Atualmente, a cultura da cana alcança quase todos os estados brasileiros e ocupa cerca de 9% da superfície agrícola do país, sendo o terceiro cultivo mais importante em superfície ocupada, depois da soja e do milho. Em 2008, a área colhida foi da ordem de 7,29 milhões de hectares, para uma área plantada de mais de 8,36 milhões de hectares e produção total de 558,1 milhões de toneladas (MAPA, 2008).

A cultura da cana-de-açúcar no Brasil apresenta tradicionalmente dois períodos distintos de colheita, variando de acordo com o regime de chuvas, para otimização de operações de corte e transporte, bem como melhor ponto de maturação da cana. Na região Norte-Nordeste a safra vai de setembro a março, e na região Centro-Sul, de maio a novembro (BNDES, 2008).

A região produtora de maior destaque é a Centro-Sul-Sudeste, com mais de 85% da produção, e o maior produtor nacional é o Estado de São Paulo, com cerca de 60% da produção.

O setor sucroalcooleiro brasileiro conta com 387 usinas em operação cadastradas no Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA, 2008; posição em 15/05/2008) sendo que destas, 79 se encontram na região Norte-Nordeste e as outras 308 se concentram na região Centro-Sul.

Quanto ao perfil de produção, as usinas brasileiras podem ser classificadas em três tipos de instalações: as usinas açucareiras, que produzem exclusivamente açúcar; as usinas de açúcar com destilarias anexas, que produzem açúcar e etanol; e as instalações que só produzem etanol, chamadas destilarias autônomas. A grande maioria das instalações é formada por usinas de açúcar com destilarias anexas (por volta de 60%), seguidas por um considerável montante de destilarias autônomas (aproximadamente 35%) e por algumas unidades de processamento exclusivo de açúcar (os 5% restantes) (BNDES, 2008).
 

Para a produção de etanol de segunda geração, está sendo desenvolvida a tecnologia de produção a partir do bagaço e palha de cana. Por enquanto não há plantas operando em escala comercial, apesar de existirem unidades demonstrativas e pilotos pelo mundo. Esta tecnologia promete revolucionar o setor, fazendo com que haja uma maior produção de biocombustível por uma mesma unidade de cana plantada.

O processo consiste na degradação das fibras do bagaço ou palha de cana-de-açúcar por meio de processos ácidos ou enzimáticos. A partir dessa quebra em unidades menores de açúcares, a fermentação propicia a produção de etanol.

Há diversos entraves ainda a serem enfrentados por essa tecnologia, porém espera-se que além da matéria-prima de cana de açúcar, outros materiais lignocelulósicos também sejam utilizados para produção de etanol, aumentando a eficiência do processo e favorecendo a dispersão da biomassa em diferentes regiões para fins energéticos.

Biodiesel

O biodiesel é um combustível que pode ser produzido a partir de uma série de matérias-primas (óleos vegetais diversos, gordura animal, óleo de fritura) através dos processos de transesterificação e craqueamento. O processo que tem apresentado resultados técnico-econômicos mais satisfatórios é a transesterificação, no qual ocorre uma reação entre o óleo vegetal e um álcool (metílico ou etílico), na presença de um catalisador, e cujos produtos são um éster de ácido graxo (biodiesel) e glicerina.

A utilização do biodiesel é bastante difundida, principalmente na Europa. Nestes países, o biodiesel é produzido principalmente a partir da reação de transesterificação entre o óleo de canola e o metanol (derivado do gás natural ou petróleo) (NOGUEIRA; MACEDO, 2005).

O Brasil está entre os maiores produtores e consumidores de biodiesel do mundo, com uma produção anual, em 2008, de 1,2 bilhões de litros e uma capacidade instalada, em janeiro de 2009, para 3,7 bilhões de litros (ANP, 2009).

A utilização do biodiesel, em substituição ao diesel, promove a redução da maioria das emissões causadas por este combustível fóssil. A exceção se dá nos óxidos de nitrogênio, poluente de particular importância por ser um dos precursores do ozônio troposférico. Outra característica importante é a ausência de enxofre no biodiesel, colaborando para a redução das emissões de SOx causadas pelo diesel, em particular o diesel brasileiro, cujo teor de enxofre é bastante elevado (NOGUEIRA; MACEDO, 2005).

Segundo Ramos et al. (2003) e Ramos & Wilhelm (2005), dentre as fontes de biomassa mais adequadas e disponíveis para a consolidação de programas de energia renovável, os óleos vegetais têm sido investigados não só pelas suas propriedades, mas também por representarem alternativa para a geração descentralizada de energia, atuando como forte apoio à agricultura familiar, criando melhores condições de vida (infraestrutura) em regiões carentes, valorizando potencialidades regionais e oferecendo alternativas a problemas econômicos e sócio-ambientais de difícil solução (CAMARA, 2006).

