Biomassa vegetal para geração de eletricidade

Num segundo momento foi descrito o estado da arte do contexto mundial da geração de energia elétrica, aprofundando-se sobre o funcionamento do setor elétrico nacional, as principais fontes de geração, com destaque para as fontes de biomassa. Por fim, foram exploradas as principais tecnologias de conversão da biomassa em energia, destacando a transformação da biomassa em energia elétrica. CRESCIMENTO POPULACIONAL, DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E CRISE ENERGÉTICA Nas últimas décadas, cresceu muito o interesse da comunidade internacional sobre as múltiplas interconexões entre energia, sociedade e meio ambiente. Hoje, a ligação estreita entre energia e desenvolvimento é oficialmente reconhecida. Uma evidência clara desse reconhecimento é encontrada na Agenda 2030 e em seus 17 objetivos de desenvolvimento sustentável, estabelecidos pela Assembleia Geral da Organização das Nações Unidas (ONU) em 2015.

A oferta total de energia primária é toda a energia disponível que pode ser destinada diretamente para o consumo final (como fonte de energia no setor industrial, de transporte, aquecimento, ou como matéria-prima para processos químicos – uso não energético) ou convertida em eletricidade. Figura ## – Oferta total de energia primária mundial (fonte: IEA, 2018) Ao analisarmos a participação de cada fonte na matriz energética primária mundial, conforme apresentada na figura abaixo, podemos observar que entre 1973 e 2016 ocorreram poucas mudanças, sendo a mais notável a substituição estrutural do uso de petróleo para o uso do gás natural em algumas aplicações. De qualquer maneira, apesar da oferta total de energia primária ter mais do que dobrado neste período, os combustíveis fósseis ainda representam mais de 80% do total.

Neste período, a participação da biomassa manteve-se praticamente fixa em torno de 10% da oferta total de energia primária. Figura ## – Participação por fonte na oferta total de energia primária mundial (fonte: IEA, 2018) A instabilidade energética mundial ocorre justamente porque há escassez progressiva e desigual distribuição desses recursos – muitas vezes concentrados em regiões politicamente instáveis – e especialmente por uma grande pressão internacional, preconizada pelos diversos acordos que tratam de mudanças climáticas, a exemplo da COP 21, para que as emissões de gases tóxicos na atmosfera sejam diminuídas. Apesar desse incremento de 4,6 bilhões de habitantes, projeções da ONU (2015), mostram que a taxa de crescimento populacional tende a diminuir até 2100, estacionando próxima a 0,1%. Apesar do alento, o órgão estima que o contingente populacional do planeta chegue à magnitude de 11,2 bilhões.

A figura a seguir ilustra o crescimento e taxa de crescimento populacional de 1750 a 2015, com projeções até 2100. A figura permite observar que o período de maior incremento de contingente populacional se deu entre 1945 e 2000, com pico de crescimento nesse período de 2,1%. A partir do início da década de 70, os valores das taxas começaram a cair, com projeções de crescimento até 2100 de 0,1%. Esta correlação é ainda mais forte quando se considera o consumo de energia elétrica per capita em relação à renda nacional bruta per capita, como se apresenta na figura a seguir. Nesse caso, existe uma relação de quase direta proporcionalidade entre um maior consumo de eletricidade e uma maior renda per capita. Figura ## – Relação entre consumo de energia elétrica e renda nacional bruta (fonte: RIVA et al.

Nesse contexto, a Agência Internacional de Energia reconhece que o futuro do mundo caminha para a eletrificação, com a demanda por eletricidade crescendo em um ritmo duas vezes maior que o crescimento da demanda por energia primária como um todo (IEA, 2018). Para um desenvolvimento sustentável, esse crescimento da demanda por eletricidade deve ser suportado por tecnologias de baixa emissão de carbono. Além disso, as fontes alternativas de energia só tornaram-se economicamente competitivas há pouco tempo (algumas ainda não são totalmente competitivas sem poder contar com incentivos e/ou subsídios). Incentivos e subsídios para fontes renováveis só passaram a existir após uma maior compreensão da necessidade de se diversificar a matriz elétrica, seja por conta do futuro exaurimento dos combustíveis fósseis ou – especialmente – por conta da necessidade de redução de emissões de gases de efeito estufa, causadores das mudanças climáticas.

O SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO O sistema elétrico nacional é constituído pelo Sistema Interligado Nacional (SIN), que detém quase a totalidade da capacidade total de produção de energia elétrica do país, à exceção de pequenos sistemas independentes localizados na Região Amazônica, que atendem demanda residual. O SIN é um sistema hidrotérmico de grande porte, com 163. MW de potência instalada, a partir de 7. A falta de investimentos em capacidade de transmissão de energia elétrica já provocou momentos de crise de abastecimento de eletricidade no Brasil. Destacam-se os episódios do blecaute de 1999 (conhecido como “Apagão de 1999”) e a crise de energia elétrica de 2001 (Rosa, 2002). O “Apagão de 1999” foi um blecaute que atingiu 11 estados do Brasil, às 22h16 do dia 11 de março de 1999.

Uma pane elétrica acionou o sistema de segurança da usina de Itaipu, paralisando 16 turbinas da usina, e interrompendo o fornecimento de energia elétrica ao Paraguai por pelo menos 15 minutos. O “apagão”, como ficou conhecido, atingiu 70% do território nacional e 76 milhões de consumidores brasileiros. Segundo Rosa (2002), as verdadeiras causas da crise foram a falta de planejamento para reconhecer a tendência declinante dos níveis dos reservatórios das hidrelétricas, falta de investimentos suficientes em geração para ampliar a capacidade instalada e diversificar a matriz elétrica, e falta de investimentos em transmissão, o que aumentaria a capacidade de intercâmbio de energia entre os subsistemas. Ainda segundo Rosa (2002), a crise de 2001 também ocorreu por falta de investimentos suficientes na expansão da geração elétrica.

O consumo de energia elétrica crescia mais rapidamente do que a capacidade instalada. De 1980 a 2000, o consumo cresceu 170%, uma média de 5,0% ao ano. No mesmo período, a capacidade instalada cresceu 120%, uma média de 4,1% ao ano. Esta matéria é produzida por animais ou vegetais que caracterizam a fonte da biomassa, tais como as florestas (madeira), cana-de-açúcar (álcool e bagaço), etc. A biomassa é considerada uma fonte de energia renovável quando a sua taxa de utilização é igual ou menor do que a capacidade de produção, que é a sua capacidade biológica de renovação (SILVA, 2014). Por exemplo, a extração de madeira de uma floresta nativa sem o respectivo replantio é um tipo de exploração não renovável. Quando explorada de maneira renovável, a exploração energética da biomassa é um processo neutro em CO2 ou quase-neutro, pois podem existir emissões de CO2 associadas ao transporte da biomassa, uso de fertilizantes, etc.

SANCHEZ et al. De acordo com a IEA (2007), as fontes de matéria-prima para a produção de energia a partir da biomassa incluem: • culturas energéticas, como as provenientes de rotação de cultura, florestas energéticas (eucalipto e pinus), gramíneas (capim elefante), culturas de açúcar (cana-de-açúcar e beterraba), culturas de amido (milho e trigo) e oleaginosas (soja, girassol, colza, sementes oleaginosas, pinhão-manso e óleo de palma; • resíduos orgânicos, como os resíduos agrícolas, dejetos de animais, resíduos das indústrias florestais, de papel e celulose e alimentícia, resíduos urbanos (lixo) e matéria orgânica de esgotos sanitários. Portanto, a biomassa energética pode ser originada da atividade agrícola, florestal ou industrial, podendo ser um resíduo, um sub-produto (o licor negro de indústrias de celulose, por exemplo) ou ainda uma cultura dedicada (florestas energéticas).

