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SIMONE PEREIRA DE SOUZA

Avaliação de aspectos econômicos e ambientais

da produção integrada de etanol e biodiesel

28/2015

CAMPINAS

2015

iii

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

SIMONE PEREIRA DE SOUZA



Tese de Doutorado apresentada à Faculdade de

Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de

Campinas como parte dos requisitos exigidos para

obtenção do título de Doutora em Planejamento de

Sistemas Energéticos.

Orientador: Prof. Dr. Joaquim Eugênio Abel Seabra

CAMPINAS

2015

v

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS

TESE DE DOUTORADO



Autora: Simone Pereira de Souza

Orientador: Prof. Dr. Joaquim Eugênio Abel Seabra

A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Tese:

Campinas, 24 de fevereiro de 2015.

vii

Agradecimentos

Ao professor Joaquim Seabra, meu sincero agradecimento pela orientação e pela valiosa

contribuição no desenvolvimento deste trabalho.

Aos familiares e esposo, agradeço o carinho, a compreensão e o incentivo durante esses anos de

estudo.

Aos professores do curso de Planejamento de Sistemas Energéticos, pela importante contribuição

em minha formação acadêmica e profissional.

Aos queridos amigos do CTBE, UNICAMP, USP e UFSCar, pelo apoio que trouxeram à formação

de ideias e conhecimentos.

A todas as empresas, organizações, associações, institutos e órgãos governamentais, agradeço pela

atenção e por auxiliar no levantamento de dados e informações para a elaboração desta pesquisa.

À UNICAMP, ao CTBE e ao LBL, pelo apoio institucional.

À FAPESP e ao CNPq, pelo apoio financeiro nas diversas etapas deste trabalho.

ix

“An environment of infinite economic expansion is

unsustainable in a world of finite resources.”

Bryant McGill

xi

Resumo

O elevado consumo de diesel nas etapas agrícolas e de transporte da cana-de-açúcar é uma das

principais fontes de gases de efeito estufa e o principal responsável pelo uso de energia fóssil no

ciclo de vida do etanol. Em 2013, o setor sucroenergético no Brasil foi responsável por cerca de

4% do consumo nacional de diesel. Diante desse cenário, alternativas a esse combustível fóssil

tornam-se essenciais. Dentre elas está integrar a produção de biodiesel a uma usina de bioetanol.

As principais vantagens técnicas dessa produção conjunta são a divisão de custos, a otimização no

uso das instalações e dos maquinários e a disponibilidade interna de energia e insumos. Mas a

sustentabilidade desses sistemas dependerá dos aspectos ambientais e econômicos (além dos

sociais) envolvidos. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o balanço de energia fóssil-

renovável, a capacidade de mitigação de GEE e o desempenho econômico da integração do setor

sucroenergético aos setores de biodiesel de soja (curto-prazo) e de algas (longo-prazo). Também

foi avaliada, por meio de uma meta-análise, a opção de integração a médio-prazo com biodiesel de

dendê. A principal premissa é substituir 100% do diesel consumido nas etapas agrícolas e de

transporte da cana. Para os aspectos ambientais empregou-se a técnica de Avaliação do Ciclo de

Vida. O desempenho econômico foi avaliado por meio de valor presente líquido aplicado a um

fluxo de caixa incremental. Uma análise de percepção, que envolveu entrevistas com diferentes

stakeholders, trouxe contribuições significativas na identificação das ameaças e oportunidades dos

sistemas propostos. Os resultados indicaram que a substituição do diesel fóssil por biodiesel é capaz

de melhorar o ciclo de vida do etanol, com melhores benefícios ambientais para as integrações

cana-algas e cana-palma, sobretudo na redução de energia fóssil. No entanto, o sistema cana-soja

é tecnicamente factível a curto prazo e, além disso, apresentou viabilidade econômica. Para o

biodiesel de algas ainda há muitas incertezas e restrições tecnológicas, e os resultados indicaram

inviabilidade econômica. Em curto-médio prazo, a palma parece ser a escolha mais interessante

para integrar ao setor de cana-de-açúcar. Ainda que esses resultados, no geral, tenham sido

positivos, estratégias políticas focadas na produção e uso local de biodiesel pelo setor

sucroenergético são essenciais para reduzir as cargas ambientais relacionadas à produção do etanol,

com contribuições adicionais à logística e ociosidade do setor de biodiesel.

Palavras Chave: Cana-de-açúcar, soja, algas, dendê, bioenergia.

xiii

Abstract

The high diesel consumption to crop and transport sugarcane is one of the main sources of GHG

and represents the largest share of fossil energy use in ethanol life-cycle. In 2013, the sugarcane

sector in Brazil was responsible for around 4% of the national diesel consumption. Given this

scenario, alternatives to the fossil fuel use are essential. Among them is the integration of biodiesel

production with bioethanol plant. The main technical benefits of such joint production are the

division of costs, the optimized use of the facilities and machineries and the local availability of

energy and raw materials. But the sustainability of these systems will depend on the environmental

and economic aspects (besides social) involved. Thus, this study aimed to assess the energy

balance, the ability to mitigate GHG emissions and the economic performance of integrating the

sugarcane sector into the soybean (short-term) and into the algae (long-term) biodiesel sectors. It

was also assessed, through a meta-analysis, the medium-term option of integrating the sugarcane

sector with a palm biodiesel plant. The main assumption is to replace 100% of the diesel consumed

in the agricultural and transport stages of the sugarcane. Life Cycle Assessment technique was used

to evaluate the environmental aspects. The economic performance was assessed through net present

value applied to incremental cash flow. A perception analysis, which involved interviews with

different stakeholders, made significant contributions in identifying threats and opportunities of

the proposed systems. The results indicated that displacing fossil diesel with biodiesel may improve

the ethanol life-cycle, with better environmental benefits to the cane-algae and cane-palm

integrations, especially on reducing fossil energy. However, the cane-soybean system is technically

possible in short term and, moreover, demonstrated economic feasibility. For algae biodiesel there

are still many uncertainties and technological constraints, and the results indicate that it is

economically unfeasible. In short to medium term, the palm seems to be the most promising choice

to integrate with the sugarcane sector. Although the overall results have been positive, political

strategies focused on production and local use of biodiesel by the sugarcane industry are essential

to reduce the environmental burdens of ethanol production, with additional contributions to the

logistics and idleness of the biodiesel sector.

Keywords: Sugarcane, soybean, algae, oil palm, bioenergy.

xv

Lista de Ilustrações

Figura 3.1. Sistema integrado cana-soja. ....................................................................................... 18

Figura 3.2. Emissões de GEE para o sistema biodiesel de soja..................................................... 27

Figura 3.3. Análise de sensibilidade das emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de soja.27

Figura 3.4. Uso de energia fóssil para o sistema biodiesel de soja. .............................................. 28

Figura 3.5. Análise de sensibilidade do uso de energia fóssil no ciclo de vida do biodiesel de soja.

....................................................................................................................................................... 29

Figura 3.6. Resultados de Monte-Carlo para uso de energia fóssil – comparativo entre os sistemas

tradicional e integrado cana-soja. .................................................................................................. 30

Figura 3.7. Sensibilidade para o uso de energia fóssil (caso base) – Sistema integrado cana-soja.

....................................................................................................................................................... 30

Figura 3.8. Resultados de Monte-Carlo para emissões de GEE – comparativo entre os sistemas


Figura 3.9. Análise de sensibilidade para emissões de GEE (caso base) – Sistema integrado cana-

soja. ................................................................................................................................................ 32

Figura 3.10.Uso de energia fóssil no ciclo de vida do etanol de cana-de-açúcar para os sistemas


Figura 3.11. Emissões de GEE no ciclo de vida do etanol de cana-de-açúcar para os sistemas


Figura 3.12. Valor presente líquido do fluxo de caixa incremental – sistema integrado cana-soja.

....................................................................................................................................................... 34

Figura 3.13. Análise de sensibilidade para o VPL (caso base) – Sistema integrado cana-soja.......35

Figura 4.1. Unidades de produção comercial de microalgas em lagoas abertas com pás motorizadas

localizadas na Califórnia, EUA (esquerda) e Hawaí, EUA (direita)................................................42

xvi

Figura 4.2. Modelo de fotobiorreator do tipo coluna vertical. ...................................................... 43

Figura 4.3. Sistema integrado cana-algas. ..................................................................................... 47

Figura 4.4. Emissões de GEE para o sistema biodiesel de algas. .................................................. 57

Figura 4.5. Análise de sensibilidade das emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de algas.

....................................................................................................................................................... 58

Figura 4.6. Uso de energia fóssil para o sistema biodiesel de algas. ............................................. 61

Figura 4.7. Análise de sensibilidade do uso de energia fóssil no ciclo de vida do biodiesel de algas.

....................................................................................................................................................... 61

Figura 4.8. Resultado de Monte-Carlo para uso de energia fóssil – comparativo entre os sistemas

tradicional e integrado cana-algas. ................................................................................................ 63

Figura 4.9. Análise de sensibilidade para o sistema integrado cana-algas – Uso de energia fóssil no

ciclo de vida do etanol. .................................................................................................................. 64

Figura 4.10. Resultado de Monte-Carlo para emissões de GEE – comparativo entre os sistemas

tradicional e integrado cana-algas. ................................................................................................ 65

Figura 4.11. Análise de sensibilidade para o sistema integrado cana-algas – Emissões de GEE no

ciclo de vida do etanol. .................................................................................................................. 66

Figura 4.12. Valor presente líquido do fluxo de caixa incremental – sistema integrado cana-algas.

....................................................................................................................................................... 67

Figura 4.13. Análise de sensibilidade para o VPL – Sistema integrado cana-algas. ..................... 67

Figura 4.14. Custos operacionais do sistema integrado cana-algas ............................................... 68

Figura 5.1. Sistema integrado cana-palma......................................................................................73

Figura 5.2. Emissões de GEE para o sistema biodiesel de palma. ................................................ 76

Figura 5.3. Análise de sensibilidade das emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de palma.

....................................................................................................................................................... 76

Figura 5.4. Uso de energia fóssil no sistema biodiesel de palma. ................................................. 77

xvii

Figura 5.5. Análise de sensibilidade do uso de energia fóssil no ciclo de vida do biodiesel de palma.

....................................................................................................................................................... 78

Figura 5.6. Balanço energético dos modelos integrados. .............................................................. 79

Figura 5. 7. Consumo de energia fóssil no ciclo de vida do etanol de cana para os diferentes sistemas

integrados e por processo. ............................................................................................................. 80

Figura 5.8 Análise de MC do consumo de energia fóssil no ciclo de vida do etanol de cana para os

diferentes sistemas integrados. ...................................................................................................... 80

Figura 5.9. Emissões de GEE no ciclo de vida do etanol de cana para os diferentes sistemas

integrados e por processo. ............................................................................................................. 81

Figura 5.10. Análise de MC das emissões de GEE no ciclo de vida do etanol de cana para os

diferentes sistemas integrados. ...................................................................................................... 82

Figura 5.11. Análise de MC do valor presente líquido dos sistemas integrados cana-soja, cana-

palma e cana algas. (i=12% para cana-soja, cana-palma e cana-algas). ........................................ 83

Figura 5.12. VPL para diferentes taxas de desconto. .................................................................... 84

Figura 5.13. Sensibilidade do VPL para o sistema cana-palma. ................................................... 85

Figura 6.1. Comparativo entre o preço do biodiesel e o preço do diesel ao consumidor para o ano

de 2014............................................................................................................................................99

xix

Lista de Tabelas

Tabela 2.1. Hipóteses, objetivos específicos, metodologias utilizadas. .......................................... 8

Tabela 2.2. Parâmetros agrícolas da produção de cana . ................................................................. 9

Tabela 2.3. Parâmetros industriais do processamento de cana. ..................................................... 10

Tabela 3.1. Parâmetros agrícolas da produção de soja. ................................................................. 21

Tabela 3.2. Parâmetros industriais do processamento de soja. ...................................................... 22

Tabela 3.3. Parâmetros da análise econômica. .............................................................................. 25

Tabela 4.1. Parâmetros de cultivo e processamento das algas e do biodiesel ............................... 49

Tabela 4.2. Consumo de carbono no reator mixotrófico e fotobiorreator ..................................... 50

Tabela 4.3. Demanda e oferta de eletricidade e vapor do sistema integrado cana-algas............... 51

Tabela 4.4. Parâmetros da análise econômica. .............................................................................. 55

Tabela 6.1. Resumo dos principais resultados do levantamento de percepção .......................... 102

xxi

Lista de Siglas

Abiove Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais

ACV Avaliação do Ciclo de Vida

ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis

B100 100% biodiesel

CCF Cachos de Fruto Fresco

CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos

COFINS Contribuição para Financiamento da Seguridade Social

CTBE Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol

DME Éter dimetílico

GEE Gases de Efeito Estufa

GWP Global Warming Potential

ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Prestação de Serviços

ICV Inventário do Ciclo de Vida

IEA International Energy Agency

IGP-DI Índice Geral de Preços - Disponibilidade Interna

IMEA Instituto Mato-grossense de Economia Agropecuária

IPCA Índice Nacional de Preços ao Consumidor Amplo

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

IPEA Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada

MAPA Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

MC Monte-Carlo

MCT Ministério da Ciência e Tecnologia

MME Ministério de Minas e Energia

OECD Organization for Economic Co-operation and Development

PBR Photobioreactor; fotobiorreator

PIS Programa de Integração Social

POME Palm Oil Mill Effluent

SAT SEE ALGAE Technology

VPL Valor Presente Líquido

xxiii

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO GERAL ....................................................................................................... 1

1.1. Objetivos .............................................................................................................................. 3

1.2. Estrutura da tese ................................................................................................................... 3

2. METODOLOGIA GERAL ................................................................................................... 5

2.1. Dados de entrada e condições de contorno .......................................................................... 8

2.2. Análise de sensibilidade e incerteza .................................................................................. 11

3. AVALIAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO CANA-SOJA ............................................ 13

3.1. Introdução .......................................................................................................................... 13

3.2. Soja como matéria-prima para a produção de biodiesel .................................................... 14

3.3. Uso da soja para sucessão de cultura em plantios de cana ................................................ 16

3.4. Materiais e métodos ........................................................................................................... 17

3.4.1. Detalhamento do sistema integrado cana-soja ................................................................... 18

3.4.2. Avaliação ambiental .......................................................................................................... 20

3.4.2.1. Inventário do ciclo de vida do sistema integrado cana-soja ...................................... 21

3.4.2.2. Critérios de alocação ................................................................................................. 23

3.4.3. Avaliação econômica ......................................................................................................... 23

3.4.4. Análise de sensibilidade e incerteza .................................................................................. 25

3.5. Resultados .......................................................................................................................... 26

3.5.1. ACV do biodiesel de soja .................................................................................................. 26

3.5.2. ACV do etanol do sistema integrado cana-soja ................................................................. 29


xxiv

3.6. Discussões .......................................................................................................................... 35

3.7. Conclusões ......................................................................................................................... 37

4. AVALIAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO CANA-ALGAS ........................................ 39

4.1. Introdução .......................................................................................................................... 39

4.2. Microalgas como matéria-prima para a produção de biodiesel ......................................... 40

4.2.1. Sistema de produção de algas ............................................................................................ 42

4.3. Detalhamento do sistema integrado cana-algas ................................................................. 45


4.4.1. Avaliação ambiental .......................................................................................................... 48

4.4.1.1. Inventário do ciclo de vida do sistema integrado cana-algas .................................... 48

4.4.1.2. Critérios de alocação ................................................................................................. 52


4.4.3. Análise de sensibilidade e incerteza .................................................................................. 56

4.5. Resultados .......................................................................................................................... 57

4.5.1. ACV do biodiesel de algas ................................................................................................ 57

4.5.2. ACV do etanol do sistema integrado cana-algas ............................................................... 62

4.5.3. Avaliação Econômica ........................................................................................................ 66

4.6. Discussões .......................................................................................................................... 68

4.7. Conclusões ......................................................................................................................... 70

5. META-ANÁLISE DE SISTEMAS INTEGRADOS APLICADOS AO SETOR

SUCROALCOOLEIRO .............................................................................................................. 71

5.1. Justificativa e condições gerais .......................................................................................... 72


5.3. Resultados .......................................................................................................................... 75

xxv

5.3.1. ACV do biodiesel de palma ............................................................................................... 75

5.3.2. Análise comparativa dos modelos de integração ............................................................... 78

5.3.2.1. Avaliação do ciclo de vida......................................................................................... 78

5.3.2.2. Avaliação econômica ................................................................................................. 83

5.4. Discussões .......................................................................................................................... 85

5.5. Conclusões ......................................................................................................................... 86

6. PERCEPÇÃO DOS AGENTES ENVOLVIDOS .............................................................. 88

6.1. Percepção quanto à integração cana-soja........................................................................... 89

6.1.1. Barralcool e Dedini ............................................................................................................ 89

6.1.2. Coplacana e Cooperbio ...................................................................................................... 93

6.1.3. Percepção geral dos demais entrevistados quanto ao sistema cana-soja ........................... 95

6.2. Percepção quanto à integração cana-algas ......................................................................... 95

6.3. Percepção quanto à integração cana-palma ....................................................................... 96

6.4. Comentários gerais quanto à percepção de modelos integrados ....................................... 98

6.5. Quadro resumo da análise de percepção .......................................................................... 101

7. CONCLUSÕES GERAIS E SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ................. 104

7.1. Sugestões de trabalhos futuros ......................................................................................... 108

REFERÊNCIAS ........................................................................................................................ 109

APÊNDICE A – Dados e parâmetros ...................................................................................... 124

APÊNDICE B - Avaliação de impacto do ciclo de vida ......................................................... 128

APÊNDICE C – Fluxo de caixa ................................................................................................ 130

APÊNDICE D - Resultados adicionais .................................................................................... 133

1

1. INTRODUÇÃO GERAL

O potencial do etanol de cana-de-açúcar como uma alternativa à gasolina tem sido a pauta de

muitas discussões sobre os aspectos ambientais, sociais, econômicos e políticos de biocombustíveis

(Goldemberg et al., 2008; Martines-Filho et al., 2009; Gorter et al., 2013). A inserção do etanol em

tais debates é motivada nacionalmente e internacionalmente pela relevância do setor

sucroenergético brasileiro, que coloca o país como o segundo maior produtor mundial e

responsável por 30% da oferta global (OECD/IEA, 2013).