No caso brasileiro, são utilizados óleos vegetais de diversas oleaginosas, conforme as espécies produzidas em cada região, por exemplo: óleo de palma na região Norte, óleo de mamona na região Nordeste, óleo de soja na região Centro-Oeste.

Segundo Saad et al. (2006), nem todo óleo vegetal pode ou deve ser utilizado como matéria-prima para a produção de biodiesel. Isso porque alguns óleos vegetais apresentam propriedades inadequadas que podem ser transferidas para o biocombustível, tornando-o inadequado para uso direto em motores do ciclo diesel. Exemplos: a) uma propriedade indesejada é o alto índice de iodo, que torna o biodiesel mais susceptível à oxidação e inadequado para uso direto em motores do ciclo diesel; b) viscosidades muito altas são tecnicamente indesejáveis; por exemplo, o óleo de mamona é muito viscoso (~239 mm²/s) e, por consequência, produz ésteres de viscosidade (~14 mm²/s) superior aos limites estabelecidos pela especificação do motor.

Dentre as espécies de plantas oleaginosas bem ou relativamente estudadas para a produção nacional de biodiesel, relacionam-se a soja, o girassol, a mamona, o milho, o pinhão-manso, o caroço de algodão, a canola, o babaçu, o buriti, o dendê, o amendoim, além de outras potencialmente viáveis (PARENTE, 2003; RAMOS et al., 2003).

A eficiência energética do biodiesel vem sendo estudada por diversos autores. Em estudo de Pimentel e Patzek (2005), houve a comparação da produção de biodiesel a partir de grãos de soja e girassol, sendo observado que a produção a partir do girassol tem uma perda de 54% de energia, enquanto que a produção a partir da soja apresentou perda energética menor (21%).

Em suma, a eficiência energética do biodiesel depende de fatores como gasto energético na produção e o teor de óleo dos grãos utilizados. Vários autores (FREDERIKSSON et al., 2006; JANULIS, 2004; POWLSON et al., 2005) vêm estudando o balanço energético de biocombustíveis, como etanol e biodiesel, tendo encontrado resultados variáveis para processos que utilizam a mesma matéria-prima. Nos estudos realizados pelo USDA e pelo USDE (1998), houve uma perda de 19,45% para o biodiesel produzido de soja. O sistema agrícola adotado, com maior ou menor número de operações de preparo de solo, por exemplo, é fundamental para um balanço energético favorável (SILVA e FREITAS, 2008).

Além disso, o balanço energético depende dos fatores considerados pelos autores, que pode somar à energia do biocombustível a energia contida em subprodutos, como o farelo da soja, por exemplo, o que diminui as perdas do processo. A mão-de-obra é um fator muitas vezes desconsiderado no gasto energético (SILVA e FREITAS, 2008).

De acordo com Zhang et al. (2003), um dos principais obstáculos para implementação dos programas de biodiesel é o alto custo de produção. Em geral o custo é bastante variável, pois depende principalmente da matéria-prima, do processo utilizado e local de produção do biocombustível. Com o aumento da demanda pelo biocombustível é esperado que a aumente a produção de oleaginosas, propiciando com esse ganho de escala, uma redução nos custos de produção. Porém, se a questão de competição entre produção de alimentos e combustível prevalecer, haverá a valorização da produção de grãos e aumento nos custos de produção.

Considerando os aspectos para implementação de um programa para substituição do diesel, o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) lançou em 2005 o Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel, que prevê o incentivo para a produção de combustíveis a partir de fontes renováveis. Além disso, desde 1º de julho de 2009, o óleo diesel comercializado em todo o Brasil contém 4% de biodiesel. Esta regra foi estabelecida pela Resolução nº 2/2009 do Conselho Nacional de Política Energética (CNPE), publicada no Diário Oficial da União (DOU) em 18 de maio de 2008, que aumentou de 3% para 4% o percentual obrigatório de mistura de biodiesel ao óleo diesel (ANP, 2009).

A venda de diesel B4 é obrigatória em todos os postos que revendem óleo diesel, sem haver necessidade de qualquer ajuste ou alteração nos motores e veículos que utilizem essa mistura.

Dendroenergia

O aproveitamento da madeira como fonte de energia pode ser considerado a forma mais antiga de utilização de biomassa, pois a partir dela é produzida a lenha, ainda hoje empregada para cocção e calefação.