A biomassa energética pode ser ainda originada da criação de animais ou da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos; nesses casos a biomassa é sempre um resíduo. Independentemente da fonte, toda biomassa baseia-se na fixação de carbono a partir do processo de fotossíntese, que é a produção de compostos orgânicos pelos vegetais clorofilados a partir do dióxido de carbono (CO2) atmosférico e água, na presença de luz (SILVA, 2014). Os compostos orgânicos produzidos são carboidratos (CH2O)n formados a partir da glicose, C6H12O6. Figura ## – Aproveitamento energético da conversão de energia solar em carboidratos pela fotossíntese (fonte: SILVA, 2014) Por outro lado, a biomassa tem a vantagem de ser uma fonte geradora de eletricidade plenamente programável, o que não acontece com a geração fotovoltaica.

Isso contribui para a segurança e confiabilidade do sistema elétrico como um todo. Outra vantagem da biomassa é o fato dela ser a única das fontes renováveis capaz de produzir combustíveis líquidos sem o uso de matéria prima adicional (por exemplo, pode-se produzir hidrogênio a partir da geração fotovoltaica, mas apenas se existir uma quantidade de água disponível no local). Finalmente, quando se utilizam resíduos de biomassa para geração de eletricidade, tem-se uma geração completamente sustentável, aproveitando um recurso que seria descartado de outra forma. A biomassa pode ser utilizada para produzir bioenergia de várias maneiras, desde a geração de bioeletricidade em usinas termelétricas, ou produzindo biocombustíveis, como etanol ou biodiesel em biorefinarias. Os gases combustíveis voláteis liberados são queimados após a adição do ar secundário, em uma zona acima do leito de combustível.

Em combustão por leito fluidizado, o ar combustível primário é injetado com alta velocidade a partir do fundo da caldeira fazendo com que o material dentro da fornalha fique em suspensão, comportando-se como um fluido de partículas. Finalmente, o fluxo de turbulência e combustão é utilizado para biomassas disponíveis em partículas pequenas como serragem ou aparas finas, injetadas dentro da fornalha. A pirólise é um processo pelo qual a biomassa é submetida a altas temperaturas na ausência completa de ar. Como não há oxigênio presente, não existe combustão. Já a fermentação é adequada para biomassas úmidas com alto teor de açúcar e amido. Microrganismos promovem a quebra das moléculas de açúcar ou amido, produzindo combustíveis líquidos, etanol e metanol, que podem ser utilizados em motores de combustão interna.

Apesar das diferentes alternativas, todas as tecnologias atualmente utilizadas nesse processo de conversão de biomassa encontram alguns problemas cruciais como: a ocupação da terra (competição com a produção de alimentos e pressão sobre áreas de proteção ambiental) e a baixa eficiência energética de sua cadeia produtiva, impactando o custo da energia gerada (ROSA, 2005). Finalmente, para avaliar a importância da biomassa na economia mundial, é possível analisar o tamanho deste setor. Considerando-se a potência instalada, nota-se que em 2016 a biomassa respondeu por 2% da capacidade de geração de eletricidade instalada mundialmente, conforme é mostrado na figura a seguir. O crescimento mais rápido tem ocorrido na China, Japão, Alemanha e Reino Unido (REN21, 2017). Figura ## – Geração de Bioeletricidade Global, por regiões, 2006-2016 (fonte: REN21, 2017) 2.

Geração de eletricidade a partir de biomassa no Brasil: Situação atual, perspectivas e barreiras O setor de bioenergia tem grande relevância no Brasil, gerando mais de 783 mil empregos diretos e indiretos (REN21, 2017), a maioria deles relacionada à produção de etanol e biodiesel. Em relação à bioeletricidade, atualmente, existem no Brasil 566 usinas termelétricas a biomassa em operação, somando uma capacidade instalada de 14. MW, o que representa 8,6% da potência elétrica instalada no país (ANEEL, 2019). Desse modo, a pico da safra de cana-de-açúcar, e também da geração de bioeletricidade a partir do bagaço, ocorre durante o período seco, quando o nível dos reservatórios das hidrelétricas está mais baixo. Desse modo, a bioeletricidade do bagaço da cana-de-açúcar contribui para o aumento da segurança energética.