Por esses motivos, o etanol de cana-de-açúcar é referenciado em muitos dos regulamentos e

políticas internacionais que abordam a viabilidade de biocombustíveis em atender às metas locais

de redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE) (European Union, 2003; CARB, 2009;

EPA, 2010). Em países com potencial de produção de biocombustíveis, seu uso também tem sido

apoiado por interesses estratégicos, como segurança energética e redução da dependência externa

por combustíveis (USA, 2007).

Embora se aposte no potencial mitigador de GEE dos biocombustíveis, estudos têm

demonstrado que nem sempre eles são uma boa alternativa quando comparados ao seu substituto

fóssil (Edwards et al., 2008). Tem se discutido, por exemplo, o balanço energético pouco eficiente

do etanol de milho (Pimentel e Patzek, 2005), embora avanços no processo tenham trazido

melhores perspectivas (Chum et al., 2014). Mais recentemente, discussões sobre as emissões de

GEE devido às mudanças diretas e indiretas do uso do solo também colocaram em dúvida os

benefícios dos biocombustíveis (Fargione et al., 2008; Searchinger et al., 2008; Cassidy, 2014).

Esse cenário evidencia a necessidade por alternativas que apresentem melhor balanço de energia

fóssil-renovável, menores emissões de GEE no ciclo de vida e que possam, por conseguinte,

amenizar os efeitos potencialmente negativos da mudança no uso do solo.

Ainda que o etanol de cana-de-açúcar tenha sido apontado como uma dessas alternativas, e

apesar das suas já bem discutidas vantagens como alternativa à gasolina fóssil (Goldemberg et al.,

2008; Seabra et al., 2011), o elevado consumo de diesel nas etapas agrícolas da cana compromete

seu perfil ambiental. O diesel é uma das principais fontes de GEE e a principal fonte de energia

2

fóssil no ciclo de vida do etanol (Seabra et al., 2011). Com base nos dados nacionais de 2013

(CONAB, 2013; EPE, 2013) e em um consumo médio de 4 L/t de cana (Souza e Seabra, 2014),

pode-se inferir que o setor sucroenergético no Brasil foi responsável por cerca de 4% do consumo

nacional de diesel.

Diante desse cenário, é evidente que o elevado consumo de diesel compromete o caráter

“renovável” atribuída ao etanol. Alternativas ao diesel consumido na produção de cana tornam-se

essenciais. Com a implantação do programa brasileiro de produção e uso de biodiesel (PNPB) e o

contínuo desenvolvimento do setor de biodiesel, esse biocombustível surge como uma

oportunidade para reduzir a dependência de diesel e as emissões de GEE no setor sucroenergético.

Nesse contexto destacam-se as propostas de modelos de produção integrada, também

chamados de biorrefinaria, que têm sido apontados como uma alternativa para melhorar a interação

na produção de bioenergia, químicos e alimentos através do processamento sustentável de

biomassa (Cherubini, 2010). Devido à diversidade de produtos (açúcar, bioetanol, bioeletricidade,

etc.) e ao adequado aproveitamento dos resíduos industriais, o setor sucroenergético brasileiro já é

um importante modelo de biorrefinaria.

No entanto, o ciclo de vida do etanol ainda carece de muitas melhorias e, com a finalidade

de propor alternativas, este trabalho explora modelos de produção integrada aplicados ao setor

sucroenergético com foco na produção de biodiesel, na substituição de combustível fóssil e na

potencial contribuição ao setor de alimentos. Neste aspecto, vale ressaltar que as frequentes

discussões sobre a disputa alimento versus biocombustíveis (Cassman e Liska, 2007; Mueller et

al., 2011; Michel, 2012) evidenciam a necessidade por desenvolver modelos que favoreçam a

produção conjunta de bioenergia e alimentos, relação importante dos sistemas de integração

propostos neste trabalho.

3

1.1. Objetivos

O objetivo geral deste estudo foi avaliar o balanço de energia fóssil-renovável, a capacidade

de mitigação de GEE e o desempenho econômico de modelos de produção integrada de etanol e

biodiesel no Brasil. Foram avaliados os sistemas integrados cana-soja e cana-algas e, por meio de

uma meta-análise, a opção de integração com biodiesel de dendê. Adicionalmente, foi realizada

uma análise de percepção junto aos stakeholders para identificar as ameaças e oportunidades dos

modelos propostos.

1.2. Estrutura da tese

Este estudo avalia e discute modelos de integração para o setor sucroenergético brasileiro

tendo como principal foco a redução no consumo de combustível fóssil no ciclo de vida do etanol.

A tese está estruturada em sete capítulos.

O Capítulo 1 inicia o desenvolvimento da tese apresentando um panorama geral sobre o

etanol de cana-de-açúcar e os objetivos deste estudo.

O Capítulo 2 apresenta a metodologia geral aplicada neste trabalho. Todos os dados e

métodos que são comuns entre os sistemas integrados são apresentados nesse capítulo.

O Capítulo 3 discorre sobre uma proposta de produção integrada de etanol de cana-de-açúcar

e biodiesel de soja. O escopo desse modelo envolve a produção de biodiesel exclusivamente a partir

da soja proveniente da reforma do canavial e da negociação comercial entre a venda do farelo e a

compra de óleo adicional.

O Capítulo 4 apresenta uma proposta de integração de uma usina de biodiesel de algas ao

setor sucroenergético brasileiro. Algas, de metabolismo mixotrófico, são alimentadas com o

dióxido de carbono proveniente da fermentação do mosto da cana-de-açúcar e com a glicerina

proveniente do próprio processo produtivo do biodiesel.

4

O Capítulo 5 traz uma meta-análise de três modelos integrados aplicáveis ao sistema

tradicional de cana-de-açúcar, que inclui os dois sistemas apresentados nos Capítulos 3 e 4 e,

adicionalmente, um sistema integrado de produção de etanol de cana-de-açúcar e biodiesel de

dendê.

Com o objetivo de discutir a aplicabilidade dos sistemas integrados, foram entrevistados

diferentes agentes envolvidos na cadeia de biocombustíveis. O Capítulo 6 consolida e expõe a

opinião desses especialistas quanto aos desafios, potencialidades e perspectivas dos modelos

integrados propostos neste estudo.

Por fim, o Capítulo 7 reúne as conclusões gerais do estudo, discorrendo e comparando os

resultados dos modelos de integração.

5

2. METODOLOGIA GERAL

A avaliação ambiental dos modelos de produção integrada utilizou como base metodológica

os princípios da técnica de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) (ISO 14040, 2006; ISO 14044,

2006). Segundo as normas ISO, um estudo de ACV é composto por quatro fases: 1) Definição do

objetivo e do escopo, 2) Análise do inventário do ciclo de vida, 3) Avaliação dos impactos

ambientais do ciclo de vida, e 4) Interpretação dos resultados.

Para análises que tratam de combustíveis, algumas definições de escopo são sugeridas: a)

“Well-to-Tank”, para abordagens que incluem a produção do combustível desde a utilização de

recursos para sua fabricação até sua chegada ao tanque do veículo, ou seja, incluem as etapas de

extração de matérias-primas, transporte, estoque, processamento e distribuição; b) “Tank-to-

Wheel”, para escopo que abrange desde o tanque do veículo até a roda, ou seja, envolve o

abastecimento, o consumo e a evaporação; c) “Well-to-Wheel”, integra as duas últimas abordagens,

portanto, analisa todo o ciclo do combustível (Brinkman et al., 2005; CARB, 2009; Gnansounou

et al., 2009).

Este estudo emprega o escopo do tipo “Well-to-Tank”. No entanto, não foi considerada a

etapa de distribuição do etanol até o posto de combustível (ponto de uso). Como o objetivo é

comparar modelos de produção cujos escopos não diferem quanto à distribuição, abastecimento e

consumo, a quantificação dos aspectos ambientais para essas etapas finais da cadeia pode ser

anulada devido à semelhança.

Para atender aos objetivos deste trabalho, foram realizados cinco estudos de ACV, todos para

as condições brasileiras, quais sejam: 1) etanol tradicional de cana-de-açúcar, 2) biodiesel de soja,

3) sistema integrado cana-soja, 4) biodiesel de algas, e 5) sistema integrado cana-algas. A unidade

funcional foi definida como 1 MJ de etanol hidratado, para os sistemas tradicional de cana-de-

açúcar e integrado (1, 3 e 5), e 1 MJ de biodiesel etílico, para os sistemas soja e algas (2 e 4).

Embora os sistemas integrados propostos compartilhem do mesmo objetivo geral, detalhes

sobre escopo e objetivos específicos são inerentes a cada modelo. Por esse motivo, esse

6

detalhamento é apresentado nos Capítulos 3 e 4, que discorrem individualmente sobre cada um dos

sistemas.

O Capítulo 5 explora, por meio de uma meta-análise, os dois modelos integrados

desenvolvidos para este estudo e um terceiro modelo cana-palma avaliado em estudo anterior

(Souza et al., 2012). Para fins de coerência metodológica, o inventário do ciclo de vida do etanol

de cana, anteriormente utilizado no modelo cana-palma, foi atualizado para o inventário usado

neste trabalho. Além disso, os fatores de emissão de gases de efeito estufa e de intensidade

energética foram padronizados.

Para a fase de identificação dos aspectos ambientais, foram tratadas as categorias de emissões

de gases de efeito estufa e de consumo de energia fóssil. O balanço de energia fóssil-renovável do

etanol e do biodiesel é dado pela equação abaixo:

𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛ç𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 [kJ𝑓ó𝑠𝑠𝑖𝑙

MJ𝑏𝑖𝑜𝑐𝑜𝑚𝑏] = (∑ 𝐸𝑝𝑎 + ∑ 𝐸𝑝𝑖) × 𝑓𝑏 (1)

Onde, ∑ 𝐸𝑝 é o somatório da energia primária fóssil (Ep) demandada nas diversas etapas da

fase agrícola (a) e da fase industrial (i). A variável 𝑓𝑏corresponde à fração de energia alocada para

os biocombustíveis, conforme critérios de alocação explicados a seguir.

A energia primária fóssil (Ep), dada em[kJ𝑓ó𝑠𝑠𝑖𝑙

MJ𝑏𝑖𝑜𝑐𝑜𝑚𝑏], corresponde à razão entre a demanda

energética ao longo do ciclo de vida dos produtos (energia de entrada) e a energia interna contida

nos biocombustíveis, i.e., seu poder calorífico inferior (energia de saída). Ou seja, o uso de energia

fóssil é expresso pela energia fóssil investida para produzir 1 MJ de biocombustível (unidade

funcional).

O cálculo das emissões de gases de efeito estufa (GEE) parte do mesmo princípio:

𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛ç𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝐸𝐸 [kg CO2𝑒

MJ𝑏𝑖𝑜𝑐𝑜𝑚𝑏] = (∑ 𝐸𝑎 + ∑ 𝐸𝑖) × 𝑓𝑏 (2)

7

Onde, ∑ 𝐸 é a somatória das emissões de GEE (E) provenientes das diversas etapas da fase

agrícola (a) e da fase industrial (i). A mesma fração de alocação usada para o balanço de energia é

aplicada às emissões de GEE. Os resultados para as emissões do ciclo de vida são expressos em

CO2e (dióxido de carbono equivalente), usando como fator de caracterização o GWP100 (IPCC,

2007).

Em relação ao tratamento dos coprodutos, o padrão ISO 14.044 sugere que quando a alocação

não pode ser evitada, como no caso deste trabalho, as entradas e saídas de um sistema devem ser

divididas entre suas diferentes funções ou produtos de uma forma que reflita a relação física entre

elas (ISO 14044, 2006). Por essa razão, a alocação baseada em energia foi considerada a relação

física mais adequada para dividir o uso de energia fóssil e as emissões de GEE entre o etanol e a

eletricidade excedente, uma vez que ambos são produtos energéticos. Para o caso do biodiesel, a

alocação por massa é a relação física que melhor representa os produtos de saída (biodiesel,

glicerina e torta). Para os sistemas integrados cana-soja e cana-algas, seus coprodutos farelo e

glicerina, respectivamente, não foram incluídos na alocação pois as cargas ambientais atribuídas a

eles são refletidas dentro do próprio sistema.

Adicionalmente à avaliação ambiental, foi desenvolvida uma avaliação econômica que

incluiu o uso de fluxo de caixa incremental para cálculo do Valor Presente Líquido (VPL). Detalhes

metodológicos são apresentados nos itens 3.4.3 e 4.4.2.

A definição das metodologias levou em consideração os objetivos atribuídos a cada uma das

hipóteses deste trabalho. Com a finalidade de representar melhor essas relações, a Tabela 2.1 traz

uma apresentação consolidada das hipóteses, objetivos específicos e metodologias adotadas.

8

Tabela 2.1. Hipóteses, objetivos específicos, metodologias utilizadas.

Hipótese Objetivos específicos Metodologia

Modelos de produção integrada

etanol-biodiesel aplicados ao setor

sucroenergético reduzem as

emissões de GEE e o consumo de

combustível fóssil no ciclo de vida

do etanol de cana-de-açúcar.

Estimar o balanço de

energia fóssil-renovável Avaliação do Ciclo de Vida

Análise de sensibilidade

Simulação de Monte-Carlo Estimar e avaliar a

capacidade de mitigação de

gases de efeito estufa

O autoconsumo de biodiesel,

adicionado à economia de diesel,

melhora o desempenho econômico

dos sistemas propostos.

Avaliar a rentabilidade do

investimento

Valor Presente Líquido

(VPL)

Análise de sensibilidade

Simulação de Monte-Carlo

A redução das emissões de GEE e

do consumo de combustível fóssil

são fatores que estimulariam o

investimento nos modelos de

integração propostos.

Identificar a percepção de

agentes envolvidos e partes

interessadas quanto às

propostas de integração

apresentadas neste trabalho

Entrevista semi-estruturada

com agentes de ministérios,

associações, institutos e

indústria por meio de

perguntas pré-definidas para

cada entrevistado

Embora os sistemas propostos

possam trazer benefícios

ambientais, barreiras políticas,

técnicas e econômicas podem

inviabilizar a implantação desses

modelos.

Avaliar as potencialidades

e as limitações da adoção

desses modelos de

integração na região centro-

sul do país

Levantamento de percepção

dos agentes envolvidos

2.1. Dados de entrada e condições de contorno

O inventário do ciclo de vida do etanol de cana-de-açúcar é baseado em dados coletados em

sete usinas do setor sucroenergético e junto a fornecedores de cana, representando casos típicos da

região Centro-Sul do Brasil. Os parâmetros adotados para a produção da cana-de-açúcar (fase

agrícola) e a produção do etanol (fase industrial) estão apresentados nas Tabela 2.2 e Tabela 2.3,

respectivamente. Os dados foram levantados nos estados de São Paulo, Mato Grosso e Goiás por

meio de observação direta extensiva usando questionários. Embora os dados não representem todas

as regiões de produção de cana no país, e nem necessariamente médias da região Centro-Sul, deve-

9

se destacar que o objetivo deste projeto foi avaliar variações no sistema de produto, ou seja,

identificar as diferenças ocorridas ao se adotar os sistemas de integração aqui propostos em

substituição a casos típicos brasileiros. Tais modelos de integração, respeitadas as restrições

edafoclimáticas, também seriam possíveis nos estados do Paraná, de Mato Grosso e de Minas

Gerais devido à relevância desses no cultivo de cana-de-açúcar e soja.

Tabela 2.2. Parâmetros agrícolas da produção de cana a.

Parâmetro Valor Unidade

Número de cortes b 5

Mudas para plantio mecanizado c 18 t ha-1

Produtividade da cana d 85 t ha-1ano-1

Produtividade de palha e 140 kgseco t-1 cana

Palha deixada no campo f 80%

Agroquímicos

Nitrogênio 84,5 kg ha-1ano-1

Fósforo 27,1 kg ha-1ano-1

Potássio 72,9 kg ha-1ano-1

Inseticida 0,2 kg ha-1ano-1

Fungicida 0,01 kg ha-1ano-1

Herbicida 4,1 kg ha-1ano-1

Calcário g 1000 kg ha-1ano-1

Gesso (CaSO4) 500 kg ha-1ano-1

Consumo de diesel 259,5 L ha-1ano-1

Vinhaça (taxa de aplicação) h 140 m³ ha-1

Cinzas da caldeira (taxa de aplicação) i 5 tseco ha-1

Torta de filtro (taxa de aplicação) j 5 tseco ha-1 a Dados de campo. b 5 cortes em cada ciclo da cana, seguido por sucessão de cultura. Quanto maior o número

de cortes, menor a área disponível para reforma. c Por hectare plantado. d Por área colhida. e Hassuani et al.