A energia gerada empregando-se a madeira e/ou seus resíduos é denominada dendroenergia, podendo a madeira utilizada como combustível ser proveniente de florestas energéticas ou processos industriais (NOGUEIRA; LORA, 2003).

A exploração de florestas plantadas visa exclusivamente a conversão da madeira em energia. Caso a madeira seja proveniente de florestas nativas deve-se, obrigatoriamente, considerar um sistema de reflorestamento ou manejo, visando garantir a sustentabilidade do processo de exploração florestal (VARKULYA JR, 2004).

Três segmentos industriais que usam madeira podem ser destacados: serrarias, movelarias e indústrias de papel e celulose, sendo que a madeira utilizada para produção de energia deriva dos próprios processos industriais.

O setor de papel e celulose é dividido em três grupos: indústrias de papel, indústrias de celulose e indústrias integradas (fabricantes de papel e celulose). A geração de eletricidade empregando resíduos de madeira é mais acentuada nas indústrias de celulose e nas integradas, pois nestes grupos ocorre o processamento da madeira, que é a matéria para produção de celulose. Nessa unidades a produção de energia atende de 50% a 80% da demanda interna, já as unidades que fabricam apenas papel geram apenas 10% da energia consumida no processo, comprando o restante das concessionárias (VELÁZQUEZ, 2000).

A madeira aproveitada para a geração de energia deriva das cascas e aparas das árvores processadas. Ainda pode ser considerado, neste segmento, um outro tipo de biomassa denominado lixívia ou licor negro, obtido através do processo de cozimento da madeira para produção de celulose, denominado processo sulfato ou “kraft” (VELÁZQUEZ, 2000).

Analogamente ao setor sucroalcooleiro, o vapor obtido na caldeira, a partir da queima de resíduos de madeira, além de gerar eletricidade capaz de atender parte do consumo da própria indústria, também pode atender às necessidades térmicas da planta industrial.

O Brasil atualmente é o quarto maior produtor mundial de celulose, ficando atrás de EUA, China e Canadá. Os dados mais recentes indicam, devido aos investimentos feitos nos últimos dez anos, que de uma produção de 1,4 milhões de toneladas ao ano, em 2008 a produção brasileira foi de mais de 12 milhões de toneladas (BRACELPA, 2009).

Ainda segundo informações da BRACELPA (Associação Nacional dos Fabricantes de Celulose e Papel) o Brasil em 2008 obteve uma taxa de recuperação de papel de 45,09%, tornando-se o décimo maior reciclador de papel do mundo.

Nas serrarias e movelarias, apesar do possível aproveitamento de resíduos de madeira, constituídos por serragem e lenha, ainda não é efetiva a produção de energia elétrica. Neste segmento, o principal problema se refere à exploração predatória da floresta que, além de gerar problemas de ordem legal, também impede que sejam realizados levantamentos precisos da quantidade de resíduos obtidos e que poderiam ser usados para geração de energia.

O aproveitamento mais comum dos resíduos gerados neste segmento industrial consiste em transformar a lenha em carvão vegetal, que pode ser consumido em indústrias siderúrgicas, ou mesmo no setor residencial.
 

O carvão vegetal é a transformação de biomassa, por exemplo a lenha, em fornos ou reatores pelo processo de pirólise ou carbonização. O carvão vegetal quando produzido de forma sustentável, a partir de lenha de reflorestamento ou resíduos agro-industriais, é um combustível renovável.

No Brasil, este combustível já é produzido há cerca de 400 anos; sua produção só atingiu a maturidade na década de 1960. A produção de carvão vegetal atingiu seu ápice em 1989, quando foram produzidos 44,8 milhões de metros cúbicos; após essa data, a produção vem apresentando quedas constantes, com uma produção de 25,4 milhões de metros cúbicos em 2000.

O carvão vegetal é mais calórico do que a lenha e, quando queimado, libera menos fumaça. As tecnologias de carbonização sofreram muitos avanços. O processo de produção do carvão vegetal ocorre em altas temperaturas, na faixa de 450 a 600ºC na ausência de oxigênio.

Nestas condições, a biomassa, em vez de entrar em combustão, sofre carbonização pela eliminação da fumaça, que nada mais é do que materiais voláteis e água eliminados na forma de vapores e gases.

