Como andam os biocombustíveis avançados?

Biocombustíveis sempre foram um tema polêmico quanto ao seu real impacto na sustentabilidade. Não são poucos os estudos que contestam a eficácia dos biocombustíveis quanto às reduções de gases de efeito estufa ou que os acusam de elevar os preços dos alimentos. Inclusive a produção brasileira de etanol de cana, considerada uma das mais eficientes do mundo, é contestada quanto seus benefícios, principalmente por pressionar o desmatamento no bioma de cerrado (SILVA; MIZIARA, 2011; STRASSBURG et al., 2017).

Para evitar tais questionamentos, governos e empresas têm desviado dos biocombustíveis tradicionais e optado pelo desenvolvimento dos biocombustíveis avançados, os quais não pesam dúvidas relacionados à sustentabilidade e são uma janela de oportunidade para o desenvolvimento de novas cadeias produtivas, com potencial de explorar novas matérias-primas, inclusive os resíduos, e de gerar desenvolvimento regional.

O que são os biocombustíveis avançados?

Apesar de eleito por diversas políticas como uma opção para a descarbonização nos transportes, o desenvolvimento e a produção dos biocombustíveis avançados ainda são incipientes. Inclusive, a própria definição de combustível avançado ainda não é consensual. Por exemplo, nos EUA, a Agência de Proteção Ambiental (EPA, sigla em inglês) considera como biocombustível avançado aquele capaz de reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 50% ou mais, quando comparado com o substituto fóssil [1]. Segundo a classificação, o etanol brasileiro de cana de açúcar é considerado avançado e, portanto, elegível para ser importado e cumprir as metas de misturas de combustíveis avançados que há nos EUA.

Já para a Comissão Europeia, biocombustíveis avançados são aqueles produzidos com o uso de biomassa lignocelulósica, de resíduos industriais e de culturas vegetais não alimentares ricas em celulose [2]. Eles se contrapõem aos chamados biocombustíveis tradicionais, produzidos com as tecnologias de primeira geração e com o uso de culturas alimentares, como o milho e a cana, que sofrem restrições de importação na Europa.

Percebe-se que, a depender da sua definição, um biocombustível pode ser enquadrado como avançado ou não. Este é o caso do etanol de cana brasileiro, avançado nos EUA e tradicional na Europa. Como é relevante ter clara uma definição, para este artigo, biocombustível avançado é aquele feito com o uso de matérias-primas não alimentares, sobretudo os resíduos e as culturas energéticas [3], ou produzidos com tecnologias capazes de aproveitar a biomassa de forma integral, e não apenas os açúcares facilmente extraídos. Aproximando-se assim da definição europeia.

Alguns processos de produção dos biocombustíveis avançados

Óleo Vegetal Hidrotratado (HVO, sigla em inglês)

O processo de HVO utiliza ácidos graxos e triglicerídeos, substância encontradas em óleos vegetais e em gordura animal, juntamente com hidrogênio para a produção de diesel verde, um combustível drop-in que pode substituir o diesel fóssil sem a necessidade de adaptação dos equipamentos. Outros combustíveis que podem ser produzidos por esse processo são o HEFA, o querosene e a gasolina.

A tecnologias de produção HVO são maduras, ou seja, não há grandes obstáculos tecnológicos a serem superados para a construção de plantas comerciais. Porém, a grande dificuldade é a criação de disponibilidade de matérias-primas em condições aceitáveis para o processamento. Importante frisar que, tradicionais fontes de óleo vegetal, que possuem escala de fornecimento, como o óleo de palma e óleo de soja, são acusadas de gerar graves impactos ambientais, principalmente o desmatamento. Portanto, para ser avançado, o HVO deve utilizar principalmente gorduras residuais, como óleo de cozinha e resíduos industriais.

Etanol celulósico rota bioquímica (via fermentação)

O etanol celulósico não é um produto novo, há casos de sua produção durante o período da Segunda Guerra Mundial (FAITH, 1945). Porém, sua produção não avançou, pois, a gasolina se estabeleceu como o combustível mais competitivo e o próprio etanol de primeira geração apresentava a vantagem de contar com oferta abundante de matéria-prima e ser menos capital intensivo.

