cultivada para produção 
de energia e resíduos orgânicos (e.g., palha de arroz e trigo, resíduos de 
madeira) – procede através de um processo de pré-tratamento que separa 
a lignina da longa cadeia de açúcares (celulose e hemicelulose), com a 
despolimerização em açúcar simples, e, finalmente, fermentação em álcool. 
Caminhos alternativos que estão sendo explorados incluem a possível combi-
nação do pré-tratamento, despolimerização e fermentação num só processo. 
Um caminho alternativo envolve a conversão da biomassa em gás sintético 
(mistura de monóxido de carbono e hidrogênio), o qual é, então, convertido 
em combustível hidrocarboneto. A produção industrial de biocombustíveis 
via micróbios, como a alga ou bactéria, é outra possibilidade
Figura 6. Balanço energético do etanol produzido a partir de diferentes 
matérias-primas7-9
Nota: *baseado em dados teóricos, tecnologia em desenvolvimento
Biomassa e energia 585Vol. 32, No. 3
áreas onde a base dos recursos for suficiente para sustentar ambos, 
alimentos e produção de energia, ou em casos onde é possível fazer 
uso complementar das mesmas matérias-primas (ex., usando resíduos 
de produção de alimentos para produção de energia), as restrições ao 
uso de terra podem não ser um problema grave. 
Em outras áreas, entretanto, o potencial para produção de energia 
para deslocar a produção de alimentos pode gerar preocupações – 
especialmente se a produção de alimentos serve a população local, 
enquanto a produção de energia é prioritariamente para exportação. 
Este pode ser o caso em vários países em desenvolvimento, em par-
ticular no estado de São Paulo, onde a expansão das plantações de 
cana-de-açúcar para produção de etanol poderia reduzir a produção de 
alimentos. Na prática isto não ocorre porque a expansão no estado tem 
ocorrido em pastagens degradadas.13 Exemplo desta situação ocorreu 
quando um forte aumento nos preços de milho devido, em parte, à 
expansão rápida de demanda por etanol de milho nos Estados Unidos, 
provocou protestos e distúrbios no México, no início de 2007.
Algumas das mais promissoras oportunidades para solucionar 
estes conflitos e expandir a contribuição energética da biomassa 
moderna envolvem avanços de vanguarda nas ciências biológicas e 
químicas, inclusive o desenvolvimento de plantios designados para 
produção de energia e a simulação artificial de processos biológicos 
naturais, tais como a fotossíntese. Descobertas nas novas fronteiras 
da pesquisa de energia da biomassa, em qualquer das muitas áreas de 
pesquisa descritas no Quadro 1, poderiam ter profundas implicações 
para o futuro do uso da energia de biomassa. Como outras opções 
para o uso de recursos renováveis, a magnitude da contribuição da 
biomassa dependerá de quanto progresso poderá ser alcançado em 
áreas-chave como: redução de custos; mitigação de impactos am-
bientais, uso da água, produtos químicos (pesticidas ou fertilizantes), 
perdas na biodiversidade; e minimização da pressão em recursos 
escassos do solo em termos de requisitos competitivos para produção 
de alimentos e fibras e preservação do habitat.
Soluções que simultaneamente se proponham a remover todos 
esses obstáculos envolvem expandir a disponibilidade de solo para 
a produção de energia; integrar o desenvolvimento da energia de 
biomassa com as práticas agrícolas e florestais sustentáveis; melhorar 
a produtividade de plantios com consideração ao solo, à água e ao 
uso de nutrientes; e desenvolver tecnologias de produção avançada 
e conversão. Biocombustíveis produzidos da lignocelulose, em 
preferência ao amido, aparentam ser mais promissoras, tanto em 
termos de minimizar potenciais conflitos entre produção alimentícia 
e energética e em termos de maximizar os benefícios ambientais 
(inclusive a redução de gases do efeito estufa) relativos ao uso de 
combustíveis fósseis.
Significativos avanços têm sido alcançados mundialmente com 
relação à produtividade agrícola. Entre 1950 e 1999, as áreas usadas 
para plantio de cereal aumentaram 17%. Durante esse tempo, a pro-
dutividade da safra de cereais subiu 183%.14 A introdução de novas 
variedades de espécies diversificou as culturas de plantio, permitindo 
uma colheita eficaz em diferentes tipos de solos, climas e condições 
de água e também melhores safras.