(2005). f Seabra et al. (2011). Uma aplicação de 3t/ha na cana-planta e duas de 1,5t/ha na cana-soca, ao

longo de 6 anos. h Aplicada em 57% da área colhida de cana. i Aplicada em 3% da área total do canavial. j Aplicada em 18% da área colhida de cana.

Atenção maior foi dada ao diesel, principal fonte de energia fóssil no ciclo de vida do etanol.

A identificação do consumo efetivo foi realizada minuciosamente para cada etapa agrícola,

considerando-se o consumo de diesel por hora, a capacidade efetiva de campo, que corresponde

aos hectares realizados por hora, e a eficiência operacional, que leva em consideração a área útil

trabalhada. O consumo de diesel por hora foi validado com uso de um extenso banco de dados,

disponibilizado pelas usinas, que incluía mais de 10.000 dados de entrada. Para a capacidade de

10

campo efetiva e a eficiência operacional foram utilizados valores do CanaSoft, programa

desenvolvido pela equipe do CTBE (Laboratório Nacional de Ciência e Tecnologia do Bioetanol).

Tabela 2.3. Parâmetros industriais do processamento de cana.

Parâmetro Valor Unidade

Capacidade de processamento da usina 4.000.000 t ano-1 cana

Saídas a

Etanol 85 L t-1 cana

Eletricidade excedente b 105,5 kWh t-1 cana

Vinhaça c 11 L L-1 etanol

Cinzas da caldeira c 2 kgseco t-1 cana

Torta de filtro c,d 32 kg t-1 cana

Insumos industriais c

CaO 530 g t-1 cana

Antiespumante 0,32 g L-1 etanol

Dispersante 0,28 g L-1 etanol

Ácido sulfúrico 6,58 g L-1 etanol

Lubrificante e 13 g t-1 cana

Ciclohexano f 1,22 g L-1 etanol

Hidróxido de sódio 0,40 g L-1 etanol a Vinhaça, cinzas da caldeira e torta de filtro são resíduos industriais que retornam ao campo como

fertilizantes.. b Geração total de eletricidade: 135,5 kWh/t cana (Dias et al., 2011); consumo de eletricidade:

30 kWh/t cana. Ver Tabela 3.2 e Tabela 4.3 para eletricidade excedente dos sistemas integrados. c Dados

coletados em campo. d 67% de umidade; 10,6 kgseco t-1 cana. e Cavalett et al. (2012). f Produção de anidro

somente para uso na planta de biodiesel.

Referente à planta de cogeração, vale mencionar que foi considerada uma usina de

configuração moderna com caldeira de 90 bar, eletrificação completa da planta e 20% de redução

na demanda por vapor, conforme premissas adotadas em Dias et al., 2011.

O sistema de produto foi modelado de forma que as entradas e saídas da fronteira do sistema

fossem fluxos elementares e de produto. O transporte de insumos (fertilizantes e produtos

químicos) para as unidades de processamento, no entanto, foi ignorado porque a sua contribuição

para o ciclo de vida global é mínima e as fontes são variáveis. Todos os fluxos de energia foram

calculados em termos de energia fóssil primária, conforme apresentado na equação (1). Para as

emissões de GEE, foram quantificados os fluxos relacionados à produção e uso de diesel,

combustão de biomassa, produção de insumos químicos, produção e utilização de fertilizantes,

calcário, pesticidas e resíduos que retornam ao solo (palha da cana e da soja, torta de filtro, vinhaça,

11

fuligem e cinzas). As emissões diretas e indiretas de N2O provenientes dos resíduos das culturas e

do nitrogênio sintético foram estimadas de acordo com o IPCC, Tier 1 (IPCC, 2006). Emissões de

N2O diretas, como resultado da fixação biológica de nitrogênio, não foram consideradas devido à

falta de evidência que indique emissões significativas resultantes desse processo (IPCC, 2006;

volume 4, Capítulo 11).

Os fatores de emissão de GEE e o consumo de energia fóssil referentes às entradas de

materiais e energia no Inventário do Ciclo de Vida (ICV) do etanol de cana e do biodiesel foram

obtidos do Ecoinvent v.2.2. (Ecoinvent, 2012) e do CanaSoft, programa que retrata as condições

brasileiras (Bonomi et al., 2012; Cavalett et al., 2012; Chagas et al., 2012) (APÊNDICE A; Tabela

A 3).

A contribuição de cada fonte de fertilizante nitrogenado foi definida de acordo com Seabra

et al. (2011). Para o cálculo do consumo de diesel na irrigação do canavial, assumiu-se sistema de

bomba e carretel, com dois rolos de aspersão por bomba, mangueira de 400 metros, espaçamento

entre as bobinas de 60 metros e velocidade do carretel de 66 m/h, conforme dados fornecidos por

uma das usinas. Adotou-se que apenas 50% da área de cana-de-açúcar é irrigada.

2.2. Análise de sensibilidade e incerteza

Dadas as incertezas associadas aos modelos, os desempenhos ambientais e econômicos foram

avaliados por meio de uma abordagem estocástica utilizando a simulação de Monte-Carlo para

10.000 iterações. Nesse método, uma adequada distribuição de probabilidade é atribuída a cada

uma das variáveis de entrada sujeitas a incertezas (no presente caso, com base nos dados das usinas

e fazendas visitadas, em dados históricos, na opinião de especialistas e em uma extensa pesquisa

bibliográfica). Para cada iteração, valores para essas variáveis são gerados aleatoriamente e

combinados com outros valores também gerados aleatoriamente. Os resultados são apresentados

como um valor médio associado com uma distribuição de probabilidade para todas as saídas

possíveis (ADB, 2002). Quando necessário, foi também aplicado o teste “t de Student” para

verificar se dois conjuntos de dados foram significativamente diferentes entre si. Crystal Ball® foi

usado como ferramenta auxiliar para definir a distribuição de melhor ajuste, realizar a análise de

12

sensibilidade e a simulação de Monte-Carlo. As distribuições de probabilidade e as premissas

adotadas na simulação de Monte-Carlo estão apresentadas no APÊNDICE A (Tabela A 1 e Tabela

A 2). O intervalo de teste adotado na sensibilidade varia de 1 a 99%.

Devido às incertezas em relação às emissões de N2O provenientes do manejo do solo, foram

assumidas distribuições de probabilidade para as emissões diretas e indiretas (volatilização e

lixiviação/escoamento) de acordo com os limites estabelecidos pelo IPCC (2006) (APÊNDICE A,

Tabela A 2).

Demais detalhes referentes às premissas adotadas para as análises de sensibilidade e de

incerteza dos modelos cana-soja e cana-algas são apresentados nos Capítulos 3 e 4,

respectivamente.

13

3. AVALIAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO CANA-SOJAa

3.1. Introdução

Devido à relevância da soja no agronegócio brasileiro, como resultado de um

desenvolvimento adequado dos aspectos agronômicos, industriais e logísticos ao longo de décadas,

a demanda do Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB) tem sido

majoritariamente atendida pela cadeia produtiva desse grão. Respondendo por cerca de 80% das

matérias-primas, a soja lidera como principal fonte na produção de biodiesel. Outras matérias-

primas incluem sebo bovino, óleo de algodão, óleo de fritura, gordura de frango e porco, óleo de

palma, óleo de amendoim e óleo de girassol (ANP, 2014).

A importância da soja na cadeia de biodiesel atrelada à alta demanda de diesel na produção

de cana-de-açúcar e à possibilidade de uso da soja na renovação do canavial têm estimulado

esforços para a integração desses sistemas. Tal modelo já foi testado no Brasil, incluindo a

produção conjunta de biodiesel, bioetanol, açúcar e bioeletricidade (Olivério et al., 2007).

Motivado por essa potencialidade, este capítulo traz a avaliação de um sistema em que uma

usina de biodiesel de soja é integrada ao setor sucroenergético. Tem-se como hipótese que a

produção integrada cana-soja, com foco na substituição do diesel fóssil pelo combustível renovável

produzido localmente, irá melhorar o desempenho ambiental e econômico quando comparado ao

sistema convencional de etanol de cana.

Os objetivos deste estudo foram estimar o balanço de energia fóssil-renovável e a capacidade

de mitigação da emissão de gases de efeito estufa, bem como explorar a viabilidade econômica da

integração cana-soja. Devido ao atual panorama de desenvolvimento das culturas de soja e de cana-

de-açúcar em MT, GO e SP, esses estados foram selecionados como escopo espacial devido ao

maior potencial para sistemas integrados do tipo cana-soja.

a Parte dos resultados deste capítulo foi publicada em SOUZA SP, SEABRA JEA. Integrated production of

sugarcane ethanol and soybean biodiesel: Environmental and economic implications of fossil diesel displacement.

Energy Conversion and Management 87: 1170-1179 (2014).

14

3.2. Soja como matéria-prima para a produção de biodiesel

A soja (Glycine max L) é uma leguminosa de ciclo anual pertencente à família Fabaceae. No

Brasil, a época de plantio dessa oleaginosa se estende, principalmente, entre os meses de outubro

a dezembro. A colheita ocorre entre os meses de fevereiro a maio, com predominância no mês de

março (CONAB, 2014).

Estados Unidos, Brasil e Argentina estão entre os maiores produtores de soja, responsáveis

por quase 80% da produção mundial (FAO, 2012a). No Brasil, a produtividade média na safra

11/12 foi de 3 t/ha; Mato Grosso, Paraná e Rio Grande do Sul estão entre os maiores produtores

(CONAB, 2011).

O grão de soja contém de 14 a 17% de óleo e de 33 a 40% de proteína (Hilliard e Daynard,

1976). É hoje uma das principais matérias-primas da indústria de óleos vegetais. Em 2012, sua

produção foi superior a 40 milhões de toneladas de óleo, respondendo por mais de 25% da produção

mundial (FAO, 2012b). Em função de seu conteúdo proteico, a torta de soja respondeu por mais

de 65% do suprimento global de proteína em 2013-2014 (USDA, 2014).

Os principais métodos usados e/ou discutidos para a separação do óleo de soja são a extração

por prensagem mecânica, por solvente e enzimática. No processo de prensagem mecânica são

utilizadas prensas contínuas para separar o óleo da torta. Na extração com uso de solvente,

geralmente hexano, o grão é triturado para permitir a penetração do solvente, que por sua vez

auxilia na transferência do soluto (óleo) devido à miscibilidade de ambos. A extração enzimática

consiste na fermentação do grão por enzimas para posterior retirada do óleo (Rosenthal et al., 1996;

Santos e Ferrari, 2005). Com o objetivo de melhorar a eficiência de extração, a prensagem

mecânica pode ser seguida da extração por solvente.

Depois de extraído, o óleo pode ser usado na indústria alimentícia (Ribeiro et al., 2009) e na

produção de óleo lubrificante (Ting e Chen, 2011) ou de biodiesel (Ferrari et al., 2005).

Atualmente, a soja é a uma das principais matérias-primas utilizadas para a fabricação de biodiesel

no mundo (ANP, 2014; EIA, 2014; FAS, 2013). A conversão do óleo de soja em éster é geralmente

15

realizada pelo processo de transesterificação, principal tecnologia usada para a produção de

biodiesel.

Da extração do óleo obtém-se como coproduto o farelo de soja, uma importante fonte de

proteína para a alimentação humana (Song et al., 2008) e animal (Cools et al., 2014; Lourenço et

al., 2013; Hernández et al., 2007). Além dessas aplicações, o farelo de soja também pode ser usado

como matéria-prima para cola de papéis laminados e adesivos para madeira (Hojilla-Evangelista,

2010), na indústria têxtil e na produção de moldes plásticos e compensados (Embrapa, 2007).

Em relação ao desempenho ambiental do biodiesel de soja para condições brasileiras,

segundo um estudo do tipo cradle-to-grave, elaborado por Mourad e Walter (2011), o consumo de

energia fóssil no ciclo de vida desse combustível varia de 3,7 a 4,9 (MJ de biodiesel por MJ de

energia fóssil consumida). Em uma análise mais recente, desenvolvido por Rocha et al. (2014),

foram compilados diferentes estudos de ciclo de vida para o biodiesel de soja. Os autores

identificaram que os valores médios de balanço de energia variam de 2,9 a 5,4. Para o caso base,

referente às condições brasileiras, o mesmo estudo reportou variação de 4,2 a 8,6. A justificativa

para diferentes resultados na literatura se deve ao método de alocação, às condições de contorno e

aos fatores adotados. Outros estudos, para condições não brasileiras, reportaram valores de balanço

de energia inferiores, como 3,2 (Sheehan et al., 1998) e 1,9 (Hill et al., 2006).

Referente às emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de soja, Rocha et al. (2014)

constataram que essas podem variar de 8 gCO2e a 42 gCO2e por MJ de biodiesel. Valor mais alto

foi encontrado por Hill et al. (2006), cujas emissões de GEE reportadas foram de 50 gCO2e/MJ de

biodiesel. Novamente, a heterogeneidade dos resultados é decorrente das premissas adotadas.

16

3.3. Uso da soja para sucessão de cultura em plantios de cana

O cultivo de leguminosas como cultura de sucessão ou rotação já vem sendo usado há muitos

anos. Hoje, é mundialmente praticado em ambos os sistemas de produção industrial (larga escala)

e de subsistência, inclusive em sucessão com a cana (Park et al., 2010). Desde o final da década de

1970, os produtores e usinas de cana tentam fazer da sucessão de culturas uma atividade viável em

cultivos de cana-de-açúcar no Brasil. Apesar do pouco sucesso nos primeiros anos, hoje há um

grande interesse no estabelecimento de tal prática (Penariol, 2006). No estado de São Paulo, por

exemplo, a sucessão das culturas cana-amendoim é uma prática comum.

O cultivo de culturas de ciclo curto em áreas de renovação de cana traz inúmeras vantagens

agronômicas, econômicas, políticas e sociais. Entre essas vantagens estão (Santiago e Rossetto,

1999): redução dos custos com a reforma do canavial, conservação do solo devido à manutenção

de sua cobertura durante a estação chuvosa, controle de plantas daninhas durante o cultivo anual

da cana, controle indireto de pragas, aumento da produtividade de cana e produção adicional de

alimentos.

As leguminosas mais comuns usadas como cultura de sucessão incluem crotalária, soja e

amendoim. A escolha é feita em função da localização do plantio, da declividade da área, da

predisposição a pragas e da disponibilidade de máquinas e implementos (Santiago e Rossetto,

1999). Além disso, é importante o uso de terrenos mecanizáveis para a colheita. Da mesma forma

que as outras opções, a adoção da soja como cultura de sucessão permite aos agricultores dividir

os custos relacionados ao preparo do solo (e.g., operações mecanizadas), à calagem e à adubação.

As leguminosas também fornecem nitrogênio (N), por meio da fixação biológica, e promovem a

incorporação de matéria orgânica e a conservação do solo, reduzindo a necessidade de fertilizantes

nitrogenados no cultivo da cana (Ambrosano et al., 2010; Park et al., 2010; Santiago e Rossetto,

1999).

Com o estabelecimento progressivo da colheita mecanizada de cana crua no Brasil, um novo

desafio foi definido para o cultivo de cana-de-açúcar – a adoção da prática de plantio direto. Isso

eliminaria as atividades de preparo do solo do sistema convencional, diminuindo os custos e

melhorando o balanço de energia devido à redução no consumo de combustíveis fósseis (diesel).

17

3.4. Materiais e métodos

O limite do sistema, cujo escopo é do tipo well-to-tank, inclui os cultivos de cana-de-açúcar

e de soja e a produção de biocombustíveis e seus coprodutos (Figura 3.1). A etapa de distribuição

do etanol até o posto de combustível (ponto de uso) não faz parte do escopo, conforme justificado

no Capítulo 2. A descrição dos sistemas avaliados é dada abaixo:

Sistema tradicional (caso referência): Sistema convencional de produção e processamento

de cana que utiliza apenas diesel convencional (B5) como combustível nas operações

agrícolas e de transporte. Etanol e eletricidade são os produtos de saída.

Sistema de biodiesel de soja (com integração industrial, apenas): Sistema de produção de

soja que tem como produtos o farelo, o biodiesel e a glicerina. O biodiesel é produzido por

transesterificação utilizando rota etílica. Diesel (B5) é usado nas operações agrícolas e de

transporte da soja. A eletricidade, o calor e o etanol usados na etapa de transesterificação são

fornecidos pela usina de cana e por uma planta moderna de cogeração. A usina de cana

também fornece energia elétrica para a etapa de extração de óleo, mas não abastece a

demanda de energia para secagem e armazenamento do grão.

Sistema integrado cana-soja: Produção integrada de biodiesel, glicerina, farelo de soja,

etanol e eletricidade. Dois cenários foram desenvolvidos. No cenário 1, apresentado neste

Capítulo, a substituição do diesel, consumido nas operações agrícolas e de transporte da cana

e da soja, tem como fator limitante a área de reforma disponível para o plantio de soja e,

consequentemente, para a produção de biodiesel. Nesse cenário, como a demanda de

biodiesel é superior à oferta, não há substituição de 100% do diesel. No cenário 2,

apresentado no Capítulo 5, o fator condicionante é a substituição de 100% do diesel

consumido na biorrefinaria. Portanto, é necessário adquirir soja fora do sistema. Nesse

cenário, apenas a soja da proveniente da área de reforma possui 100% de substituição de

diesel, assumindo que seria difícil gerenciar o uso de biodiesel nos fornecedores de soja.

18

Figura 3.1. Sistema integrado cana-soja.