Apenas com as questões ambientais o etanol celulósico voltou a ser alvo de interesse e a atrair novos investimentos. Ainda, com o avanço da biotecnologia e a possibilidade de realizar hidrólise enzimática, uma etapa do processo de produção na rota bioquímica, o etanol celulósico despertou o interesse de empresas envolvidas com biotecnologia que viram no setor um possível novo mercado.

Apesar do etanol celulósico ser conhecido há décadas, os esforços contínuos de dar escalada à produção com a rota bioquímica são recentes e os desafios a serem superados são grandes. Em especial, o pré-tratamento da biomassa, etapa anterior à hidrólise, que se julgava tecnologicamente solucionado, tem sido um dos grandes obstáculos. Pois as especificidades das diferentes matérias-primas têm exigido adaptações complexas dessas tecnologias (BOMTEMPO; SOARES, 2016).

Rotas termoquímicas

Dentro da rota termoquímica há dois grandes processos, a gaseificação e a pirólise. Ambos os processos são também conhecidos há décadas, em particular, a gaseificação tem seu uso em escala comercial observado desde meados da década de 1940. Porém, as plantas comerciais existentes utilizam o carvão mineral como insumo. Diferente da biomassa vegetal, o carvão mineral apresenta as qualidades de elevado conteúdo energético e homogeneidade na sua oferta.

Assim, o grande desafio para a utilização da biomassa como insumo na gaseificação é a criação de uma cadeia de abastecimento da biomassa e a adaptação das tecnologias para operar com matérias-primas heterogêneas.

A gaseificação e a pirólise necessitam primeiramente de um pré-tratamento da biomassa, para reduzir a umidade e fracionar a biomassa. Em seguida, a biomassa segue processos distintos. No primeiro, ela segue para um gaseificador, junto com oxigênio puro, onde é exposta à elevada temperatura e pressão. O produto resultante é o gás de síntese, molécula versátil que pode ser transformada em biometano ou em biocombustíveis líquidos, a depender dos processos posteriores.

No segundo caso, com a pirólise, a biomassa segue para um reator onde é decomposta com elevadas temperaturas e sem a presença de oxigênio. O produto resultante é óleo de pirólise ou bio-óleo, outro produto versátil capaz de ser transformado em distintos biocombustíveis.

Evolução das plantas de biocombustíveis avançados

Apesar de alguns dos processos descritos serem conhecidos há muitas décadas, a mudança de matérias-primas requer grandes esforços de adaptação das tecnologias. Ainda, para o caso da rota bioquímica, o uso de microorganismos geneticamente modificados, tanto para realizar a hidrólise enzimática quanto para a realizar a fermentação, exige também esforços com pesquisas básicas.

Importante destacar que o atual setor de biocombustível, que utiliza predominantemente as tecnologias de primeira geração, possui um padrão de inovação caracterizado como “dominado por fornecedores”, ou seja, inovam importando soluções tecnológicas prontas e pouco se envolvem com o desenvolvimento das mesmas (DUNHAM; BOMTEMPO; FLECK, 2011). Os biocombustíveis avançados apresentam um outro padrão, onde os agentes envolvidos buscam criar, internamente ou em parcerias, os conhecimentos necessários para inovar.

Os esforços para viabilizar internamente as novas tecnologias e a produção em larga escala podem ser constatados, no Gráfico 1, pela grande quantidade de plantas piloto e de plantas de demonstração. Importante destacar que muitas das empresas envolvidas com o desenvolvimento dos biocombustíveis avançados não pretendem ser grandes produtoras de biocombustíveis, mas sim, licenciadoras de suas tecnologias, como a Clariant, a Dupont, a e a Neste.

Gráfico 1 – Evolução das plantas de biocombustíveis avançados por tipo de planta [4]

Fonte: Elaboração própria com dados de https://demoplants.bioenergy2020.eu/.