Para dar um exemplo, a União Européia e os Estados Unidos 
estão realizando grandes esforços em Pesquisa e Desenvolvimento 
(P&D) para melhorar a competitividade dos custos da produção 
comercial do etanol. Os esforços atuais estão focados em promover 
a recuperação eficaz de açúcares através da hidrólise de frações 
de celulose e hemicelulose da biomassa, assim como uma melhor 
fermentação do açúcar.12 
Com o crescente aumento dos preços de óleo e gás natural, e 
com os novos incentivos gerados pela emergência do mercado de 
carbono, o gás de aterros sanitários, bagaço da cana-de-açúcar, 
biodiesel, madeira de reflorestamento, e esquemas resíduo-energia 
estão também se tornando opções atrativas. Baseado nas atuais ten-
dências no desenvolvimento tecnológico, espera-se que os custos de 
recuperação da energia de biomassa se reduzam em até dois terços 
em 20anos.12
O progresso no desenvolvimento de alternativas para a energia 
de biomassa, além de aliviar a pressão em recursos finitos de com-
bustíveis fósseis, pode reduzir os custos de mitigação de emissões de 
carbono. O etanol de cana-de-açúcar, por exemplo, tem um balanço 
energético positivo de oito para um, e um custo aproximadamente nulo 
de mitigação de carbono. Como uma tecnologia que evita emissões de 
gases de efeito-estufa, o bioetanol poderia, em breve, alcançar custos 
negativos conforme se torna mais barato do que a gasolina – mesmo 
sem subsídios governamentais – em alguns mercados. 
Por outro lado, muito do etanol e do biodiesel produzidos comer-
cialmente nos países OCDE têm, atualmente, custos de mitigação de 
carbono na faixa de US$60-400 por tonelada de dióxido de carbono 
no ciclo de vida que englobe todo o processo.5 O uso de fertilizantes 
no cultivo da biomassa, por exemplo, pode produzir emissões de 
óxido nitroso, um gás de efeito-estufa extremamente potente – o 
que reduziria os benefícios climáticos decorrentes do uso do pe-
tróleo. Da mesma forma, a conversão da biomassa em combustível 
líquido requer energia e – dependendo da eficiência do processo de 
conversão e das fontes energéticas usadas – pode também produzir 
significantes emissões reduzindo os benefícios que adviriam do seu 
uso. Melhorar o desempenho dos combustíveis de biomassa no que 
se refere à mitigação das mudanças climáticas depende, então, da 
redução desses aportes de energia.
O interesse está também crescendo no desenvolvimento de siste-
mas integrados que permitiriam a co-produção de matéria-prima ener-
gética com outro produto agrícola, como meio de atingir economias 
significativas no custo e benefícios ambientais. Por exemplo, a pro-
dução de biodiesel pode fazer sentido somente se utilizadas sementes 
não comestíveis (por ambos, humanos e animais) como matéria-prima 
ou se puder ser feita com o cultivo de alimento animal.
Outros exemplos potencialmente promissores de sistemas inte-
grados envolvem processos de gaseificação que poderiam permitir a 
co-produção de múltiplos produtos, inclusive de eletricidade, com-
bustíveis líquidos de transporte e produtos químicos. Tecnologias 
de gaseificação podem ser usadas com diversas matérias-primas, 
incluindo carvão mineral e uma ampla gama de materiais orgânicos. 
Em geral, o processo envolve a produção de gás sintético (composto 
primeiramente de monóxido de carbono e hidrogênio) de qualquer 
carbono – e hidrogênio; o gás sintético pode então ser usado para di-
rigir turbinas de alta eficiência e como matéria-prima para manufatura 
de uma variedade de produtos químicos sintéticos ou combustíveis.
A tecnologia de gaseificação em pequena escala pode eventual-
mente emergir como uma opção promissora para melhorar o acesso 
à energia em áreas isoladas. Por enquanto, o mais importante uso de 
recursos de biomassa disponíveis localmente pode estar no seu uso 
conjunto com modernas tecnologias de combustão como substituto 
ao óleo diesel, o qual é, agora, comumente usado em motores a diesel 
antigos e ineficazes. 
A indústria da biotecnologia atualmente está começando a inves-
tigar processos de produção mais avançados do que as opções atuais, 
como hidrólise do etanol e fermentação, enzimas de biodiesel, maior 
fixação de carbono nas raízes, e recuperação melhorada de óleo.8 
Avanços na engenharia genética já permitem o desenvolvimento 
de estirpes de resistência a doenças para as safras que são viáveis 
no ambiente (como solos degradados) que eram antes considerados 
inadequados para cultivos, assim como para safras que exigem menos 
insumos químicos e água. Novas tecnologias de alto nível em desen-
volvimento incluem técnicas de bioprocessamento de lignocelulose 
que permitiriam a co-produção de combustíveis e produtos químicos 
Goldemberg586 Quim. Nova
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Biomassa e energia 587Vol. 32, No. 3
nas biorefinarias, incluindo modificações genéticas para a obtenção 
de matérias-primas de biomassa além de facilitar a aplicação de 
tecnologias de processo que poderiam alcançar 70-90 por cento de 
eficiência na conversão energética.