Nota: caixas cinza-escuro: processos; caixas brancas: produtos consumidos dentro do sistema;

caixas verdes: produtos de saída; tracejado laranja: fluxos de energia que abastecem todos os

processos (exceto vapor para planta de extração de óleo); e setas pretas: fluxo de massa.

3.4.1. Detalhamento do sistema integrado cana-soja

No modelo proposto, cana-de-açúcar e soja são processados em uma planta integrada de

etanol-biodiesel, cuja demanda por calor e por eletricidade (incluindo a planta de extração de óleo)

é suprida pela queima do bagaço numa planta moderna de cogeração. Partiu-se do pressuposto que

o óleo é proveniente da soja cultivada na área de reforma da cana-de-açúcar, incluindo o óleo direto

do grão e a compra de óleo adicional equivalente à receita da venda de farelo de soja. Esse

procedimento de aquisição de óleo adicional por troca do farelo é denominado de Façon (Olivério

et al., 2007) (Figura 3.1).

Glicerina

Cultivo de cana

Extração de óleo *

Etanol

Óleo de soja

Eletricidade excedente

Mosto

Biodiesel

Vapor (exceto *) e eletricidade a

partir do bagaço de cana

Planta de biodiesel

Etanol

Usina de cana

Destilaria

Energia fóssil

Emissões de GEE

Recursos primários

Soja

farelo

Cana

Cultivo de soja(área de reforma)

Óleo de soja

Façon

19

As principais premissas adotadas para o sistema integrado cana-soja são:

Soja é cultivada em 70% da área de reforma do canavial (Olivério et al., 2007).

A planta de biodiesel de soja inclui a unidade de extração de óleo.

O óleo de soja convertido em biodiesel é fornecido pela soja cultivada na área de reforma

da cana-de-açúcar e por uma quantidade adicional adquirida a partir da troca do farelo

de soja. Para o cenário 1, nenhuma área adicional foi assumida. Para o cenário 2, soja é

proveniente, também, de uma área adicional.

A transesterificação do óleo de soja é realizada por rota etílica com uso do etanol de

cana.

O diesel usado para a produção de cana-de-açúcar é substituído parcialmente (cenário

1) ou totalmente (cenário 2) por biodiesel, sem modificação do motor (Qi et al., 2010;

Rakopoulos et al., 2006). Não há produção de biodiesel excedente em qualquer um dos

cenários.

A vinhaça e a torta de filtro são utilizadas para fertirrigação e adubação orgânica,

respectivamente. A torta de filtro é aplicada em 100% da área de renovação.

O bagaço de cana é totalmente utilizado como combustível na planta de cogeração,

atendendo às necessidades de energia da planta combinada (etanol e biodiesel) e, ainda,

produzindo eletricidade excedente. O bagaço também alimenta a demanda por

eletricidade da planta de extração de óleo.

Cinquenta por cento da área de cana-de-açúcar é irrigada (irrigação de salvamento).

Exceto para os estados da região Nordeste, a cana praticamente não é irrigada no Brasil. No

entanto, essa prática vem aumentando, principalmente entre os produtores dos estados de Mato

Grosso e Goiás. Quando empregada, a irrigação é usada especialmente após o plantio da cana para

garantir a brotação ("irrigação de salvamento"). No entanto, o objetivo neste trabalho não é discutir

a irrigação e seus efeitos sobre o crescimento da cana, mas identificar o consumo de diesel para

20

essa atividade. Além disso, a técnica ainda está em desenvolvimento e os procedimentos e a taxa

de irrigação variam muito entre os produtores.

Em relação à aplicação de fertilizante nitrogenado, seu uso em plantios de cana pode ser

substancialmente reduzido, ou mesmo eliminado, com o cultivo de leguminosas em área de

renovação do canavial (Park et al., 2010). Para o caso base, de forma conservadora, não foi

assumida alteração na quantidade de N em função da prática de sucessão com soja. No entanto, o

impacto da completa eliminação do uso de nitrogênio inorgânico na cana-planta foi investigado na

análise de sensibilidade.

3.4.2. Avaliação ambiental

A seguir são apresentados os dados de entrada para o inventário do ciclo de vida do biodiesel

de soja, bem como outros detalhes metodológicos pertinentes ao modelo cana-soja. Demais

detalhamentos da metodologia para a avaliação ambiental, incluindo as premissas para o

desenvolvimento do inventário do ciclo de vida do etanol de cana, foram apresentados no

Capítulo 2.

21

3.4.2.1. Inventário do ciclo de vida do sistema integrado cana-soja

Os dados de entrada para o inventário do ciclo de vida do biodiesel de soja foram levantados

em fornecedores de soja e usinas de biodiesel nos estados de São Paulo, Mato Grosso e Goiás

(Tabela 3.1 e Tabela 3.2).

Tabela 3.1. Parâmetros agrícolas da produção de soja.

Parâmetros Valor Unidade

Consumo de sementes a 50,83 kg ha-1

Produtividade da soja b 3 t ha-1 ano-1

Perda de produtividade por compactação do solo c 23%

Produtividade efetiva da soja c 2,3 t ha-1 ano-1

Produção de óleo d 5.580 t ano-1

Óleo adquirido a partir do Façon e 178 kg (t grão)-1

Produtividade do farelo de soja f 0,81 kg (kg grão)-1

Produção de palha de soja f 2.811 kgseco ha-1

Agroquímicos

Nitrogênio f 1,2 kg ha-1 ano-1

Fósforo f 72 kg ha-1 ano-1

Potássio f 72 kg ha-1 ano-1

Inseticida a 1,04 kg ha-1 ano-1

Fungicida a 0,66 kg ha-1 ano-1

Herbicida a 1,70 kg ha-1 ano-1

Consumo de diesel g 90 L ha-1 ano-1 a Capaz (2009). b CONAB (2011). c Dado de campo (a alta mecanização na cultura da cana provoca a

compactação do solo, comprometendo a produtividade da soja cultivada em área de reforma de canavial.

Com isso, há uma redução na produtividade em comparação às áreas tradicionais de soja). d Inclui soja

produzida em área de renovação e óleo adicional a partir do Façon. e Valor calculado com base no preço do

farelo e do óleo de soja (kg/t grão vendido). f Dados levantados em visita de campo. g Valor calculado a

partir de dados fornecidos pelas usinas.

Para a coleta de dados adotou-se o método de observação direta extensiva por meio de

questionários. Os dados de campo foram comparados com informações da literatura, dando base

para a definição dos parâmetros estatísticos utilizados nas análises de sensibilidade e de incerteza

(APÊNDICE A; Tabela A 2)

22

Tabela 3.2. Parâmetros industriais do processamento de soja.

Parâmetros Valor Unidade

Biodiesel de soja

Secagem do grão a

Consumo de eletricidade 10 kWh t grão-1 base seca

Consumo de lenha 6,5 Kg t grão-1 base seca

Extração do óleo

Consumo de eletricidade b 241 kWh t-1 biodiesel

Consumo de combustível a 2046 M J t grão-1 base seca

Planta de biodiesel

Capacidade de processamento de biodiesel 100.000 t ano-1

Capacidade efetiva de processamento c 88.000

Produção de biodiesel d 5.440 t ano-1

Conversão óleo-biodiesel e 97,5%

Produção de glicerina c 138 kg t-1 biodiesel

Consumo de eletricidade b 50,7 kWh t-1 biodiesel

Insumos industriais g

Etanol 154 kg t-1 biodiesel

Metilato de sódio 33,4 kg t-1 biodiesel

Ácido cítrico 0,65 kg t-1 biodiesel

Ácido clorídrico 9,5 kg t-1 biodiesel

Hidróxido de sódio 1,5 kg t-1 biodiesel

Ácido sulfúrico 0,2 kg t-1 biodiesel

Sistema integrado cana-soja

Produção de eletricidade h 135,5 kWh tc-1

Consumo de eletricidade

Planta de etanol h 30 kWh tc-1

Planta de extração + planta de biodiesel b, f 6,4 kWh tc-1

Eletricidade excedente 99,1 kWh tc-1 a Fonte de combustível baseado na média ponderada entre as fontes primárias de energia consumidas no

setor de alimentos e bebidas no Brasil (EPE, 2013), sendo 20,1% para gás natural, 71,6% para lenha e 8,4%

para óleo combustível; consumo energético de Mourad e Walter (2011). b Pradhan et al. (2011). c 0,88 fração

de utilização; dados levantados em visita de campo. d Inclui óleo proveniente da soja em área de renovação

+ óleo adicional a partir do Façon (eficiência de conversão de óleo em biodiesel de 97,5%). e Refere-se a

éster etílico (Ferrari et al., 2005). f Suprida por uma planta moderna de cogeração. g Olivério et al. (2007). h

Caldeiras a pressão de 90 bar, 520 °C, 120t/h de vapor; moenda e preparo da cana-de-açúcar eletrificados

(Dias et al., 2011).

23

3.4.2.2. Critérios de alocação

Conforme justificativa apresentada no Capítulo 2, a alocação da energia fóssil e das emissões

de GEE foi realizada com base no conteúdo energético do etanol e da eletricidade excedente. Para

o sistema de biodiesel de soja foi adotada uma alocação por massa entre os produtos biodiesel e

glicerina.

Segundo esse critério, a demanda final de energia fóssil e as emissões de GEE da produção

de biodiesel de soja foram alocadas nas proporções de 12% e 88% (base em massa) para a glicerina

e o biodiesel, respectivamente. Nenhuma carga ambiental foi atribuída ao farelo de soja e ao óleo

adicional uma vez que essa já foi considerada no ciclo de vida da produção de soja, ou seja, a

mesma carga ambiental que se alocaria para o farelo seria adicionada ao óleo adicional. Referente

ao sistema integrado cana-soja, 82,6% e 17,4% (base em energia) das emissões de GEE e energia

fóssil foram atribuídos ao etanol e a eletricidade excedente, respectivamente.

3.4.3. Avaliação econômica

A rentabilidade do investimento foi avaliada através do método de Valor Presente Líquido

(VPL). Como este trabalho envolve uma análise comparativa entre opções mutuamente excludentes

(sistema tradicional e sistema integrado), foi elaborado um fluxo de caixa incremental em que

apenas custos e receitas incrementais são considerados.

Portanto, as despesas de capital incluem apenas a planta de extração de óleo e a usina de

biodiesel, enquanto as demais despesas incluem a manutenção, a mão de obra e os custos

operacionais relacionados à produção de biodiesel. Uma vez que o sistema tradicional não inclui a

produção de soja, o custo para a produção deste grão também foi tratado como despesa no sistema

integrado. No cenário 1, toda a entrada com a venda do farelo de soja é usada na compra de mais

óleo. No cenário 2, além dos custos com a produção da soja de sucessão, há compra adicional de

grão, pois a demanda de biodiesel é maior nesse cenário. Para ambos os cenários, as receitas

incluem a economia com a substituição de diesel fóssil, a venda de glicerina e a venda de farelo.

24

Os impostos ICMS e PIS/COFINS incidem sobre a venda dos produtos de saída. Lembrando que

o cenário 1 é apresentado neste Capítulo e o cenário 2 no Capítulo 5.

Para permitir ganhos de escala, assumiu-se que uma usina de biodiesel com capacidade anual

de processamento de 100.000 toneladas de biodiesel e fator de utilização de 88% seria instalada

adjacente à destilaria de etanol. Esse é um tamanho comum para as novas usinas de biodiesel no

Brasil (Soares, 2014). No entanto, a oferta de matéria-prima do sistema integrado cana-soja é capaz

de atender apenas 6,15% da capacidade de produção da usina de biodiesel, sendo essa proporção

utilizada como fator de ajuste para os custos fixos atribuídos ao sistema integrado. Na prática,

significa que a planta está em total operação (88.000 t/ano), mas apenas 6,15% dos custos são

alocados para o sistema integrado. Além disso, a planta pode processar outras fontes de óleo, além

da soja. Esse fator de ajuste se aplica ao cenário 1 (item 3.5.3, página 34), cujo fator limitante é a

disponibilidade de matéria-prima via área de reforma e venda de farelo. Para o cenário 2 (item

5.3.2.2, página 83), o fator condicionante é substituir 100% do diesel, ampliando o fator de ajuste

para 16% da capacidade de produção.

Os custos operacionais e de capital da usina de biodiesel (Tabela 3.3) foram estimados com

base em dados reportados pela empresa Dedini S.A. Indústrias de Base (Vecchio, 2006). Os preços

correntes foram primeiramente convertidos em valores de 2011 aplicando-se índices de preços

(IPCA e IGP-DI) e o índice CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index). Os valores de 2011

foram então convertidos em dólar americano (1 USD = R$ 1,67). O capital de giro foi estimado

assumindo-se que a planta de biodiesel deve ter caixa (receita subtraída dos custos) durante 35 dias

(dado de campo), período em que a planta não está funcionando.

25

Tabela 3.3. Parâmetros da análise econômica. a

Vida útil da planta de biodiesel (anos) 25

Depreciação – Equipamentos (% por ano) 10

Depreciação – Edificações (% por ano) 4

Imposto de Renda (%) 34

Custos operacionais – partindo do grão (US$/t biodiesel) b 360,36

Manutenção (US$/t biodiesel) b 18,22

Mão de obra (USS/t biodiesel) b 2,5

Taxa de desconto (%) 12

Preços

Óleo de soja (US$/t) – ICMS incluso c 1.295,3

Farelo de soja (US$/t) c 288,6

Glicerina (US$/t) d 426,4

Diesel baixo enxofre 10ppm (US$/l) e 1,45

Diesel regular (US$/l) e 1,37

Custo de produção da soja (US$/t) f 402,7

Impostos (ICMS)

Glicerina (%) g 12

Farelo de soja (%) g 4,2

Óleo de soja (%) g 7 a Valores de 2011. Cotação dólar: 1 USD = R$ 1,67. b Refere-se aos custos desde o esmagamento do

grão; Vecchio (2006). c IMEA(2012a). d UFV (2014). e ANP (2013).f IMEA (2012b). g SEFAZ (2013).

Os benefícios econômicos foram avaliados considerando a substituição do diesel regular

brasileiro. Entretanto, um novo regulamento sobre diesel de baixo teor de enxofre (10 ppm) está

em execução desde Jan/2013, atualmente focado em caminhões e ônibus. Como o governo objetiva

estender seu uso para máquinas agrícolas, também foi avaliada a substituição de biodiesel por

diesel de baixo enxofre (apenas para cenário 1; item 3.5.3), cujo preço é superior ao diesel regular.

3.4.4. Análise de sensibilidade e incerteza

Os parâmetros para a distribuição de probabilidade e as premissas para o óleo adicional

proveniente do Façon foram estimados com base na razão entre os preços do farelo de soja e do

óleo de soja verificados no estado de Mato Grosso (IMEA, 2012a).

No que diz respeito à aplicação de nitrogênio, embora a cana-planta não requeira,

necessariamente, o uso desse fertilizante após a sucessão de culturas, foi identificado que algumas

26

fazendas não alteram sua aplicação mesmo com a prática da sucessão. Dessa forma, assumiu-se

uma probabilidade de 50% para cada situação (aplicação de N e não aplicação de N). Para a

extração do óleo do grão, adotou-se como fonte de calor uma média ponderada entre óleo

combustível, lenha e gás natural, de acordo com o consumo de energia, por fonte, no setor brasileiro

de alimentos e bebidas (EPE, 2013).

3.5. Resultados

3.5.1. ACV do biodiesel de soja

A análise de Monte-Carlo indicou que as emissões de GEE do ciclo de vida do biodiesel de

soja são de 76 ± 13 gCO2e por MJ de biodiesel etílico (μ ± σ) (Figura 3.2). As emissões diretas de

N2O contribuíram com 79% da dispersão nos resultados. O intervalo dos resultados varia de 50 a

110 gCO2e/MJ de combustível. Valores inferiores foram reportados por Rocha et al. (2014) e Hill

et al. (2006), cujos resultados variam de 8 a 50 gCO2e/MJ de biodiesel. Grande parte dessa

diferença ocorre porque este estudo inclui a decomposição da palha da soja, que corresponde a

40% das emissões de GEE.

27

Figura 3.2. Emissões de GEE para o sistema biodiesel de soja.

De acordo com a análise de sensibilidade com variações independentes dos parâmetros, foi

identificado que os fatores e frações de emissão de N2O e o consumo de combustível fóssil na

extração do óleo de soja são os parâmetros que mais afetam os resultados de emissões de GEE

(Figura 3.3).

Figura 3.3. Análise de sensibilidade das emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de soja.

Nota: Somente parâmetros com variação superior a 0,1%. As unidades dos parâmetros com “*”

estão identificadas no APÊNDICE A, Tabela A 2.

2,77%

0,0229

68,2

0,74

3,22

7,26

0,44%

0,0018

8,3

0,14

2,07

0,31

20 40 60 80 100 120

Emissões diretas de N2O - manejo do solo *

Emissões indiretas de N2O - FE lixiviação *

Consumo de combustível - extração de óleo (kgCO2/MJ comb.)