Pelo Gráfico 1 ainda fica evidente que os biocombustíveis avançados só atraíram mais interesse a partir dos anos 2000, quando as questões de cunho ambiental passaram a ser mais relevantes e políticas voltadas para os biocombustíveis começaram a surgir com mais força.

Em especial, durante os anos de 2000, uma série de políticas com foco em P&D com novas tecnologias explica o boom de plantas piloto e de demonstração. Nos EUA, por exemplo, as leis “Biomass R&D Act” (2000) e “Farm Bill” (2002) buscaram coordenar os esforços de diferentes instituições federais com o objetivo de promover o desenvolvimento rural e os novos biocombustíveis. Elas também foram responsáveis por apoiar financeiramente atividades de P&D com biocombustíveis. Porém, talvez a lei mais impactante tenha sido a “American Recovery and Reinvestment Act” (2009) que, com o objetivo de combater a crise econômica de 2009, autorizou cerca de U$ 800 milhões em P&D com combustíveis avançados (NYKO et al., 2010).

Além dos EUA, a Europa também desenvolveu linhas de financiamento de P&D para biocombustíveis avançados. Guiados pela “Biofuel Directive” (2003), posteriormente atualizada pela “Renewable Energy Directive” (2009), que estabelecia metas para os biocombustíveis, foi criado o “Framework Programme” (FP7) que buscava coordenar o financiamento de P&D pela Europa e destinou cerca de € 2,35 bilhões para P&D em energias renováveis, incluindo os biocombustíveis avançados (NYKO et al., 2010).

De fato, a Europa e os EUA são as regiões que mais investem nos biocombustíveis avançados. O Gráfico 2 mostra cerca de 80% das plantas de biocombustíveis avançados encontram-se nessas regiões.

Gráfico 2 – Participação por país no total de plantas de biocombustíveis avançados

Fonte: Elaboração própria com dados de https://demoplants.bioenergy2020.eu/.

No caso da Noruega, a produção de biocombustíveis avançados não é uma novidade. No Gráfico 1, uma das plantas comerciais de biocombustíveis avançados existente antes do ano de 1980 é da Borregaard, uma empresa norueguesa, que produz etanol de biomassa desde 1938. O processo de produção utiliza a hemicelulose, um resíduo da produção da pasta de celulose. Ela é hidrolisada por processos termoquímicos intensivos em energia e, posteriormente, os açúcares liberados são fermentados. Este é um processo ineficiente, pois, para cada uma tonelada de lenha, apenas 50 kg de etanol são produzidos. Com o objetivo de avançar com os biocombustíveis, a empresa construiu uma planta piloto, em 2012, onde testa processos voltados para a produção do etanol, inclusive com o uso de hidrólise enzimática, e novas matérias-primas (KLITKOU, 2013).

Gráfico 3 – Principais biocombustíveis avançados [5]

Fonte: Elaboração própria com dados de https://demoplants.bioenergy2020.eu/.

O Gráfico 3 mostra que dentre os biocombustíveis avançado, o etanol celulósico é o que apresenta maior número de plantas. A existência prévia de uma indústria de etanol nos EUA e no Brasil justifica em parte a preferência pelo etanol celulósico. As novas plantas podem contar com um mercado estabelecido, com capacidades acumuladas na construção de oferta de matérias-primas e com o compartilhamento de algumas infraestruturas, o que possibilita reduções de custo. Outro ponto de interesse é a necessidade do uso de microorganismos geneticamente modificados no processo, o que tem atraído a atenção empresas e universidades envolvidas com biotecnologia.

O HVO permite a produção do diesel verde que pode substituir seu similar de origem fóssil sem a necessidade de construção de nova infraestrutura ou modificação nos motores dos veículos. Essa qualidade faz com que o HVO seja um dos processos de biocombustíveis com mais plantas. A maioria delas encontram-se na Europa, onde o mercado de veículos leves utiliza principalmente o diesel.

