Dinâmica tecnológica e de inovação da indústria baseada em biomassa :

dos biocombustíveis à bioeconomia

J IQ 16/05/2013

José Vitor BomtempoGrupo de Estudos em Bioeconomia – EQ/UFRJ

Grupo de Economia da Energia – IE/UFRJ

Síntese

1- A indústria de biocombustíveis está evoluindo para  fazer parte de uma nova indústria que pode ser designada como parte da bioeconomia;

2 – Esta nova indústria está se formando num processo de inovação em que centenas de empresas buscam responder aos desafios colocados e explorar as oportunidades existentes;

3 - Novas matérias primas, novas tecnologias de conversão, novos produtos e novos modelos de negócio estão sendo testados e aprimorados;

4 – Políticas industriais e estratégias empresariais convivem com  um ambiente dinâmico e  desafiador mas ainda com elevado grau de incerteza.  

What is a bioeconomy? (OECD, 2009)

 …the bioeconomy can be thought of as aworld where biotechnology contributes to a significant share of economic output. 

The emerging bioeconomy is likely to be global and guided by principles of sustainable development and environmental sustainability. A bioeconomy involves three elements: biotechnologicalknowledge, RENEWABLE BIOMASS, and integration across applications.

Bioeconomy can be perceived solely as operations related to the processing of biomass. VTT nonetheless views bioeconomy more 

widely: as a future industrial sector created out of traditional biomass refining. Characteristic for the operations of the sector are resource efficiency, maximization of value added, recycling, tight integration into energy production, 

and a capacity for cross-sector innovation. The bioeconomy framework is formed of the three pillars of sustainability: financial profitability; consideration of the environment; and serving society. 

(VTT Technical Research Center of Finland, 2012)

BIOECONOMIA

The bioeconomy … encompasses the production of renewable biological resources and the conversion of these resources and waste streams into value added products, such as food, feed, biobased products and bioenergy. Its sectors and industries have strong innovation potential due to their use of a wide range of sciences, enabling and industrial technologies, along with local and tacit knowledge. (Innovating for sustainable growth: a bioeconomy for Europe), European Commission, 2012

BIOECONOMIA

The National Bioeconomy Blueprint describes five strategic objectives

Biocombustíveis 1ª geração: 100 bi l/a; crescimento ~ 10% aa; Bioplásticos: 1% do mercado; Bioprodutos crescimento ~20% aa

Reddy et  al., 2012

Indústria baseada em biomassa (biobased products)

Biocombustíveis convencionais e a busca por novas gerações

•Primeira geração de biocombustíveis: etanol e biodiesel;

•Processos convencionais (etanol: fermentação; biodiesel: transesterificação); rotas tecnológicas maduras;

•Processos relativamente ineficientes: ~10 l vinhoto/litro etanol; 117 kg glicerina/t biodiesel

•Relativamente low tech; baixas barreiras à entrada;

Biocombustíveis convencionais e a busca por novas gerações

•Vantagem competitiva baseada em produtividade da matéria prima mais do que nas tecnologias de conversão;

•Problemas: •Competição com alimentos; •desempenho ambiental;  •baixa produtividade (l/ha); •combustíveis inferiores aos hidrocarbonetos (etanol 70% do poder calorifico da gasolina); •Exigência de adaptações dos equipamentos e infraestrutura própria de distribuição.

Biocombustíveis avançados

• Novos processos para produção de biocombustíveis convencionais: etanol lignocelulósico;

• Novos processos para a produção de novos biocombustíveis drop in : biohidrocarbonetos (ex: diesel de cana da Amyryis);

• Novas matérias primas: algas, plantas energéticas,  resíduos

• Combustíveis de aviação.

Evolução da agenda de P&D em biocombustíveis

Regalbuto, 2011

 Uma nova indústria em construção

• Uma diversidade de soluções em andamento: 

– Em matérias primas;– Em tecnologias de conversão da biomassa; – Em produtos, cada vez mais diversificados;– Em modelos de negócio  e estratégias de inovação, com novas estruturações das cadeias e papéis de empresas e países 

A variedade deve diminuir! A consolidação de uma indústria passa pela busca de conceitos dominantes.

A utilização de matérias primas renováveis deverá ter peso crescente na indústria do século XXI

• O potencial da biotecnologia industrial ou white biotechnology;

• As restrições ambientais ao uso de matérias-primas fósseis;

• A orientação das estratégias empresariais;

• A perspectiva da inovação tecnológica como saída de crise.

Matérias-primas renováveis e a estruturação da indústria

• Transição de um tipo de matéria para outro é um tema central na história da indústria química orgânica;

• Disponibilidade de matéria prima, e não tecnologia ou mercado, tem sido o direcionador chave da indústria (Spitz, 1988);

• Disponibilidade de grandes quantidades de derivados do carvão na segunda metade do século XIX 

• Disponibilidade de grandes quantidades de hidrocarbonetos reativos gerados pelo refino (anos 1930).

• As particularidades das matérias primas renováveis: a disponibilidade tem que ser construída! 