Emissões indiretas de N2O - fração lixiviada *

Produtividade - soja (t/ha)

Aplicação de N - soja (kg/ha)

gCO2e/MJ biodiesel

Aumento Redução

28

Referente ao consumo de energia fóssil, as simulações de Monte-Carlo demonstram que são

consumidos, em média, 520 kJ de energia fóssil para cada MJ de biodiesel de soja, com desvio

padrão de 60 kJ/MJ (Figura 3.4). O consumo de combustível na extração do óleo de soja é o fator

de maior sensibilidade sobre os resultados de balanço de energia fóssil, seguido pela produtividade

da soja (Figura 3.5). Valores encontrados na literatura variam de 115 a 345 kJfóssil/MJ biodiesel

(Mourad e Walter, 2011; Rocha et al., 2014). O consumo de diesel adotado neste trabalho, que

corresponde a 37% do uso de energia fóssil no ciclo de vida, é cerca de 2 vezes superior aos valores

considerados nesses estudos. Neste trabalho foi assumido sistema de preparo de solo convencional,

que consome em torno de 30% mais diesel do que o sistema de plantio direto, segundo informações

coletadas em campo. Portanto, é possível que essa diferença ocorra em parte devido à condição de

preparo, além de outros fatores como a distância de transporte dos grãos e do óleo.

Figura 3.4. Uso de energia fóssil para o sistema biodiesel de soja.

29

Figura 3.5. Análise de sensibilidade do uso de energia fóssil no ciclo de vida do biodiesel de soja.

Nota: Somente parâmetros com variação superior a 0,1%.

3.5.2. ACV do etanol do sistema integrado cana-soja

O biodiesel produzido no sistema integrado cana-soja é capaz de substituir 35% do diesel

consumido no ciclo de vida do etanol de cana. Pela análise de Monte-Carlo, verifica-se que o

sistema integrado é capaz de melhorar em mais de 17% o balanço de energia fóssil-renovável

quando comparado ao sistema tradicional (Figura 3.6). A análise de sensibilidade mostra que os

parâmetros de maior impacto são distância de transporte de cana-de-açúcar, consumo de diesel no

cultivo da cana e área disponível para a soja, responsáveis por 57%, 20% e 7% da variância na

análise de Monte-Carlo, respectivamente. Para um teste individual das variáveis, a análise de

sensibilidade é apresentada na Figura 3.7. O parâmetro “área de soja” indicado na Figura 3.7 refere-

se à porcentagem da área de reforma destinada ao plantio de soja.

1,207

3,22

7,26

123,26

0,093

2,07

0,31

76,74

300 400 500 600 700 800

Consumo de combustível - extração de óleo(kJ/MJ comb.)


Aplicação de N - soja (kg/ha)

Distância de transporte - soja (km)

kJ/MJ biodiesel

Aumento Redução

30

Figura 3.6. Resultados de Monte-Carlo para uso de energia fóssil – comparativo entre os sistemas

tradicional e integrado cana-soja.

Figura 3.7. Sensibilidade para o uso de energia fóssil (caso base) – Sistema integrado cana-soja.

A linha central representa os valores do baseline.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

71,4 87,0 102,5 118,0 133,5

Freq

uên

cia

kJfóssil/MJ de etanol

Sistema Tradicional Sistema Integrado Cana-Soja

Média = 96 Média = 113

103

324

100

3,2

1,207

0,26

5,25

26

237

51

2,1

0,093

0,19

0,00

70 80 90 100 110 120

Distância de transporte - cana (km)

Consumo de diesel - cana (L/ha.ano)

Área de soja (% da área disponível)


Consumo de combustível - extração de óleo(MJ fossil/MJ comb.)

Óleo adicional - Façon (t óleo/t farelo)

Aplicação de N - cana-planta (kg/ha.ano)

kJfossil/MJ etanol

Aumento Redução

31

Referente às emissões de gases de efeito estufa, a análise de Monte-Carlo indica que o

sistema integrado cana-soja pode reduzir as emissões de 23,3 para 22,6 gCO2e/MJ quando

comparado com o sistema tradicional (Figura 3.8). Essas estimativas são relativamente incertas,

mas o teste “t de Student” demonstra que a diferença entre os sistemas de produção é

estatisticamente significativa ao nível de significância de 5%. A análise de sensibilidade mostra

que as emissões de N2O do manejo do solo, que incluem as emissões diretas e indiretas, são

responsáveis por 95% da variância na análise MC. A análise de sensibilidade para um teste

individual de variável é mostrada na Figura 3.9. A relevância da emissão de N2O pelo manejo do

solo mostra a importância de se estudar fatores de emissão adequados para diferentes condições,

tais como solo, clima e culturas, bem como melhorar a gestão de resíduos e identificar as taxas

adequadas de aplicação de nitrogênio.

Figura 3.8. Resultados de Monte-Carlo para emissões de GEE – comparativo entre os sistemas


0

50

100

150

200

250

300

13,4 18,5 23,6 28,8 33,9

Fre

qu

ênci

a

g CO2e/MJ etanol

Sistema Tradicional Sistema Integrado Cana-Soja

Média = 22,6 Média = 23,3

32

Figura 3.9. Análise de sensibilidade para emissões de GEE (caso base) – Sistema integrado cana-

soja.

Nota: A linha central representa os valores do baseline. As unidades dos parâmetros com “*” estão

identificadas no APÊNDICE A (Tabela A 2).

Por fim, observa-se que a resposta à substituição de diesel é maior para o uso de energia fóssil

do que para as emissões de gases de efeito estufa, uma vez que o diesel representa 61% do consumo

de energia fóssil ao longo do ciclo de vida do etanol tradicional (Figura 3.10 e Figura 3.11), mas

apenas 23% das emissões. Mais de 30% da carga ambiental associada às emissões de GEE são

provenientes dos resíduos, que inclui a decomposição da palha (ponteiras e folhas), da vinhaça, da

torta de filtro, das cinzas da caldeira, da fuligem e da queima do bagaço. O nitrogênio, que inclui

a produção e uso (emissões diretas e indiretas), é responsável por 27% das emissões totais no

sistema tradicional, seguido pelo calcário, que representa 12% (APÊNDICE B; Tabela B 1 e Tabela

B 2).

2,77%

0,0229

0,74

103

324

0,05

0,28

100

3,2

0,44%

0,0018

0,14

26

237

0,00

0,04

51

2,1

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Emissões diretas de N2O - manejo do solo*

Emissões indiretas de N2O - FE lixiviação*

Emissões indiretas de N2O - fração lixiviada*

Distância de transporte - cana (km)

Consumo de diesel - cana (L/ha.ano)

Emissões indiretas de N2O - FE volatilização*




g CO2e/MJ etanol

Aumento Redução

33

Figura 3.10.Uso de energia fóssil no ciclo de vida do etanol de cana-de-açúcar para os sistemas


Figura 3.11. Emissões de GEE no ciclo de vida do etanol de cana-de-açúcar para os sistemas


0

20

40

60

80

100

120

Sistema Tradicional Sistema Integrado

cana-soja

kJ

/MJ

f Químicos e lubrificantes

Consumo de biodiesel

Consumo de diesel

Pesticidas

Fertilizantes

0

5

10

15

20

25

Sistema 'Tradicional Sistema Integrado

cana-soja

gC

O2e/

MJ

f Resíduos

Químicos e lubrificantes

Consumo de biodiesel

Consumo de diesel

Pesticidas

Fertilizantes

kJ/M

J b

ioco

mb

.

34


Considerando-se a substituição do diesel como a principal receita, o investimento no sistema

integrado cana-soja é economicamente viável. A inclusão da unidade de extração de óleo pode ser

essencial para a viabilidade econômica da produção de biodiesel no cenário atual de preços e

impostos. De acordo com os resultados de Monte-Carlo, o VPL do sistema integrado é de 2 ± 7

MUS$ (μ ± σ) (Figura 3.12). O preço do óleo de soja, a produtividade de soja e o preço do diesel

são os parâmetros que mais afetam a variabilidade do VPL (Figura 3.13). Considerando um cenário

em que o biodiesel substitui diesel de baixo teor de enxofre (10 ppm), cujo preço é superior ao

diesel regular, o VPL é de 5 ± 7 MUS$ (0; Figura D 1). Lembrando que não há venda de biodiesel,

pois não há excedente. Além disso, as vendas de etanol e energia elétrica não foram incluídas como

receitas por se tratar de um fluxo de caixa incremental. Os fluxos de caixa são apresentados no

APÊNDICE C (Tabela C 1 e Tabela C 2).

Figura 3.12. Valor presente líquido do fluxo de caixa incremental – sistema integrado cana-soja.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-15.780 -9.860 -3.940 1.980 7.900 13.830 19.750

Fre

qu

ênci

a

1.000 USD

Média = 2.210

-1 σ = - 4.570 1 σ = + 8.990

35

Figura 3.13. Análise de sensibilidade para o VPL (caso base) – Sistema integrado cana-soja.

3.6. Discussões

Outros trabalhos têm estudado abordagens semelhantes a este. Cherubini e Jungmeier (2009)

relataram que um modelo de biorrefinaria com capim Panicum virgatum (switchgrass), produzindo

bioenergia, bioetanol e produtos químicos, pode reduzir 79% das emissões de GEE e 80% de

energia fóssil quando comparado a um sistema que produz os mesmos produtos e serviços a partir

de fontes fósseis. Uma avaliação sobre o uso de resíduos culturais para a produção de bioenergia,

bioetanol e produtos químicos identificou potencial para reduzir entre 49 a 54% as emissões de

GEE e 80% o uso de energia fóssil empregando palha de milho ou de trigo em substituição a

insumos fósseis (Cherubini e Ulgiati, 2010). Outro estudo relatou que um sistema integrado milho-

soja, produzindo etanol e biodiesel, resulta em menor impacto ao aquecimento global e menor

consumo de energia não renovável, quando comparado ao sistema contínuo de milho (Kim e Dale,

2005). Apesar de todos esses estudos apresentarem abordagens semelhantes, a comparação desses

modelos com os resultados deste trabalho não é adequada devido às diferenças no escopo e nas

condições de contorno.

Referente ao sistema integrado cana-soja proposto neste trabalho, alguns comentários fazem-

se necessários. A produção de farelo de soja, alimento rico em proteína, e o uso da rota etílica são

1.940

3,22

2,85

1.750

370

0,27

100

1.650

990

770

325

80

720

2,07

2,30

1.340

230

0,19

50

2.650

610

1.240

520

130

-20.000 -10.000 0 10.000 20.000

Preço do óleo de soja (US$/t)

Produtividade de soja (t/ha)

Preço do diesel regular (R$/l)

Custo de produção da soja (R$/ha)

Preço do farelo de soja (US$/t)

Óleo adicional - Façon (t óleo/t farelo)


Planta de extração de óleo - Equipamentos (US$ 1000)

Preço da glicerina (R$/t)

Planta de biodiesel - Equipamentos (US$ 1000)

Planta de extração de óleo - Construção (US$ 1000)

Planta de biodiesel - Construção (US$ 1000)

1000 USD

Vantagem Desvantagem

36

aspectos importantes do sistema integrado cana-soja. Um dado publicado por Rathmann et al.

(2012) informa que cerca de 80% das plantas de biodiesel vêm empregando metanol no processo

de transesterificação. No entanto, acredita-se, com base em diálogos com o setor, que próximo de

100% das usinas utilizam a rota metílica. Esse cenário tem ocasionado um aumento progressivo

nas importações brasileiras desse derivado fóssil - o país gastou 250 milhões de dólares em

importação de metanol em 2012 (MDIC, 2012). A preferência pela rota metílica tem sido apoiada

por suas propriedades físicas e químicas e pelos custos de produção mais baixos impostos à

produção do biodiesel (Leung et al., 2010). Etanol, por outro lado, é renovável, menos tóxico e

amplamente disponível no mercado interno brasileiro. Com relação ao farelo de soja, usado

principalmente para alimentação animal, o Brasil exportou 13,6 milhões de toneladas em 2012

(MDIC, 2012). A glicerina, resultante da produção de biodiesel, pode ser aplicada nas áreas de

cosméticos, alimentos, produtos químicos e combustível, além da geração de calor e energia.

Assim, o aumento de sua produção deve ser visto como uma oportunidade, especialmente para o

desenvolvimento de novos mercados.

No que diz respeito à viabilidade econômica, embora os resultados possam ser positivos para

o sistema integrado proposto, a decisão de expansão do negócio e a aplicação de novas tecnologias

para o setor sucroenergético dependem das redes de abastecimento e da demanda de mercado

(Kokossis e Yang, 2010).

É importante notar, também, as atuais condições logísticas, políticas e de mercado aplicadas

aos combustíveis no Brasil. Algumas usinas já são capazes de vender o biodiesel a preços mais

baixos do que o preço do diesel (BiodieselBr, 2013; ANP, 2013); no entanto, o custo de transporte

de biodiesel pode torná-lo inviável. Além disso, há ineficiência atrelada às longas distâncias de

transporte. Independentemente da região, a Lei Federal n. 13.033/2014 exige uma mistura de 7%

de biodiesel ao diesel (B7), em volume, em todo o território nacional. Como a produção de

biodiesel é concentrada em alguns estados, há um longo trajeto a ser percorrido entre as usinas e o

consumidor final. Esse deslocamento é realizado por caminhões movidos a diesel. Mato Grosso e

Goiás estão entre os maiores produtores de soja do Brasil e, consequentemente, lideram a produção

de biodiesel, juntamente com o Rio Grande do Sul. A distância entre esses estados e os maiores

consumidores de biodiesel (estado de São Paulo, p.e.) é cerca de 1000 km. Ao mesmo tempo em

que o biodiesel segue rumo a São Paulo, o diesel viaja na direção oposta; das refinarias, localizadas

37

perto da costa brasileira, até os estados de Mato Grosso e Goiás. Tendo o transporte rodoviário

como a principal via desses combustíveis, incentivos para o livre comércio de biodiesel poderiam

ajudar na mitigação dos problemas logísticos do país.

Por esses motivos, estratégias políticas focadas na produção e autoconsumo de biodiesel pelo

setor sucroenergético certamente seriam uma alternativa para aumentar o uso de biocombustíveis

no Brasil, reduzindo as cargas ambientais relacionadas à produção de etanol e ao sistema de

transporte.

Por fim, embora as condições atuais no Brasil favoreçam a soja, muitas outras matérias-

primas podem ser utilizadas para produzir biodiesel integrado à indústria de cana-de-açúcar, tal

como os outros dois modelos que serão discutidos neste trabalho. No entanto, é importante explorar

a disponibilidade de matérias-primas regionais (Kokossis e Yang, 2010) de modo a reduzir a

dependência por soja e manter o preço estável. As projeções indicam que o consumo de diesel vai

aumentar 37% entre 2014 e 2023 (PDE, 2014), o que exigiria cerca de 6,5 milhões de hectares de

soja, considerando a atual mistura de biodiesel (7% desde novembro de 2014).

3.7. Conclusões

Os resultados indicam que a integração é capaz de reduzir o consumo de energia fóssil no

ciclo de vida do etanol, com contribuições menores para a redução das emissões de GEE. Portanto,

conclui-se que mitigar as emissões não é o principal apelo do sistema integrado cana-soja. A

melhoria desse aspecto ambiental poderia ser alcançada, também, com práticas de manejo mais

adequadas e com otimização no uso de resíduos (Carmo et al., 2013). Essas ações, combinadas

com agricultura de precisão, reduziriam o uso de fertilizantes sintéticos nitrogenados.

A integração também é economicamente viável, assumindo como renda principal as

economias advindas da substituição do diesel. É importante destacar que a inclusão de uma planta

de extração de óleo, apesar de exigir altos investimentos, é fundamental para a viabilidade do

sistema. Embora as incertezas do investimento sejam altas, um melhor desempenho econômico

38

pode ser alcançado por meio de incentivos governamentais justificados na redução do uso de

energia fóssil e na melhoria da logística. Além disso, em um cenário de preços mais altos, a

exemplo do uso de diesel de baixo enxofre (S10), o uso de biodiesel torna-se mais atraente.

Sendo o setor sucroenergético responsável por cerca de 4% do consumo nacional de diesel,

qualquer ação para reduzir o uso desse fóssil no setor pode ser relevante. O sistema integrado cana-

soja está entre essas opções. Tal integração só pode ser tecnicamente aplicada em áreas adequadas

aos cultivos de cana e soja, que incluem principalmente os estados de São Paulo, Mato Grosso e

Goiás. Por outro lado, há uma limitação importante. A capacidade ociosa atual do setor de biodiesel

é superior a 50%, o que tem desencorajado novos investimentos no Brasil (MME, 2013). Por esse

motivo, o incentivo ao consumo local pode estimular o setor e contribuir para reduzir a ociosidade.

39

4. AVALIAÇÃO DO SISTEMA INTEGRADO CANA-ALGASb

4.1. Introdução

O interesse no uso de algas para a produção de bioenergia iniciou-se há mais de 50 anos

(Lundquist et al., 2010). Motivados pela crise do petróleo da década de 1970, grandes projetos de

pesquisa sobre o uso de algas para a produção de biocombustível foram lançados no Japão e nos

Estados Unidos (Wijffels e Barbosa, 2010). Mais de 100 mil espécies de microalgas podem ser

usadas como matéria-prima para a produção de biodiesel (Satyanarayana et al., 2011), sendo algas

verdes, diatomáceas e cianobactérias (algas azuis) as mais promissoras (Lundquist et al., 2010).

Adicionalmente ao elevado conteúdo de óleo e à alta produtividade das microalgas (Petkov

et al., 2012), seu biodiesel possui propriedades similares ao diesel de petróleo, tais como

viscosidade, densidade, ponto de fulgor, ponto de solidificação, ponto de entupimento a frio e razão

C/H (Xu et al., 2006). Além do biocombustível, a produção de biodiesel de microalgas também

resulta em coprodutos de alto valor agregado (Sikes et al., 2011).