O bio-óleo pode ser utilizado diretamente para geração de energia, mas dentro da biorrefinaria é possível ser convertido em compostos de maior valor, como o benzeno, o tolueno e ácidos carboxílicos, por meio de diferentes reações catalíticas. A principal vantagem de uma planta de pirólise é a possibilidade da produção descentralizada, próximas a regiões com oferta de biomassa, para a produção do bio-óleo. Este é então coletado e transportado para biorrefinarias centralizadas e com escala. Por estar no estado líquido, o transporte do bio-óleo oferece mais vantagens que o da biomassa.

Gás de síntese é o intermediário para a produção de líquidos FT (Fischer-Tropsch), como a gasolina e o diesel, mas também pode ser utilizado para a produção do metanol e do etanol. Ele é alcançado pela gaseificação que possui a vantagem de aproveitar a biomassa de forma quase integral e ser flexível quanto ao uso da matéria-prima, ou seja, pode utilizar matérias-primas com qualidades distintas passando por um pré-tratamento único. Não por outro motivo, há casos de plantas de gaseificação instaladas em lixões para aproveitar os resíduos sólidos urbanos depositados, os quais apresentam elevada heterogeneidade.

Competitividade dos biocombustíveis avançados

Um estudo da IEA Bioenergy de 2020 estimou o custo de produção dos biocombustíveis avançados descritos anteriormente. O Gráfico 4 mostra esses custos segregados por custo de capital, custo da matéria-prima, custo de operação e custo com enzimas. Ao somar todos esses custos, há o que pode ser considerado um preço mínimo que o biocombustível pode alcançar.

Gráfico 4 – Estimativa do custo de produção dos diferentes biocombustíveis avançados

Fonte: adaptação de IEA (2020).

O gráfico ainda divide para cada combustível os custos relacionados a diferentes níveis de investimento, estes variando em baixo, médio e alto. Quer dizer, o estudo estimou como o custo se comporta a depender do tamanho da necessidade de capital. As estimações foram feitas com informações fornecidas por empresas desenvolvedoras de biocombustíveis e considerou como hipóteses uma taxa de juros de 10%, um tempo de vida do projeto de 15 anos e que as plantas operam 8.000 horas por ano.

O HVO apresenta baixo custo de capital pois, como comentado, possui tecnologias maduras à disposição. O principal componente do custo são as matérias-primas que necessitam ainda da criação de cadeias de abastecimento eficientes.

O etanol celulósico é o único dos biocombustíveis que apresenta o custo de enzimas, necessárias para realizar a hidrólise enzimática e liberar os açúcares fermentáveis. Aliás, as enzimas foram durante muito tempo consideradas a grande barreira para o desenvolvimento do etanol celulósico e, portanto, foram alvo de intenso esforço de pesquisa e desenvolvimento. Como resultado, desde o começo dos anos 2000, o custo das enzimas caiu por um fator de dez (IEA, 2020).

O principal componente dos custos é o custo de capital, reflexo da complexa planta produtiva que exige grande sintonia entre as diferentes etapas produtivas. O pré-tratamento necessita liberar as substâncias de interesse da biomassa em condições de pureza desejáveis para a hidrólise enzimática. Posteriormente, as fases de hidrólise enzimática e de fermentação requerem ambientes livres de contaminação e com controle de temperatura e de acidez para que os processos biológicos possam ocorrer. No estágio atual de desenvolvimento, ainda se busca harmonização entre as etapas subsequente da produção do etanol celulósico, o que ainda exige investimentos em adaptações e em pesquisas.

Tanto para a gaseificação quanto para a pirólise, o custo de capital é relevante pois há a necessidade da construção de grandes gaseificadores e reatores capazes de atingir elevadíssimas temperaturas. Os custos operacionais também são elevados pois ambos os processos são intensivos em energia. No caso da gaseificação, o estudo da IEA considerou seu uso para a produção de álcoois (metanol e etanol) e de biometano e para a produção de hidrocarbonetos com o processo Fischer–Tropsch. No caso da pirólise, apenas foi considerado o bio-óleo.