Eggleston e Lima (2015) estudaram oportunidades e desafios para a exploração sustentável dos bioprodutos da indústria de açúcar. Tolmasquim (2016) investigou o potencial de geração a partir dessa biomassa, que disponibilizou 27 Mtep para a bioeletricidade em 2014, projetando uma oferta de 47 Mtep disponíveis para bioeletricidade em 2050. O poder calorífico inferior (PCI) do bagaço de cana-de-açúcar é de aproximadamente 15,8 MJ/kg, em base seca (PHYLLIS, 2019). d) Capim elefante Duas usinas em operação produzem eletricidade a partir do capim elefante. A primeira, situada no Estado da Bahia, possui capacidade de 30 MW e a outra, no Amapá, possui 1,5 MW de capacidade de 1,5 MW. Além disso, segundo o Banco de Informações de Geração da ANEEL (2019), existe outro empreendimento em construção que adicionará 9,8 MW de capacidade de geração.

No entanto, alguns outros projetos tiveram sua implantação interrompida. Novos empreendimentos utilizando essa biomassa de cultivo exclusivamente dedicado têm perdido competitividade em relação à outros aproveitamentos energéticos, dada a baixa eficiência de conversão e a queda acentuada no custo da energia fotovoltaica (SILVA, 2014). Desse modo, as principais barreiras ao desenvolvimento e expansão da bioeletricidade são de natureza política/regulatória e econômica. Para garantir uma maior competitividade da bioeletricidade em relação a outras fontes de energia elétrica, é preciso um esforço coordenado, político e econômico, através de leis e regulações que garantam tarifas atrativas por longos períodos, criando condições de mercado que absorvam as externalidades positivas criadas por essa fonte de energia limpa, geradora de empregos e que contribui para o crescimento econômico sustentável.

Como parte das contribuições nacionalmente determinadas (NDC) apresentadas no âmbito do acordo de Paris, muitos países estabeleceram metas para a adoção de energias renováveis, em termos de capacidade instalada ou parcela da geração total de eletricidade. Apesar de serem metas voluntárias e não vinculantes (não possuem efeito legal), essas metas podem contribuir para um aumento da participação da eletricidade renovável e da bioeletricidade em todo o mundo e, mais especificamente, no Brasil. Porém, para que essas metas possam efetivamente ser alcançadas, precisam do apoio de mecanismos econômicos e financeiros que eliminem as barreiras ainda existentes. gov. br/ aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil. cfm>. Acesso em: 13 mar. Alcocer, J. ed. p. out. COLOMBO, E. BOLOGNA, S. ed. p. set. Eggleston, G.

Lima, I. epe. gov. br/webmapepe/>. Acesso em: 13 mar. Granados-Fitch, M. jan. Heidenreich, S. Foscolo, P. U. New concepts in biomass gasification. IEA ENERGY Technology Essentials - Biomass for Power Generation and CHP. IEA, 2007. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY [IEA]. Key World Energy Statistics. IEA, 2018. O Sistema em Números. ONS, 2017. Disponível em: <http://www. ons. org. Renewables 2017 Global Status Report. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Paris: REN21, 2017. RIVA, F. TOGNOLLO, A. The Globalization and Development Reader: Perspectives on Development and Global Change. New York: John Wiley and Sons, 2014. ROSA, A. V da. Fundamentals of Renewable Energy Processes. L. Nelson, J. H. Johnston, J. et al. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. EPE: Rio de Janeiro, 2016. TORRES, Pedro Jessid Pacheco. Avaliação Técnico-Econômica de Diferentes Tecnologias de Geração de Eletricidade Para o Aproveitamento Energético de Resíduos de Biomassa em Comunidades Isoladas.

f. Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development (resolution 70/1). Geneva: 2015.