A presença de ácidos graxos de cadeia longa, de proteínas e de carboidratos em elevada

concentração faz da microalga um importante ingrediente para a fabricação de produtos nas

indústrias farmacêutica e nutracêutica, tais como antibióticos, vitaminas, algicidas, alimentos

funcionais, e para a indústria de biodiesel (Lundquist et al., 2010; Mata et al., 2010).

Quando comparadas à biomassa lenhosa ou herbácea, as microalgas têm baixo custo de

colheita e de transporte. Além disso, não precisam de terra arável, pesticidas ou herbicidas para o

cultivo. Podem ser produzidas em diferentes condições ambientais, como em água doce, salobra

ou salgada, ou em efluentes com elevada concentração de carga orgânica (Ahmad et al., 2011; Mata

et al., 2010).

Apesar das vantagens dessa biomassa, desafios como o elevado custo de produção e as

barreiras tecnológicas ainda precisam ser superados. Todas as características desejáveis às

b Parte dos resultados deste capítulo foi publicada em SOUZA SP, GOPAL AR, SEABRA JEA. Life cycle

assessment of biofuels from an integrated Brazilian algae-sugarcane biorefinery. Energy 81(1): 373-381 (2015).

40

microalgas, como células com alto rendimento em condições de alta intensidade de luz, membranas

finas, fácil floculação, crescimento rápido e alto teor de lipídios, não são encontradas

simultaneamente em uma única cepa (Wijffels e Barbosa, 2010).

Embora haja limitações tecnológicas, os insumos essenciais para a produção de algas são

bem conhecidos: água, luz, nutriente e dióxido de carbono. Devido ao clima favorável, o Brasil

tem potencial para se tornar um grande produtor de algas (Franz et al., 2012). Além disso, as

inúmeras usinas sucroenergéticas são fontes de CO2 puro, gerado durante a fermentação do caldo

de cana, além de quantidades substanciais de dióxido de carbono fornecidas pelo sistema de

cogeração.

Integrar a produção de algas ao setor sucroenergético pode trazer benefícios a ambos os

setores. Enquanto a indústria de etanol fornece insumos à produção de algas, essa biomassa pode

ser usada para a produção de biodiesel, possibilitando uma sinergia entre os sistemas. O biodiesel

é uma alternativa ao elevado consumo de óleo diesel nas atividades agrícolas e de transporte da

cana, uma das principais fontes de GEE e o principal contribuinte no uso de energia fóssil. Dada

essas potencialidades e oportunidades, este trabalho simulou um sistema integrado cana-algas para

explorar seu desempenho ambiental em relação ao sistema tradicional de etanol de cana-de-açúcar.

Os objetivos foram estimar o balanço de energia fóssil-renovável, avaliar a capacidade de

mitigação de gases de efeito estufa e identificar o desempenho econômico da integração da planta

de biodiesel de algas ao setor sucroenergético.

4.2. Microalgas como matéria-prima para a produção de biodiesel

Microalgas são microrganismos fotossintéticos procariontes (cianobactérias) ou eucariontes

(algas verdes, algas vermelhas e diatomáceas) que podem ser encontrados em ecossistemas tanto

marinhos quanto de água doce (Brennan e Owende, 2010; Carlsson et al., 2007; Mata et al., 2010).

Quando comparadas às plantas terrestres, seu mecanismo fotossintético é geralmente mais eficiente

na conversão de energia solar em biomassa. Isso se deve a sua submersão em ecossistema aquoso,

que permite acesso eficiente à água, ao CO2 e a outros nutrientes (Carlsson et al., 2007).

41

As microalgas são de fácil cultivo devido a sua estrutura unicelular ou multicelular simples,

capaz de crescer rapidamente e viver em uma ampla gama de condições ambientais (Brennan e

Owende, 2010; Mata et al., 2010). Todavia, as culturas terrestres usam a superfície de suas folhas

para receber, refletir e dissipar a luz, enquanto as algas estão limitadas a usar apenas a luz na

superfície da água. Por esse motivo, o uso de sistemas de agitação no cultivo de algas é fundamental

para garantir o acesso ao CO2 (Petkov et al., 2012).

O metabolismo das algas pode ser fotoautotrófico, foto-heterotrófico, heterotrófico ou

mixotrófico e, dependendo das condições ambientais, uma mesma espécie pode mudar de um

metabolismo para outro. O metabolismo fotoautotrófico utiliza a luz solar como fonte de energia e

o CO2 como fonte de carbono inorgânico. O metabolismo foto-heterotrófico também requer luz

solar para produzir energia, mas usa substrato orgânico como fonte de carbono. O metabolismo

heterotrófico não depende de luz e utiliza substrato orgânico (glucose, acetato, glicerol, frutose,

sucrose, lactose, etanol, p.e.) como fonte de energia e de carbono. No mixotrófico, as microalgas

são capazes de crescer tanto em via heterotrófica quanto fotoautotrófica, a depender da

concentração de carbono orgânico e da intensidade de luz (Chojnacka e Marquez-Rocha, 2004;

Lundquist et al., 2010; Mata et al., 2010).

Existe uma grande variação de conteúdo lipídico entre as espécies de microalgas (1-70%,

peso seco) e alto teor de óleo é frequentemente associado à baixa produção de biomassa. Assim, é

importante selecionar espécies de microalgas que consigam associar um elevado teor de lipídios à

alta produtividade de biomassa (Mata et al., 2010).

O processo produtivo das microalgas consiste no crescimento de células, seguido da

separação das células do meio de cultura e da extração de lipídeos (Mata et al., 2010). Detalhes

sobre as etapas de cultivo das microalgas são discutidos a seguir.

42

4.2.1. Sistema de produção de algas

Lagoas abertas e fotobiorreatores (PBR) são os dois sistemas de engenharia mais comuns

utilizados para o cultivo de microalgas. Ambos os sistemas necessitam de luz, nutrientes e dióxido

de carbono (Sikes et al., 2011), sendo a luz e a temperatura fatores essenciais para o crescimento

das algas (Mata et al., 2010). Atualmente, tanto as lagoas abertas quanto os fotobiorreatores

fechados ainda não são tecnologias maduras para a produção desses microrganismos (Sikes et al.,

2011).

Lagoas abertas podem ser projetadas como reservatório, tanque circular ou tanque aberto

(Figura 4.1), sendo este o mais popular devido ao sistema de pás motorizadas utilizado para a

circulação contínua (Sikes et al., 2011). A agitação e a circulação são necessárias para evitar a

sedimentação, garantir o acesso ao CO2 e estabilizar o crescimento e a produtividade das algas

(Brennan e Owende, 2010). Nos tanques abertos, o CO2 é aspergido em contracorrente ao fluxo de

água (Lundquist et al., 2010).

Figura 4.1. Unidades de produção comercial de microalgas em lagoas abertas com pás

motorizadas localizadas na Califórnia, EUA (esquerda) e Hawaí, EUA (direita).

Fonte: Lundquist et al. (2010).

43

A produtividade de biomassa em lagoas abertas é menos eficiente devido a perdas por

evaporação, variação de temperatura, deficiências de CO2, mistura ineficiente e limitação de luz

(Brennan e Owende, 2010). Além disso, lagoas abertas são mais suscetíveis a acidentes de cultura,

uma vez que estão em contato direto com o meio ambiente e, portanto, passíveis de introdução de

espécies invasoras de algas, predadores e patógenos (Davis et al., 2011). Por essas razões, e

reforçado pela limitação de área em torno das usinas sucroenergéticas e pelo potencial de

contaminação proveniente da usina de etanol, o modelo de algas projetado neste trabalho adotou o

uso de fotobiorreatores.

Fotobiorreatores são tanques fechados de diversas geometrias e designs, como os de placa

plana, tubular do tipo airlift, colunas verticais (Figura 4.2), cúpulas hemisféricas, entre outros (Lam

e Lee, 2012; Sikes et al., 2011). A água, os nutrientes e o dióxido de carbono são fornecidos de

maneira controlada. O oxigênio liberado durante a fotossíntese das algas deve ser removido;

concentrações elevadas desse gás são tóxicas às microalgas (Carvalho et al., 2006). A luz solar se

propaga no PBR através de paredes transparentes ou através de fibras óticas (Carlsson et al., 2007;

Wijffels e Barbosa, 2010). As tecnologias adotadas para a colheita e a secagem da biomassa

dependerão da espécie, de propriedades como o tamanho das células e a densidade, das condições

da cultura (Carlsson et al., 2007) e dos coprodutos desejados (Uduman et al., 2010).

Figura 4.2. Modelo de fotobiorreator do tipo coluna vertical.

Fonte: SAT (2013).

44

Após os processos de colheita e secagem, a biomassa segue para a etapa de extração dos

lipídios, que pode ser feita por extração convencional por solvente, extração com fluido

supercrítico, extração mecânica, extração biológica ou fracionamento (Darzins et al., 2012). A

escolha depende do pré-tratamento ao qual a biomassa de algas foi submetida, que pode resultar

em uma biomassa em pasta ou em pó seco (Halim et al., 2012), e das espécies e suas propriedades

físicas de parede celular, que também dependem do ciclo de crescimento das algas (Darzins et al.,

2012). Finalmente, o óleo de algas pode ser convertido em biodiesel por um processo de

transesterificação padrão (Halim et al., 2012; Hoekman, 2009), tecnologia mais comumente usada.

Em relação ao desempenho ambiental do biodiesel de algas, há diferentes relatos na literatura.

As incertezas quanto à produtividade de algas em cultivo de larga escala e as inúmeras tecnologias

propostas, somadas às condições de contorno adotadas em cada estudo, podem levar a diferentes

resultados. Considerando uma média entre diferentes cenários para a produção de biodiesel de

algas, estudo elaborado por Delrue et al. (2012) reportou balanço de energia entre 1 e 1,7 (MJ

biodiesel/MJfóssil) e emissões de GEE de 10 a 18,7 kg CO2e/100 km (≈ 42,6 – 79,6 g CO2e/MJ). Para

um cenário com uso de fotobiorreator, o balanço de energia pode variar de 1,8 a 2,4 e as emissões

de 7 a 11 kg CO2e/100 km. O mesmo estudo identificou que a produção de algas em lagoas abertas

consome 4,5 vezes mais água em comparação com um sistema combinado lagoa + fotobiorreator.

Batan et al. (2010), em uma modelagem com uso de fotobiorreatores, identificou valores de

75 gCO2e/MJ de biodiesel para emissões de GEE e 0,93 para balanço de energia, sendo o cultivo

das algas a etapa de maior consumo de energia fóssil. Estudo desenvolvido por Lardon et al. (2009),

relativo a um sistema de lagoa aberta (open ponds), encontrou valores de balanço de energia entre

0,51 a 1,34, a depender do tipo de extração do óleo e do sistema de alimentação de nitrogênio.

45

4.3. Detalhamento do sistema integrado cana-algas

No modelo de integração proposto, cana e algas são processadas em uma usina integrada

etanol-biodiesel cuja fonte de eletricidade e calor é proveniente exclusivamente da queima do

bagaço de cana em sistemas de cogeração. Para a produção de algas foi assumido o mesmo design

tecnológico proposto pela empresa SEE ALGAE Technology (SAT)c.

O dióxido de carbono é capturado do processo de fermentação do mosto de cana. Esse

alimenta a produção de algas em um fotobiorreator, que também recebe luz solar (prisma solar).

Após essa etapa, as algas seguem para um reator mixotrófico alimentado com fonte de carbono

orgânico e fertilizantes. Dióxido de carbono também alimenta a etapa mixotrófica, porém em

quantidade reduzida. Na sequência, as algas são encaminhadas para os processos de floculação e

flotação, seguidos por uma etapa de desidratação. Detalhes desses métodos de separação e

secagem, bem como as substâncias químicas utilizadas, não podem ser revelados devido ao acordo

de confidencialidade firmado com a SAT. Foi adotada extração de lipídios por éter dimetílico e

processo de transesterificação para a conversão do óleo de algas em biodiesel.

Foi adotada a espécie de microalgas N. salina devido ao seu alto teor de lipídios e à alta

produtividade de biomassa (SAT, 2013). Para o processo mixotrófico, glicerina é usada como fonte

de carbono devido à disponibilidade local, decorrente da produção de biodiesel, e porque N. salina

tem demonstrado uma boa assimilação de carbono com o uso desse substrato (Sforza, 2012).

Embora o dióxido de carbono esteja disponível tanto a partir do processo de fermentação

quanto da queima da biomassa (cogeração com bagaço), assumiu-se que a fermentação é a única

fonte desse gás devido à pureza de saída do CO2 (Assis Filho et al., 2013). Além disso, o processo

de fermentação fornece dióxido de carbono suficiente para as necessidades do sistema integrado.

No entanto, o crescimento de microalgas pode ser inibido em concentração de CO2 acima de 5%

(CO2 – ar), exigindo que o fluxo de CO2 da fermentação seja diluído (Jiang et al., 2013; Ryu et al.,

2009).

c A SAT disponibilizou, mediante um acordo de confidencialidade, os detalhes tecnológicos e os dados referentes ao

consumo de energia da planta. Portanto, todos os dados aqui publicados cumprem com esse acordo ou estão

disponíveis publicamente.

46

Em suma, as principais premissas adotadas para o sistema integrado cana-algas (Figura 4.3)

são:

Adoção da espécie de algas Nannochloropsis salina.

O dióxido de carbono resultante da fermentação do mosto de cana foi utilizado como fonte

de carbono inorgânico para o cultivo de algas em processo fotoautotrófico.

A glicerina proveniente da própria planta de biodiesel foi utilizada como fonte de energia e

de carbono para o cultivo de algas em processo mixotrófico.

Além do consumo de toda a glicerina produzida no sistema, glicerina adicional é comprada

para suprir a demanda da produção de algas.

Etanol, eletricidade e torta de algas são os produtos de saída do modelo. Não há excedente

de biodiesel, pois sua produção é limitada pela demanda de biocombustível para substituir

100% do diesel.

A transesterificação ocorre por rota etílica com uso de etanol produzido localmente pelo

sistema.

Todo o diesel consumido nas etapas agrícolas da cana-de-açúcar é substituído por biodiesel.

Tratores e caminhões são abastecidos com B100 sem a necessidade de modificação no motor

(Qi et al., 2010; Rakopoulos et al., 2006).

A vinhaça e a torta de filtro são usadas para fertirrigação e adubação orgânica. A torta de

filtro é aplicada em 100 % da área de cana-planta.

O bagaço de cana é totalmente utilizado para a geração de calor e energia, suprindo a

demanda de energia da planta combinada (etanol e biodiesel) e, ainda, produzindo

eletricidade excedente.

Cinquenta por cento da área de cana é irrigada.

47

Conforme já explicado no item 3.4.1, a irrigação do canavial é uma prática que vem

aumentando, principalmente entre os produtores dos estados de Mato Grosso e Goiás. Dada essa

condição e com base nos dados de campo, assumiu-se irrigação de salvamento em 50% da área de

cana-de-açúcar.

Figura 4.3. Sistema integrado cana-algas.



processos; e setas pretas: fluxo de massa.


O limite do sistema, nesta avaliação do tipo well-to-tank, inclui os cultivos de cana-de-açúcar

e de algas e a produção de biocombustíveis e seus coprodutos; exclui-se a etapa de distribuição do

etanol até o posto de combustível (ponto de uso). Para uma melhor compreensão do impacto

causado pela substituição de diesel por biodiesel de algas nas atividades de cultivo de cana-de-

açúcar, os resultados são primeiramente apresentados para o ciclo de vida do biodiesel e, na

sequência, para o sistema integrado. Cada um desses sistemas é descrito abaixo:

Torta de algas

Óleo de algas

Cana de açúcar

Sistema de produção de

algas

Etanol

Glicerina


Mosto

CO2

Biodiesel

Planta de biodiesel

Eletricidade e vapor a

partir do bagaço

Etanol

Usina de cana

Fermentação e destilaria

Energia fóssil

Emissões de GEE

Recursos primários

* Nota: Caixas cinza-escuro: processos; caixas brancas: produtos consumidos dentro do

sistema; caixas verdes: produtos de saída; tracejado laranja: fluxos de energia que

abastecem todos os processos; e setas pretas: fluxo de massa.

Glicerina

48

Sistema tradicional (caso referência): Sistema convencional de produção e processamento

de cana que utiliza apenas diesel (B5) como combustível nas operações agrícolas e de

transporte. Etanol e eletricidade são os produtos de saída.

Sistema de biodiesel de algas (com integração industrial, apenas): Sistema de produção

de algas que tem como coprodutos a torta e o biodiesel. O biodiesel é produzido por

transesterificação utilizando rota etílica. Eletricidade, calor e etanol são fornecidos pela

planta de cogeração e pela usina de cana. O dióxido de carbono também é fornecido pela

destilaria. Não foi aplicada alocação da carga ambiental do CO2, supondo que ele não é

considerado um produto em um tradicional setor sucroenergético.

Sistema integrado cana-algas: Produção integrada de biodiesel, glicerina, torta de algas,

etanol e eletricidade. O biodiesel produzido é utilizado para substituir 100% do diesel

convencional (B5) consumido nas operações agrícolas e de transporte da cana. Não há

excedente de biodiesel e a glicerina é consumida dentro do próprio sistema.

4.4.1. Avaliação ambiental

A seguir são apresentados os dados de entrada para o inventário do ciclo de vida do biodiesel

de algas, bem como as premissas metodológicas adotadas para o modelo cana-algas. Detalhes da

metodologia usada para a avaliação ambiental do inventário do ciclo de vida do etanol de cana

foram apresentados no Capítulo 2.