Para a gaseificação, o estudo considerou também o processo usando energy crops ou resíduos, principalmente resíduos sólidos urbanos. As plantas que usam os resíduos apresentam custos de matéria-prima negativos, ou seja, elas recebem para processar o lixo. Como os lixões geram externalidades negativas, o processamento dos resíduos que seriam depositados neles é visto como um serviço ambiental e, portanto, é remunerado.

Gráfico 5 – Competitividade dos biocombustíveis frente aos biocombustíveis tradicionais e aos combustíveis fósseis

Fonte: Adaptação de IEA (2020).

O gráfico 5 compara os custos dos biocombustíveis avançados com os biocombustíveis tradicionais e com os combustíveis fósseis. Para os biocombustíveis avançados, as barras representam a variação entre o custo de produção no cenário de baixo e de alto investimento apresentados no Gráfico 4. Para os demais combustíveis, as barras representam a variação no preço (ano 2019). No caso dos combustíveis fósseis, foi considerada uma cesta contendo diferentes combustíveis.

Mesmo estando em desenvolvimento, com muitas plantas do tipo first-of-kind (Gráfico 1), fica claro pelo Gráfico 5 que os combustíveis avançados possuem o potencial de competir com os biocombustíveis tradicionais, principalmente contra biodiesel, que apresenta uma ampla variação de preços. Porém, o gap entre os biocombustíveis avançados e os combustíveis fósseis é bem maior. O que exige a manutenção de políticas que elevem a competitividade dos biocombustíveis e/ou incentive maiores investimentos em pesquisa e ganhos de escala, reduzindo assim o risco das novas plantas.

Potencial de redução de custos

O custo de capital é elemento crítico na competitividade dos biocombustíveis avançados. Por serem plantas comerciais, as first-of-a-kind acabam sendo consideras como o fim do processo de inovação. Todavia, como tem sido observado, a chegada na fase comercial com o uso de novas matérias-primas e novas tecnologias é mais uma etapa de superação de desafios.

Bomtempo e Soares (2016), consideram as first-of-a kind como experimentais uma vez que elas necessitam superar grandes obstáculos que não foram previstos nas fases anteriores de pesquisa e desenvolvimento. Apesar de ser uma etapa essencial para o desenvolvimento de tecnologias e possuir um caráter experimental, as first-of-a-kind recebem menos apoio de políticas e são consideradas muito arriscadas, o que dificulta acesso a recursos privados (OECD, 2018).

Porém, uma vez acumulado o aprendizado necessário e plantas subsequentes são construídas, o esperado é que o custo de capital caia em virtude da redução dos riscos e da otimização dos processos. O Gráfico 6 apresenta a queda do custo de produção de duas das primeiras plantas comerciais de etanol celulósico inauguradas em meados da década de 2010. Como se observa, o projetado é uma redução nos custos puxado principalmente pela queda nos custos de capital.

Gráfico 6 – Etanol celulósico – estimativas recentes e potencial de redução de custos

Fonte: IEA (2020).

Importante destacar que ganhos de eficiência são esperados na criação da disponibilidade das novas matérias-primas. Todavia, não é esperado uma grande redução nos custos das matérias-primas uma vez que seu preço deve aumentar conforme a demanda comece a subir.

Conclusão

Os biocombustíveis avançados são uma importante opção para a transição energética nos transportes, principalmente nos casos em que é difícil a penetração de veículos elétricos, como no setor de veículos de carga, no setor naval e no setor aéreo. Em relação aos combustíveis fósseis, eles apresentam a vantagem de emitir menos gases de efeito estufa sem receber as críticas que os biocombustíveis tradicionais recebem.

Outra vantagem dos biocombustíveis avançados é que sua produção necessita estar próxima das fontes de biomassa. Consequentemente, o incentivo aos biocombustíveis avançados é visto como uma oportunidade de geração de empregos qualificados em áreas rurais. Inclusive há a necessidade de recursos humanos voltados para P&D, principalmente para superar os desafios inerentes de um setor em estruturação.