FronTeiras na ProDUÇÃo De BioComBUsTÍVeis
Atualmente, a indústria de biocombustíveis é baseada essencial-
mente na produção de etanol através da fermentação de açúcares ou 
amidos e na produção de biodiesel derivado de óleos vegetais. O uso 
de materiais de biomassa de lignocelulose (de madeira ou fibroso) – 
em contraste aos açúcares e amidos – tem, entretanto, maior potencial 
para maximização da eficiência de conversão de luz solar, água e 
nutrientes em biocombustíveis.
Plantas perenes, como as gramíneas ou árvores de rápido cresci-
mento são particularmente atrativas para a produção em larga-escala 
de biocombustíveis sustentáveis, por diversas razões: não requerem 
lavra por aproximadamente 10-15 anos após o primeiro plantio; 
raízes de longa vida podem ser desenvolvidas para estabelecer inte-
rações simbióticas com bactérias para fixar nitrogênio e nutrientes 
minerais, resultando em uma menor perda de nitratos e erosão do 
solo. Algumas espécies perenes retiram uma fração substancial de 
nutrientes minerais de porções de plantas da superfície. Gramíneas 
selvagens como miscanthus têm produzido até 65 toneladas secas por 
hectare (suficiente para produzir 24.600 litros de etanol por hectare) 
em solos não irrigados e não fertilizados, nos Estados Unidos. Isso é 
aproximadamente cinco vezes maior do que a produtividade comum 
do açúcar de beterraba ou matéria-prima de amido, como o milho. 
Em geral, o rendimento de biodiesel da maioria das matérias-primas 
– exceto óleo de dendê – é menor. Os atuais métodos de produção 
de etanol de matéria-prima celulósica procedem em três etapas: 
pré-tratamento termoquímico da biomassa não-preparada para fazer 
polímeros de celulose e hemicelulose complexos mais acessíveis 
ao ataque enzimático; aplicação de coquetéis enzimáticos especiais 
que hidrolisam a parede celular polissacarídea em uma mistura de 
açúcares simples; e fermentação, mediante bactéria ou levedura, para 
converter esses açúcares em etanol.
A fração rica em lignina, que é separada da celulose e da hemi-
celulose pode ser queimada para fornecer energia às biorefinarias ou 
convertida em gás de síntese e após em combustíveis pelo processo de 
Fischer-Tropsch. Os métodos atuais dependem de etapas complexas 
e intensivas no uso de energia, onde o pré-tratamento é incompatível 
com a decomposição enzimática. Como resultado, fases de neutra-
lização adicional são necessárias, adicionando ao custo total e redu-
zindo a eficácia do processo. Nas futuras biorefinarias, os processos 
de despolimerização e de fermentação podem ser consolidados em 
uma só etapa usando uma mistura de organismos na conversão da 
biomassa em etanol. Melhorias significantes na redução do uso de 
energia, custos de enzimas e no número de etapas do processo são 
também possíveis.
A aplicação de avanços de áreas de desenvolvimento rápido de 
ciência e tecnologia, como a biologia sintética e o alto rendimento 
de funcionalidades genômicas, permite prever rápidas melhoras na 
matéria-prima e na conversão da mesma em biocombustíveis. Possí-
veis áreas de pesquisa que incrementariam a produção de biomassa 
e sua conversão em combustível são listadas no Quadro 1. Materiais 
celulósicos como arroz e palha de trigo, sabugo de milho e outras 
safras e resíduos florestais podem servir de fontes de matéria-prima 
celulósica.
O desenvolvimento de micróbios fotossintéticos que produzem 
lipídios ou hidrocarbonetos também possui ótimo potencial para 
produção de biocombustíveis. Apesar de ser pouco provável que 
a produção agrícola de biomassa utilizável exceda a eficiência de 
conversão solar de 1-2%, algas podem converter energia solar a 
eficiências que excedem 10%.
A combinação de processos microbiais anaeróbios e aeróbios 
pode ser separadamente otimizada, para que o precursor de um com-
bustível possa ser produzido em um ambiente anaeróbico e o produto 
final em um ambiente aeróbico. O cultivo de algas teria a vantagem 
de alta eficiência mas a produção desses microorganismos poderá 
requerer uma infra-estrutura de alto custo de capital.
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