4.4.1.1. Inventário do ciclo de vida do sistema integrado cana-algas

Os dados de entrada para o ICV do biodiesel de algas foram levantados na literatura (Tabela

4.1 e Tabela 4.2) ou fornecidos pela empresa SAT. Os dados da SAT incluem, apenas, o consumo

de eletricidade nas etapas de fotobiorreator, floculação e secagem.

49

Os consumos de carbono, nitrogênio e fósforo para a produção de algas foram calculados

com base na relação de Redfield, que define a composição das algas como [C106H181O45N15P]

(Redfield, 1958). Foram considerados amônia, superfosfato simples e cloreto de potássio como

fontes de nitrogênio, fósforo e potássio, respectivamente (Lardon et al., 2009).

O glicerol produzido na planta de biodiesel (1.820 t/ano) é insuficiente para atender à

demanda de carbono orgânico pelas algas (5.180 t/ano). Assim, o sistema integrado precisa de um

adicional de 3.360 toneladas de glicerina por ano, o que equivaleria a quase 1% da produção de

glicerina brasileira em 2013 (ANP, 2014). Como na prática o fotobiorreator funcionaria, no

mínimo, utilizando 100% do CO2 disponibilizado pela fermentação, a demanda externa por

glicerina seria de 8.845 t/ano; mais de 2% da oferta nacional de glicerina. Assumiu-se que essa

glicerina adicional é comprada de uma usina de biodiesel de soja, adotando-se, para isso, a ACV

do biodiesel de soja desenvolvida nesta tese. Nesse caso, sem substituir o consumo de diesel por

biodiesel no cultivo da soja, ou seja, o grão é cultivado nas condições tradicionais.

Tabela 4.1. Parâmetros de cultivo e processamento das algas e do biodiesel.

Cultivo das algas kg (t alga base seca)-1 Insumos químicos

Nitrogênio a 92,3

Fósforo a 12,8

Potássio a 8,2

Sal b 80

Glicerol c 126,6

Transesterificação kg (t biodiesel)-1

Insumos químicos d

Etanol 154

Metilato de sódio 33,4

Ácido cítrico 0,65

Ácido clorídrico 9,5

Hidróxido de sódio 1,5

Ácido sulfúrico 0,2 a De acordo com a relação de Redfield (Redfield, 1958). b SAT (2013). c Equivale à demanda externa de

glicerol. d Olivério et al. (2007).

50

Foi adotado um teor de lipídios nas algas de 50%, em peso, valor esse considerado

conservador (Batan et al., 2010). Em condições de laboratório, Nannochloropsis salina pode atingir

até 60% de teor de lipídios (Batan et al., 2010). Os valores mínimo (33%) e máximo (61%) para a

distribuição de probabilidade foram definidos de acordo com Fábregas et al. (2004). A eficiência

de extração do óleo é de 94,5% (Delrue et al., 2012).

O dióxido de carbono a partir da fermentação foi determinado pela conversão

estequiométrica de glicose em etanol e CO2 (90 g/mol = 46 g/mol de etanol + 44 g/mol de CO2),

resultando em 0,76 g CO2 para cada litro de etanol produzido. Foi considerada uma eficiência de

recuperação de CO2 de 90% (Assis Filho et al., 2013) (Tabela 4.2).

Tabela 4.2. Consumo de carbono no reator mixotrófico e fotobiorreator.

Reator mixotrófico

Diluição de glicerol (g/L) 10 a

Eficiência de consumo de glicerol pelas algas (%) 3,2 a

Consumo de glicerol (g glicerol/L cultura) 0,32

Concentração de biomassa (base seca) (g/L) 2,1 a

Consumo final de glicerol (g glicerol/g biomassa) 0,152

Conteúdo de C no glicerol (%) 39

Carbono proveniente do glicerol (g C/kg biomassa) 59,6 b

Conteúdo elementar de C na N. salina (%) 52,4 c

Fotobiorreator

Carbono proveniente do CO2 da fermentação (g C/kg biomassa) 464,3 d

Recuperação de CO2 da fermentação (t CO2/ano) 219.900 e

Eficiência de utilização de CO2 pelas algas (%) 58,3 f

CO2 final consumido no PBR (kg CO2/kg biomassa (base seca)) 2,92

Produção anual de algas (t/ano) 75.280 a Sforza et al. (2012a). b 0,22 kg CO2/kg biomassa. c Sforza et al. (2012b). d 1,7 kgCO2/kg biomassa. e Eficiência de recuperação de 90% (Assis Filho et al., 2013).f Rubio et al. (1999).

A produção de algas é função da eficiência da utilização de CO2, do teor de carbono das

algas, do consumo de substrato (glicerol) e do rendimento de etanol, que afeta a produção de

dióxido de carbono. Foi adotado um valor fixo para o consumo de glicerol: 152 g por kg de

biomassa (peso seco) (Sforza et al., 2012a). O carbono complementar para atender ao balanço de

massa do conteúdo elementar das algas é suprido pelo CO2 da fermentação, e a capacidade de

produção de algas é limitada à disponibilidade desses insumos (Tabela 4.2). Vale frisar que, embora

o fator condicionante do modelo seja substituir 100% do diesel, a capacidade operacional adotada

51

para o fotobiorreator é superior à demanda necessária de diesel (maiores detalhes na seção 4.4.2).

Por essa razão, na prática a produção de algas terá relação direta com o dióxido de carbono, cuja

disponibilidade está restrita à produção de etanol.

Considerando que o teor de carbono no glicerol é de 39%, o consumo de carbono orgânico é

de 59,6 g/kg biomassa. Para um teor de carbono de 52,4% (w/w) para N. salina (Sforza et al.,

2012b), o carbono total necessário a partir do CO2 da fermentação é de 464,3 g/kg biomassa, que

corresponde a 1,7 t CO2 por tonelada de algas (peso seco). No entanto, um excesso de CO2 é

necessário. De acordo com Rubio et al. (1999), até 40% de CO2 pode ser perdido durante o

crescimento fotoautotrófico, o que corresponde a um consumo real de CO2 de 2,9 t por tonelada de

alga. Não foi considerada a recirculação de CO2, o que significa que o dióxido de carbono não

utilizado é liberado para a atmosfera (Tabela 4.2).

Referente ao consumo de energia do sistema integrado cana-algas, tanto as demandas de

eletricidade quanto de calor são supridas por uma planta moderna de cogeração. A demanda de

calor reduziu o potencial de geração de eletricidade de 135,5 para 134 kWh/tc (Tabela 4.3). Em

um cenário em que 100% do CO2 é utilizado para a produção de algas, a geração de energia

reduziria para 132 kWh/tc.

Tabela 4.3. Demanda e oferta de eletricidade e vapor do sistema integrado cana-algas.


Recuperação de CO2 da fermentação a 300 kWh (t biomassa base seca)-1

Fotobiorreator, floculação e secagem b 374 kWh (t biomassa base seca)-1

Extração do óleo (DME) c 1079 kWh (t óleo extraído)-1

Transesterificação c 0,38 kWh (t biodiesel)-1

Consumo de vapor

Extração do óleo (DME) d 5,49 MJ (kg biodiesel)-1

Transesterificação e 3,06 MJ (kg biodiesel)-1

Oferta e demanda de eletricidade

Produção de eletricidade f 134 kWh tc-1

Planta de etanol g 30 kWh tc-1

Planta de biodiesel h 8,5 kWh tc-1

Eletricidade excedente 95,7 kWh tc-1 a 219.900 [t CO2/ano]/75.280 [t algas/ano] x 0,1026 [kwh/kg CO2] (Tabela 4.2; Assis Filho et al. (2013)). b SAT

(2013). c 0,51 kWh/kg biomassa (Delrue et al., 2012); 50% de conteúdo de óleo, 94,5% de eficiência de

extração de óleo. d DME, 500 kPa, 20 ºC (Delrue et al., 2012). e 50ºC, 1 atm. f Dias et al. (2011). g Caldeiras a

pressão de 90 bar, 520 oC, 120t/h de vapor; moendas e preparo de cana eletrificados (Dias et al., 2011). h Inclui

PBR, separação, secagem, extração de óleo e transesterificação.

52

A extração de lipídios é realizada com uso do solvente éter dimetílico (DME). Optou-se pela

extração de óleo por DME porque esse consome menos energia e emite menos GEE, quando

comparado à extração com hexano (Delrue et al., 2012). Detalhes do consumo de energia para as

etapas de fotobiorreator, floculação e secagem não podem ser divulgados separadamente devido

ao acordo de confidencialidade firmado com a SAT.

4.4.1.2. Critérios de alocação

Conforme justificativa apresentada no Capítulo 2, a alocação dos aspectos ambientais entre

os produtos do sistema integrado (eletricidade excedente e etanol) foi realizada com base em seus

conteúdos energéticos. Para o sistema biodiesel de algas foi adotada uma alocação por massa entre

os produtos torta de algas e biodiesel. Seguindo esses critérios, as cargas ambientais foram alocadas

nas proporções de 46,7% para o biodiesel e 53,3% para a torta (base mássica). A glicerina não

recebeu nenhuma alocação por não ser um produto de saída, já que a mesma é consumida no

processo mixotrófico das algas. Referente ao sistema integrado cana-algas, 86% e 14% (base

energética) da carga ambiental foram atribuídas ao etanol e à eletricidade excedente,

respectivamente.


Assim como na avaliação econômica do sistema cana-soja, foi utilizado o método de Valor

Presente Líquido (VPL) para identificar a rentabilidade do investimento. O fluxo de caixa inclui

apenas custos e receitas incrementais por envolver uma análise comparativa entre opções

mutuamente excludentes (sistema tradicional e sistema integrado).

As despesas de capital incluem as obras civis, o fotobiorreator, a planta de extração de óleo

e a planta de transesterificação. Para o fotobiorreator, assumiu-se capacidade de 35.500 t/ano de

óleo (adaptado de Davis et al. (2011)). Essa corresponde à escala necessária para processar 100%

53

do CO2 da fermentação do mosto de uma usina de 4.000.000 t cana/ano, que produz somente etanol.

No entanto, para garantir coerência com o sistema cana-soja e permitir a elaboração da meta-análise

(Capítulo 5), as despesas foram alocadas proporcionalmente à demanda necessária para substituir

o diesel da biorrefinaria. Isso requer apenas 38% da oferta de CO2 e, portanto, das instalações. Essa

porcentagem foi usada como fator de alocação de custos.

Para efeitos de ganhos de escala, assumiu-se uma planta de transesterificação com capacidade

anual de processamento de 100.000 toneladas de biodiesel e fator de utilização de 88%, mesmas

premissas adotadas para o modelo cana-soja. Apenas 15% dessa capacidade é suficiente para suprir

a demanda da biorrefinaria. Da mesma forma, essa porcentagem foi utilizada para alocar os custos

de investimento em equipamentos e obras civis da planta de transesterificação. Na prática, significa

que a planta está em completo funcionamento, mas apenas essas parcelas dos investimentos são

alocadas para o sistema integrado.

As demais despesas incluem reparos e manutenções, mão de obra, custos operacionais e

impostos. Essas referem-se somente à produção de biodiesel de algas, pois trata-se de um fluxo de

caixa incremental. O fluxo de caixa também inclui a perda de receita referente à eletricidade que a

usina deixou de vender em função da demanda da planta de biodiesel (39.230 MWh/ano ou 9,8

kWh/t cana). No entanto, esse é o consumo de energia para produzir somente o biodiesel suficiente

para substituir 100% do diesel demandado pelo sistema integrado. Como, na prática, a capacidade

operacional do fotobiorreator é de 35.500 t óleo/ano e a planta de transesterificação processa 88.000

t biodiesel/ano, ou seja, acima da demanda da biorrefinaria (13.220 t biodiesel/ano), a usina de

etanol deixaria de vender 111.250 MWh por ano, uma redução de 28 kWh/tc.

Entretanto, para simplificar o modelo e porque não é o foco deste trabalho avaliar o biodiesel

excedente e tampouco a entrada de outras fontes de óleo, somente o montante referente à demanda

do sistema integrado foi considerado para o cálculo de viabilidade econômica. Observe que o

fotobiorreator tem escala inferior à planta de transesterificação, o que indica que, na prática, a

unidade recebe óleo de fontes externas, não necessariamente óleo de algas. Esse tamanho de planta

foi adotado para manter um padrão com a escala considerada no sistema cana-soja.

O investimento total no fotobiorreator é de MUS$ 582 (base 2011) (Davis et al., 2011). No

entanto, é importante destacar que esse valor corresponde a uma primeira estimativa, o que indica

54

que, com o aperfeiçoamento da tecnologia, a n-ésima planta poderá ter seu custo reduzido. As obras

civis do fotobiorreator incluem, além das despesas com construção civil, os custos de contingência,

que correspondem a 30% do valor dos equipamentos (Davis et al., 2011). Tais custos estão

relacionados às incertezas inerentes à mudança da escala piloto para a escala comercial. Os

parâmetros adotados na análise econômica do sistema cana-algas estão apresentados na Tabela 4.4.

Os custos operacionais incluem o uso dos insumos para a produção e separação das algas

(nutrientes e floculante) e para a extração do óleo (solvente DME) e a compra adicional de glicerina

para atender a demanda de carbono orgânico no processo mixotrófico. Incluem, ainda, os custos

para captação e distribuição do CO2 da fermentação, usado como carbono inorgânico na fase

fotoautotrófica.

O produto de saída inclui apenas a torta de algas, sobre a qual incide ICMS. Glicerina não é

um produto final já que essa é consumida no cultivo das algas. Os preços correntes foram

primeiramente convertidos em valores de 2011 aplicando-se índices de preços (IPCA e IGP-DI) e

o índice CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index). Os valores de 2011 foram então

convertidos em dólar americano.

55

Tabela 4.4. Parâmetros da análise econômica. a

Vida útil da planta de biodiesel (anos) 25

Depreciação – Equipamentos (% por ano) 10

Depreciação – Edificações/obras civis (% por ano) 4

Imposto de Renda (%) 34

Taxa de desconto (%) 12

Capital de giro (%) b 25

Investimentos c

Equipamentos

Fotobiorreator e outros equipamentos (M US$) d 703,4

Planta de transesterificação (M US$) e 16,6

Obras civis

Fotobiorreator (M US$) f 292

Planta de transesterificação (M US$) e 1,7

Custos operacionais (insumos)

Fotobiorreator (US$/t óleo) g 813,0

Transesterificação (US$/t biodiesel) e 250,6

Reparos e manutenção

Fotobiorreator (US$/t óleo) h 766,7


Mão de obra

Fotobiorreator (US$/t óleo) i 122


Preços

Torta de algas (US$/t) j 288,6

Diesel regular (US$/l) k 1,37

Biodiesel (US$/L) 1,10

Impostos (ICMS)

Torta de algas (%) l 4,2

Biodiesel (%) l 3,0

Despesas gerais m 60%

Manutenção n 2%

Seguro e taxas n 1,5% a Valores de 2011.Cotação dólar 2011: R$ 1,674. b 25% dos custos de operação (Benemann e Oswald,

1996). c Refere-se à planta completa, ou seja, capacidade de processamento anual de 35.500 t óleo para

o PBR e 100.000 t biodiesel para a planta de transesterificação. d Mais de 80% está relacionado ao PBR

(Davis et al., 2011); multiplica-se por 38%, referente à oferta necessária para 100% de substituição de

diesel. e Vecchio (2006); multiplica-se por 15%, referente à oferta necessária para 100% de

substituição de diesel. f Refere-se a custos de contingência (30% sobre o valor dos equipamentos)

(Davis et al., 2011) e de construção civil (Aden et al., 2002); multiplica-se por 38%, referente à oferta

necessária para 100% de substituição de diesel. O custo de contingência é devido às incertezas

inerentes a transição entre escalas de laboratório e comercial. g Insumos (ver Tabela A 1). h Inclui

despesas gerais, manutenção e seguros e taxas (ver notas m e n). i 25 ha/operador (Davis et al., 2011);

demais funcionários (Aden et al., 2002). j Adotou-se preço do farelo de soja (IMEA, 2012b). k Média

de MT, GO e SP; valores de 2014 corrigidos para 2011 (ANP, 2013). l SEFAZ (2013). m Sobre a mão

de obra (Aden et al., 2002). n Sobre os equipamentos (Aden et al., 2002).

56

4.4.3. Análise de sensibilidade e incerteza

Dados de campo e dados da literatura, quando disponíveis, foram utilizados para estimar os

parâmetros estatísticos para a análise de sensibilidade e de incerteza, avaliada através da simulação

de Monte-Carlo (APÊNDICE A; Tabela A 1 e Tabela A 2). O ajuste da distribuição de

probabilidade e a simulação de Monte-Carlo foram realizados com uso do software Crystal Ball®.

Inicialmente, foram selecionados 11 parâmetros para a análise de sensibilidade do sistema

biodiesel de algas, quais sejam: 1) consumo de glicerol; 2) conteúdo de glicerol na glicerina; 3)

taxa de aplicação de nitrogênio; 4) conteúdo de óleo da alga; 5) taxa de aplicação de potássio; 6)

taxa de aplicação de fósforo; 7) eficiência de extração de óleo; 8) eficiência de uso de CO2; 9) uso

de eletricidade na etapa de produção das algas; 10) uso de eletricidade na extração de lipídios; e

11) uso de eletricidade na recuperação de CO2. No entanto, os gráficos de sensibilidade

apresentados a seguir indicam apenas os parâmetros que causaram uma variação acima de 0,1% no

resultado final.