Pet CokePet Coke

Natural GasNatural Gas BiomassBiomass

MunicipalMunicipalWasteWaste

~90M MTA

Accessible Feedstock Pool

LanzaTechNew Route to Biobased Products

COCO

CO + H2

3300B M3

>2B MTA

>1B MTA US Alone

*2010 production data – IEA, UNEP

CO2 + H2

Flue GasesFlue Gases

 As alternativas em processos de conversão

Biotecnologia?Processos fermentativos? Enzimáticos?Consolidação de processos via biologia sintética?Processos químicos?Termoquímicos? Gaseificação? Pirólise?Combinações entre eles?

Algumas empresas fizeram escolhas clarasOutras parecem testar diferentes caminhos

As relações entre processos de conversão e matéria prima

 A diversificação de produtos

• Os produtos substitutos “imperfeitos”, ex: etanol

• Os produtos substitutos “perfeitos” (os produtos drop in), ex: biohidrocarbonetos, PE verde (Braskem)

• Os novos produtos e plataformas ex: PHAs, ácido succínico, butanol, farneseno

 Coca-cola e o dilema “drop-in or no drop-in”

As Alternativas para o PET sustentável:

1. Um novo produto, PEF, polyethylene-furanoate, (projeto Avantium)

2. PET renovável a partir de p-xileno renovável

– Projeto Gevo a partir de bioisobutanol– Projeto Virent a partir de açúcar por catálise química 

(bioforming)

Uma notável diversidade de estratégias de inovação e de iniciativas empreendedoras: 

•Start-ups  de base tecnológica•Investidores de risco•Empresas estabelecidas de diferentes indústrias (energia, petróleo e gás, química, biotecnologia, agroindústria). •Diferenças podem ainda ser identificadas nas dinâmicas regionais e de países

A diversidade de estratégias e de players

Como as empresas estão construindo suas trajetórias na bioeconomia? As estratégias são divergentes ou convergentes

Start ups de base tecnológica

• Amyris e LS9: combustíveis  e chemials drop in, biologia sintética; 

• Enerkem: lixo como matéria prima;• Gevo: biobutanol• Coskata: termo + fermentação; flexibilidade mp;• Envergent (UOP/Ensys) e os projetos de pirólise 

e bio-óleo• Solazyme: algas “grow in the dark”, óleos, 

produtos nutricionais e cosmocêuticos; biocombustíveis

• Synthetic Genomics: algas, biologia sintética, drop in, a maior aplicação de recursos de um investidor (Exxon) num único projeto.

• Renmatix: açúcar de segunda geração utilizando vapor d’água supercrítico

Aqueous (sugar)

Organic (fuel)

Diverse Renewable Feedstocks

Microrefinery™ Catalysts

Renewable PetroleumTM

Products- Fuels- Chemicals

Synthetic biology

SingleMicrobial transformation sugar to finished product

SingleMicrobial transformation sugar to finished product

Aqueous (sugar)

Organic (fuel)

Diverse Renewable Feedstocks

Microrefinery™ Catalysts

Renewable PetroleumTM

Products- Fuels- Chemicals

Aqueous (sugar)

Organic (fuel)

Diverse Renewable Feedstocks

Microrefinery™ Catalysts

Renewable PetroleumTM

Products- Fuels- Chemicals

Synthetic biology

SingleMicrobial transformation sugar to finished product

SingleMicrobial transformation sugar to finished product

•Indústria química e petroquímica: DuPont, DSM, Dow, Braskem, BASF

•Biotecnologia: Novozymes (enzimas)

•Petróleo e Gás: BP, Shell, Petrobras, Total, Neste, Valero e outras

•Agroindústria: ADM, Bunge, Cargill e outras

Empresas estabelecidas

Considerações finais

•Empresas de diferentes setores e diferentes bases de conhecimento estão em competição  para construir a bioeconomia ;

•A nova indústria representa uma oportunidade para novos competidores, empresas e países;

•Mas a estrutura da indústria ainda não está definida e a competição é baseada em inovação;

•As vantagens competitivas na bioeconomia são « baseadas em ciência e tecnologia ». Não é possível a aquisição externa direta de tecnologia como nos biocombustíveis de primeira geração.

Considerações finais

•Qual o espaço dos biocombustíveis de primeira geração (etanol e biodiesel) na bioeconomia do futuro?

•Em que extensão as vantagens competitivas da indústria sucroalcooleira brasileira valem na indústria do futuro?

•Qual deve ser a lógica das políticas de apoio aos biocombustíveis? E à indústria baseada em biomassa em geral?

•Qual o papel do Brasil na bioeconomia do futuro?

O debate continua no blog: www.infopetro.wordpress.comSérie: o futuro dos biocombustíveis

“The so-called fossil-age will make a shift to the bio-based-economy. In two or three centuries from now, people will look back on our civilization as a merely brief moment in history where we in a period of just about 250 years shifted our total economy to coal, oil and gas. (…) We are at a turning point towards a next green industrial revolution to secure our feed and fuel needs in the future.”Feike Sijbesma, CEO DSM, BIO World Congress on Industrial Biotechnology, May 11th, 2011

“The societal challenges posed by the environment are not just for saving the plant…they are the best route for saving the economy! Green has to become fashionable.Carlota Perez, 2010