Por utilizarem resíduos ou energy crops, a produção dos biocombustíveis avançados ainda permite a criação de renda extra para produtores rurais que passam a comercializar também seus resíduos agrícolas ou as culturas ricas em celulose, capazes de serem produzidas nas entressafras ou em solos menos férteis.

Apesar dessas vantagens, os biocombustíveis avançados ainda não são competitivos e a sua evolução depende, dentre outras coisas, de um mix de políticas que facilitem o acesso aos mercados e incentivem os contínuos investimento em P&D. Outro ponto é que as plantas pioneiras não devem ser vistas como um resultado do processo de inovação mas como uma etapa do processo responsável por solucionar as dificuldades de tratar matérias-primas com qualidades diversas e por buscar a otimização entre os diversas etapas subsequentes da produção dos biocombustíveis.

Referências

BOMTEMPO, J. V.; SOARES, G. Por que as primeiras plantas comerciais de etanol 2G são quase experimentais?Blog Infopetro, 19 out. 2016. Disponível em: <https://infopetro.wordpress.com/2016/10/19/por-que-as-primeiras-plantas-comerciais-de-etanol-2g-sao-quase-experimentais/>. Acesso em: 30 jan. 2021

DUNHAM, F. B.; BOMTEMPO, J. V.; FLECK, D. L. A Estruturação do Sistema de Produção e Inovação Sucroalcooleiro como Base para o Proálcool. Revista Brasileira de Inovação, v. 10, n. 1, p. 35–72, 27 maio 2011.

FAITH, W. L. Development of the Scholler Process in the United States. Industrial & Engineering Chemistry, v. 37, n. 1, p. 9–11, 1 jan. 1945.

IEA. Advanced Biofuels – Potential for Cost Reduction. [s.l: s.n.]. Disponível em: <https://www.ieabioenergy.com/blog/publications/new-publication-advanced-biofuels-potential-for-cost-reduction/>. Acesso em: 30 jan. 2021.

KLITKOU, A. Value chain analysis of biofuels: Borregaard in Norway. 23 maio 2013.

NYKO, D. et al. A corrida tecnológica pelos biocombustíveis de segunda geração: uma perspectiva comparada. set. 2010.

OECD. Meeting Policy Challenges for a Sustainable Bioeconomy. Paris: [s.n.]. Disponível em: <https://www.oecd-ilibrary.org/science-and-technology/policy-challenges-facing-a-sustainable-bioeconomy_9789264292345-en>.

SILVA, A. A.; MIZIARA, F. Avanço do setor sucroalcooleiro e expansão da fronteira agrícola em Goiás. Pesquisa Agropecuária Tropical, v. 41, n. 3, p. 399–407, set. 2011.

STRASSBURG, B. B. N. et al. Moment of truth for the Cerrado hotspot. Nature Ecology & Evolution, v. 1, n. 4, p. 99, 23 mar. 2017.

Notas

[1] https://www.epa.gov/renewable-fuel-standard-program/overview-renewable-fuel-standard

[2] https://www.etipbioenergy.eu/everyone/advanced-boifuels#what

[3] Culturas energéticas, também chamadas de energy crops, são culturas vegetais ricas em celulose e de rápido crescimento. Geralmente são culturas arbustivas, como miscanthus e switchgrass, capazes de serem plantadas em solos pouco férteis e com pouca necessidade de irrigação.

[4] Da base de dados foram consideradas apenas as plantas em operação, em planejamento ou em construção. Ainda, 40 plantas não disponibilizaram a data de inauguração e, portanto, não foram incluídas no gráfico.

[5] Foram consideradas apenas plantas em operação, em planejamento e em construção. Ainda, muitas das plantas consideradas produzem mais de um produto. Assim, para fazer o gráfico, apenas o produto principal foi considerado.

Sugestão de citação: Soares, G. (2021). Como andam os biocombustíveis avançados?. Ensaio Energético, 01 de fevereiro, 2021.