No início, o carvão vegetal era produzido apenas em um amontoado de lenha coberto com terra no qual se ateava fogo e, após o resfriamento, coletava-se a massa negra remanescente para o uso na cocção, calefação e iluminação doméstica. Atualmente, usam-se fornos de alvenaria com concepção mais moderna, capazes de aumentar o rendimento em carvão e produzir mais carvão vegetal com uma mesma massa de lenha enfornada. Os fornos têm diversos formatos. Os mais rudimentares são em forma de cúpula, outros são cilíndricos com o teto em cúpula e existem ainda os grandes fornos retangulares de grande capacidade de produção.

Os dois fornos mais comuns no Brasil são o forno rabo-quente, construído de tijolos comuns, geralmente sem chaminé com uma porta e volume efetivo de 4,5 e 250 toneladas de madeira com diâmetro de 3 a 7 metros, e o forno superfície ou colmeia, também construído com tijolos comuns, possui de 1 a 6 chaminés, uma ou duas portas e capacidade entre 17,5 e 75 toneladas de madeira. Nesses fornos a carbonização da madeira é simétrica, o custo de construção é baixo e podem ser construídos próximo às florestas; entretanto, não é possível controlar a temperatura e a concentração de oxigênio (ROSILLO-CALLE; BEZZON 2005).

Existem também os fornos retangulares, nos quais os caminhões podem entrar para carregar e descarregar madeira e carvão, possibilitando maior controle da temperatura e aumentando o rendimento de carvão vegetal e derivados. Estes fornos foram testados por algumas empresas no Brasil (ACESITA e MAFLA) e os resultados apontaram redução nos custos de produção entre 7% e 15%, além de maiores eficiências, devido aos grandes volumes e qualidade equivalente ou superior, que podem ser produzidos em cada batelada.

No entanto, a maior parte do carvão vegetal brasileiro ainda é produzida em fornos redondos, principalmente devido aos custos iniciais de produção, que compensam a baixa produtividade. Contudo, ainda existe uma perspectiva favorável de substituição de fornos convencionais por retangulares nas principais empresas fabricantes de carvão vegetal (ROSILLO-CALLE; BEZZON 2005).

Biogás

O biogás é uma mistura gasosa rica em metano. O metano é o componente predominante no gás natural combustível, hoje importado da Bolívia pelo Brasil e usado para geração de eletricidade, abastecimento de veículos automotores, geração de calor em indústrias e abastecimento doméstico e comercial em substituição ao GLP (gás liquefeito de petróleo).

O biogás é formado a partir da degradação da matéria orgânica. Sua produção é possível a partir da reação de uma grande variedade de resíduos orgânicos como lixo doméstico, resíduos de atividades agrícolas e pecuárias, lodo de esgoto, entre outros.

O potencial energético do biogás varia em função da presença de metano em sua composição: quanto mais metano, mais rico é o biogás. Tipicamente o biogás é composto por 60% de metano, 35% de dióxido de carbono e 5% de uma mistura de outros gases como hidrogênio, nitrogênio, gás sulfídrico, monóxido de carbono, amônia, oxigênio e aminas voláteis. Dependendo da eficiência do processo, o biogás chega a conter entre 40% e 80% de metano (PECORA, 2006).

Segundo Alves (2000), a presença de substâncias não combustíveis no biogás (água, dióxido de carbono) prejudica o processo de queima tornando-o menos eficiente. Estas substâncias entram com o combustível no processo de combustão e absorvem parte da energia gerada. O poder calorífico do biogás se torna menor à medida que se eleva a concentração das impurezas.

A formação de biogás pode ocorre em aterros sanitários, estações de tratamento anaeróbio de efluentes ou digestores de resíduos rurais. Nestes locais, a matéria orgânica presente nos resíduos é degradada, em uma atmosfera sem oxigênio, por bactérias anaeróbias que, aliando outras condições favoráveis como temperatura, umidade e pH, produzem naturalmente o biogás.

O biogás, até pouco tempo, era considerado como um subproduto obtido por meio da decomposição da matéria orgânica. Porém, a alta dos preços dos combustíveis convencionais e o crescente desenvolvimento econômico vem estimulando pesquisas de fontes renováveis para produção de energia tentando criar, deste modo, novas formas de produção energética que possibilitem a redução da utilização dos recursos naturais esgotáveis.

A conversão energética do biogás pode ser apresentada como uma solução para o grande volume de resíduos produzidos por atividades agrícolas e pecuárias, destilarias, tratamento de esgotos domésticos e aterros sanitários, visto que reduz o potencial tóxico das emissões de metano ao mesmo tempo em que produz energia elétrica, agregando, desta forma, ganho ambiental e redução de custos (COSTA, 2002).

O biogás pode substituir outros combustíveis utilizados na indústria. Como pode ser verificado na Tabela 6.1, com 1Nm³ de biogás obtem-se a energia equivalente à de 1,5 kg de lenha ou 0,74 kg de carvão mineral, por exemplo.

Figura 6.1. Equivalência de 1Nm³ de biogás em relação a outros combustíveis.

Fonte: CARDOSO FILHO, 2001.

Visto que é uma fonte primária de energia, o biogás pode ser utilizado para iluminação de residências, aquecimento de água, além de aquecimento de caldeiras e fornos em usos industriais. O biogás não é tóxico, porém atua sobre o organismo humano diluindo o oxigênio, o que pode provocar morte por asfixia. Não é solúvel em água e sua combustão não libera resíduos (LIMA, 2005).
 

A geração de energia elétrica com biogás pode ser feita com grupos moto-geradores semelhantes àqueles conhecidos comercialmente, através de motores de combustão interna a diesel, gasolina ou gás ou turbinas a gás, todos adaptados para queimar biogás.

Uma das barreiras para a recuperação da energia do biogás foi a necessidade de grandes quantidades de resíduos, gerando grandes quantidades de biogás para alimentar máquinas com potências maiores, em geral a partir de 500 kW. Entretanto, recentemente foi introduzida no mercado norte-americano a tecnologia de microturbinas, equipamentos fornecidos com potências para escalas inferiores a 100 kW e já disponíveis para utilização de biogás.

Nesta faixa de potência estão 24% da população dos municípios (entre 50 mil e 230 mil habitantes), representando cerca de 150 MW de potência descentralizada. Podem ser encontradas instalações para geração de energia elétrica por microturbinas alimentadas por com biogás nos EUA já neste ano de 2001. O pequeno porte destes sistemas aumenta a flexibilidade da operação, possibilitando a geração de energia em pequenas localidades, o que amplia o espectro de localidades com potencial para a recuperação de biogás, principalmente no Brasil.
 

A geração de energia com o biogás de resíduos apresenta consequências duplamente benéficas, pois irá colaborar com a viabilidade econômica do saneamento urbano.

Uma vez que apenas aterros bem gerenciados e estações de tratamento de esgoto têm condições de implementar tal ação, essa geração de energia também servirá como incentivo ao bom gerenciamento sanitário.

A disponibilidade de biogás é imediata. Aterros bem gerenciados necessitam de poucas obras de impermeabilização e captação. Estações de tratamento de esgotos ou lodos não necessitam de praticamente nenhuma adaptação. As necessárias adaptações de instalações rurais podem ser executadas em poucos meses.

Considerando-se as 60.000 toneladas de lixo de lixo geradas no país por dia e a taxa de coleta de 80 %, tem-se a geração de 650.000 toneladas de metano por ano. Considerando-se o fator de 2.000 t de metano/ano.MW, pode-se estimar que o potencial de geração de energia elétrica pelos resíduos sólidos urbanos no Brasil seja de 300 a 500 MW.
 

O biogás é uma fonte de energia renovável e, portanto, sua recuperação e seu uso energético apresentam vantagens ambientais, sociais, estratégicas e tecnológicas significativas. Considerando que os lixões apresentam geração de biogás (metano) e que, sem captação/utilização, esta emissão tem impactos importantes no aquecimento global do planeta e na contaminação do lençol freático em nível regional, a utilização do biogás para geração de energia acaba por ser um forte candidato a projetos de comercialização de créditos de carbono. Tanto este fato é verdade que muitos países da União Europeia comprometidos com a redução das emissões de gases efeito estufa estão investindo significativamente em projetos de geração de energia com biogás.

Uma vantagem adicional do uso do biogás é a característica de descentralização na geração, ou seja, todo adensamento populacional é também um centro importador de energia e a recuperação do biogás permite a redução dessa necessidade de importação.

A tecnologia da digestão anaeróbia foi trazida para o Brasil com a crise do petróleo na década de 1970. Diversos programas de difusão foram implantados no nordeste, porém os resultados não foram satisfatórios e os benefícios obtidos não foram suficientes para dar continuidade ao programa (COELHO et al., 2001).

De acordo com Pecora (2006), com o choque do petróleo, diversos países buscaram alternativas para sua substituição, acarretando em um grande impulso na recuperação de energia gerada pelos processos de tratamento anaeróbio. Porém, as soluções para os problemas de desenvolvimento devem ser apropriadas às necessidades, capacidades e recursos humanos, recursos financeiros e cultura. Deste modo, o impulso recebido durante a crise não chegou a substituir os recursos não renováveis por fontes renováveis.