O parâmetro conteúdo de glicerol na glicerina foi selecionado devido às variações na

concentração desse composto orgânico na glicerina bruta, reflexo das características do ácido graxo

e dos tipos e quantidades de reagentes. A taxa de glicerol consumida pelas algas retrata condições

experimentais com N. salina alimentada com esse substrato em sistema com borbulhamento de

CO2 (Sforza, 2012). O comportamento das algas pode variar em função das condições locais e de

processo. Por essa razão, uma avaliação experimental, e/ou em escala piloto, seria importante para

identificar o comportamento da N. salina produzida em sistema integrado com o setor

sucroenergético, alimentada com glicerol e sob condições brasileiras.

57

4.5. Resultados

4.5.1. ACV do biodiesel de algas

A análise de Monte-Carlo indicou que as emissões de GEE do ciclo de vida do biodiesel de

algas são de 24 ± 3,5 gCO2e/MJ de combustível (μ ± σ) (Figura 4.4). O intervalo dos resultados

varia de 15 a 40 gCO2e/MJ de combustível. Valores divulgados na literatura reportaram emissões

de GEE de 43 a 79 gCO2e/MJ de biodiesel de algas (Batan et al., 2010; Delrue et al., 2012). Grande

parte dessas emissões de GEE está relacionada ao consumo de energia e de vapor no cultivo e

processamento das algas. Neste estudo de ACV, essa demanda energética não foi contabilizada no

inventário do biodiesel de algas pois a mesma é suprida pelo sistema de cogeração da planta de

etanol. Essa demanda foi descontada da disponibilidade de vapor e da oferta de eletricidade

excedente da usina de etanol. Esse é o principal motivo pelo qual os resultados tanto de emissões

de GEE quanto de consumo de energia fóssil diferem dos dados divulgados na literatura.

Figura 4.4. Emissões de GEE para o sistema biodiesel de algas.

De acordo com a análise de sensibilidade (caso base), que avalia, de forma independente, os

impactos que cada variável exerce sobre o resultado final, foi identificado que os parâmetros que

mais afetam os resultados de emissões de GEE são a taxa de aplicação de nitrogênio, as emissões

58

diretas de N2O devido ao manejo do solo e o consumo de glicerol pelas algas (Figura 4.5). As

emissões de N2O estão relacionadas ao ciclo de vida do etanol, uma vez que esse álcool é utilizado

no processo de transesterificação.

Figura 4.5. Análise de sensibilidade das emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de algas.



Para o entendimento dos resultados, é importante destacar três condições adotadas no

modelo: 1) a taxa de aplicação de nitrogênio deve atender, no mínimo, à relação de Redfield

(conforme item 4.4.1.1); no entanto, devido às incertezas no cultivo das algas, foi adotado um

limite superior que corresponde ao desvio padrão de 50% sobre o valor médio (Tabela A 2), 2) o

consumo de glicerol pelas algas depende da concentração máxima de biomassa no meio de cultura,

e 3) a taxa de alimentação de glicerina é constante. Com o aumento da concentração de biomassa,

por exemplo, aumenta-se a disputa por esse substrato e, por conseguinte, as algas reduzem o

consumo de glicerol por kg de biomassa. Ao reduzir esse consumo, as algas passam a usar taxas

maiores do CO2 da fermentação para suprir a demanda por carbono. Aumentando o uso de dióxido

de carbono por biomassa de algas, há redução na produção de biodiesel, pois CO2 é um fator

limitante no modelo, já que sua disponibilidade está restrita à produção de etanol. No entanto, ao

se consumir mais dióxido de carbono, elemento esse disponível na própria unidade integrada e ao

221

2,77%

0,187

86,9%

90

0,0229

0,74

59%

93

0,44%

0,117

61,7%

13

0,0018

0,14

35%

10 15 20 25 30

Taxa aplicação de N - algas (g/kg biomassa)


Consumo de glicerol - algas (g/g biomassa)

Conteúdo de glicerol na glicerina (%)

Taxa aplicação de P - algas (g/kg biomassa)



Conteúdo de óleo nas algas (%)

g CO2e/MJ biodiesel

Aumento Redução

59

qual não foi atribuída nenhuma carga ambiental, há uma redução na aquisição de glicerina no

mercado externo. Dessa forma, a resposta é a redução nas emissões de GEE e consumo de energia

fóssil, já que uma carga ambiental está atrelada a essa glicerina externa. Com esse comportamento

seria possível concluir que usar apenas o CO2 da fermentação, ou adicionar o da cogeração,

melhoraria a sustentabilidade do sistema. No entanto, sistemas mixotróficos resultam em maior

produtividade e, consequentemente, maior produção de biomassa. Essas duas variáveis podem ser

decisivas em uma avaliação econômica. Maior produtividade e aumento da produção de biomassa

podem resultar em uma melhor rentabilidade econômica, pois essas variáveis estão relacionadas

ao tempo de retorno e a uma menor área de cultivo. Além disso, há disponibilidade de glicerina na

própria unidade integrada. O consumo local desse substrato evitaria os efeitos adversos do

transporte da glicerina para outro destino final.

É importante lembrar que há uma relação direta entre o aumento da produção e da

produtividade com o consumo de nutrientes (N, P e K). No modelo, o consumo de fertilizantes está

atrelado ao conteúdo elementar das algas. Ou seja, ao se aumentar a produção, há um acréscimo

proporcional no consumo de fertilizantes. Um aspecto importante do uso do processo mixotrófico

pode ser o aumento na concentração de lipídios. No entanto, não foram encontrados estudos que

retratassem os efeitos do crescimento mixotrófico sobre o conteúdo de óleo em microalgas N.

salina. Com esses dados seria possível correlacionar o consumo de glicerol com o conteúdo de

óleo na simulação de Monte-Carlo. Mesmo sem essa informação, foi avaliada a sensibilidade do

conteúdo lipídico sobre os resultados finais e concluiu-se que essa variável não causa impacto

relevante. Portanto, a ausência desse dado não prejudicou os resultados.

Embora o conteúdo de nitrogênio, carbono e fósforo das microalgas tenha sido determinado

pela razão de Redfield (Redfield, 1958), a aplicação real de nitrogênio e de fósforo não é,

necessariamente, a quantidade sugerida por essa razão, conforme explicado acima (Página 58). Por

esse motivo, aplicou-se distribuição de probabilidade a essas variáveis, sendo o valor mínimo igual

ao próprio valor médio, já que não seriam possíveis valores menores que a composição elementar

das algas. Foram adotados valores de desvio padrão altos devido às incertezas no consumo desses

insumos (Tabela A 2). Outro insumo que pode ser relevante para a análise de ciclo de vida é o uso

de polímeros na etapa de secagem das algas. No entanto, devido à falta de informação relativa à

quantidade e ao tipo de polímero, essa entrada não foi contabilizada neste estudo.

60

Referente à concentração de glicerol na glicerina bruta, a variação está relacionada à

composição dos ácidos graxos e aos tipos e quantidades de reagentes utilizados na produção de

biodiesel. O valor médio adotado para o conteúdo de glicerol na glicerina foi de 84%, com valores

mínimos e máximos de 59% e 88%, respectivamente (Oliveira et al., 2013). Neste estudo não foi

avaliada a correlação entre a composição do ácido graxo, os reagentes e a glicerina devido à

ausência de dados compatíveis com as considerações adotadas.

Outro ponto importante são as incertezas referente ao consumo de energia durante o cultivo

das algas, que depende da tecnologia adotada. Embora o valor adotado seja referente à uma

tecnologia específica, utilizada pela empresa SAT, assumiu-se um valor máximo igual ao dobro do

valor médio (Tabela A 2) de forma a contornar prováveis alterações na tecnologia.

Quanto ao consumo de energia fóssil na produção de biodiesel de algas, a simulação de MC

mostrou que 285 ± 15 kJ são consumidos para cada MJ de combustível (ou 4,7 MJ de biodiesel

para cada MJ fóssil). O intervalo de variação é de 195 a 283 kJ/MJ de biodiesel (Figura 4.6).

Valores superiores foram identificados na literatura, variando de 410 (Delrue et al. (2012) a 930

kJfóssil/MJ biodiesel (Batan et al. (2010). Essa diferença se deve ao elevado consumo de energia nas

etapas de produção das algas (PBR) e extração do óleo, lembrando que neste modelo toda a

demanda de energia elétrica e de calor é suprida pela planta de cogeração.

61

Figura 4.6. Uso de energia fóssil para o sistema biodiesel de algas.

Referente à análise de sensibilidade, a variável que mais afeta o resultado de balanço de

energia fóssil-renovável é a aplicação de nitrogênio, que contribui com 80% da dispersão (Figura

4.7). Como explicado anteriormente, foi adotada uma elevada variação na taxa de aplicação de

nitrogênio devido às incertezas atreladas ao cultivo de algas, refletindo elevada sensibilidade nos

resultados.

Figura 4.7. Análise de sensibilidade do uso de energia fóssil no ciclo de vida do biodiesel de algas.


221

0,187

90

86,9%

34

93

0,117

13

61,7%

8,2

100 200 300 400 500

Taxa de aplicação de N - algas (g/kg biomassa)


Taxa de aplicação de P - algas (g/kg biomassa)


Taxa de aplicação de K - algas (g/kg biomassa)

kJ/MJ biodiesel

Aumento Redução

62

Com o objetivo de avaliar o efeito do uso de outro método de alocação, aplicou-se alocação

com base no preço. Nesse cenário, a simulação Monte-Carlo resultou em maiores emissões de GEE

e consumo de energia fóssil; 41 ± 7 g CO2e/MJ de combustível para as emissões de GEE e

490 ± 80 kJ/MJ para o uso de energia fóssil (APÊNDICE D; Figura D 2 e Figura D 3). A razão

para isso é porque o preço do biodiesel é quase duas vezes maior do que o preço da torta de algas.

A amplitude entre os valores mínimo e máximo é cerca de duas vezes maior na alocação por preço

quando comparada à alocação por massa. Devido às incertezas relacionadas ao preço,

principalmente para a torta de algas, e aos critérios estabelecidos pelas normas ISO, conforme

apontado no Capítulo 2, para o sistema integrado cana-algas tomou-se como base a alocação por

massa.

4.5.2. ACV do etanol do sistema integrado cana-algas

Da avaliação do ciclo de vida do biodiesel de algas, concluiu-se que para cada MJ de

biodiesel produzido são consumidos 212 kJ de energia fóssil primária e emitidos 17 g CO2e. O

diesel fóssil emite 85,6 g CO2e e consome 1325 kJ de energia fóssil primária para cada MJ de

combustível produzido (Tabela A 3). Para o sistema tradicional de etanol de cana-de-açúcar, o

diesel representa 60% do consumo de energia fóssil, seguido pelo nitrogênio, que responde por

24%. Portanto, inicialmente, já é possível concluir que a substituição do diesel por biodiesel de

algas pode melhorar os aspectos ambientais do ciclo de vida do etanol de cana.

De acordo com a simulação de MC, a integração cana-algas pode reduzir o consumo de

energia fóssil primária em cerca de 50% em relação ao sistema tradicional. Conforme observado

na Figura 4.8, o sistema tradicional apresenta maior variância – 2,5 vezes superior no sistema

integrado. Isso se deve ao consumo de diesel, que no sistema tradicional representa cerca de 25%

da variação nos resultados de MC. Dessa forma, ao substituir o diesel por biodiesel no sistema

cana-algas, a incerteza relativa ao consumo de diesel é eliminada, reduzindo a variância.

63

Figura 4.8. Resultado de Monte-Carlo para uso de energia fóssil – comparativo entre os sistemas

tradicional e integrado cana-algas.

No caso integrado, o uso de nitrogênio na cultura da cana e o consumo de biodiesel de algas

são responsáveis por 50% e 20% do uso de energia fóssil, respectivamente. A análise de

sensibilidade identificou que a produtividade da cana é o parâmetro mais sensível ao consumo de

energia fóssil, responsável por 80%, seguido pelo rendimento de etanol (6%) e aplicação de

nitrogênio em cana-soca (5%) (Figura 4.9). O parâmetro “consumo de diesel – cana”

0

20

40

60

80

100

120

39,47 69,38 99,29 129,20 159,10

Fre

quên

cia

kJfóssil/MJ etanol

Sistema Tradicional Sistema Integrado Cana-Algas

Média = 58,5 Média = 113,3

64

Figura 4.9. Análise de sensibilidade para o sistema integrado cana-algas – Uso de energia fóssil no

ciclo de vida do etanol.

* Inclui as etapas de tratos culturais, colheita e transbordo da cana.


Em relação às emissões de GEE, a integração cana-algas pode reduzir de 23,5 g CO2e/MJ

para 21 g CO2e/MJ as emissões de GEE do ciclo de vida do etanol, quando comparada ao sistema

tradicional (Figura 4.10).

117,57

95

90

221

103

324

0,187

90

86,9%

52,43

75

59,6

93

26

237

0,117

13

61,7%

20 40 60 80 100

Produtividade - cana (t/ha.ano)

Rendimento de etanol (L/t cana)

Aplicação de N - cana-soca (kg/ha.ano)

Taxa de aplicação de N - algas (g/kg biomassa)

Distância média do transporte de cana (km)

Consumo de diesel - cana (L/ha.ano)*


Taxa de aplicação de P - algas (g/kg biomassa)


kJ/MJ de etanol

Aumento Redução

65

Figura 4.10. Resultado de Monte-Carlo para emissões de GEE – comparativo entre os sistemas

tradicional e integrado cana-algas.

No sistema tradicional, o uso dos resíduos, que inclui vinhaça, torta de filtro, cinzas da

caldeira e fuligem, a decomposição da palha da cana e a queima de bagaço foram responsáveis por

33% das emissões de GEE durante o ciclo de vida do etanol tradicional. Para esse mesmo sistema,

o uso de nitrogênio, que compreende as emissões de produção e as emissões diretas e indiretas

durante o uso, representou 27% das emissões totais. Isso demonstra que estudos futuros também

devem avaliar as alternativas ao uso de nitrogênio, além de soluções para a gestão de resíduos.

Embora o diesel represente 23% das emissões de GEE, esse respondeu por apenas 2% da dispersão

na análise MC, mesmo assumindo uma amplitude no consumo de diesel de 100 litros (ha ano) -1

entre os valores mínimo e máximo. A grande contribuição na dispersão do resultado vem das

emissões diretas de N2O (52%) e da produtividade da cana (30%).

No sistema integrado, em que não há consumo de diesel fóssil nas etapas agrícolas, o

biodiesel de algas foi responsável por 6% das emissões de GEE. Resíduos, nitrogênio e calcário

responderam por 41%, 33% e 15%, respectivamente. A análise de sensibilidade demonstrou que

as emissões diretas pelo manejo do solo e a produtividade de cana são os parâmetros mais

influentes, responsáveis por 58% e 24% da variação nos resultados de emissões de GEE para o

sistema integrado cana-algas (Figura 4.11).

0

10

20

30

40

50

11,0 17,2 23,4 29,6 35,8

Fre

qu

ênci

a

gCO2e/MJ etanol

Sistema Tradicional Sistema Integrado Cana-Algas

Média = 21 Média = 23,5

66

Figura 4.11. Análise de sensibilidade para o sistema integrado cana-algas – Emissões de GEE no

ciclo de vida do etanol.



4.5.3. Avaliação Econômica

Tendo como objetivo a substituição do diesel por biodiesel e sendo essa a principal receita

do sistema cana-algas, o investimento nesse modelo não é economicamente viável. O resultado de

Monte-Carlo identificou VPL de -331 ± 5 MUS$ (μ ± σ) (Figura 4.12). O breakeven point para que

o sistema se torne economicamente viável seria um cenário com o preço do diesel a US$ 5,57/L,

no mínimo. Ou, caso a usina optasse por vender o biodiesel, este deveria ser vendido pelo preço

mínimo de US$ 5,90/L.

O preço do diesel regular e o custo dos equipamentos são os fatores que mais afetam os

resultados de VPL, responsáveis por 50% e 30% da variância, respectivamente (Figura 4.13). As

únicas receitas do sistema são a economia de diesel e a venda da torta de algas, uma vez que trata-

se de um fluxo incremental. Por ser um mercado novo, o preço adotado para a torta de algas

2,77%

117,57

0,0229

95

0,74

93

0,05

0,28

72,95%

221

0,44%

52,43

0,0018

75

0,14

66

0,00

0,04

21,81%

93

5 10 15 20 25 30


Produtividade - cana (t/ha.ano)


Rendimento de etanol (L/t cana)


Aplicação de N - cana-soca (kg/ha.ano)


Emissões indiretas de N2O - fração volatilização*

Perda de CO2 (fermentação) - %

Taxa aplicação de N - algas (g/kg biomassa)

gCO2e/MJ etanol

Aumento Redução

67

corresponde ao preço do farelo de soja, supondo que seriam substitutos (SAT, 2013). O fluxo de

caixa é apresentado no Apêndice C (Tabela C 3).

Figura 4.12. Valor presente líquido do fluxo de caixa incremental – sistema integrado cana-algas.

Figura 4.13. Análise de sensibilidade para o VPL – Sistema integrado cana-algas.

Dentre os custos operacionais, o reparo e manutenção e os insumos para a unidade de PBR

são as despesas anuais mais significativas no fluxo de caixa (Figura 4.14). Os custos com insumos

incluem nutrientes, floculante, solvente, captação e distribuição de CO2 e a compra de glicerina

adicional. Dentre esses custos, os maiores gastos estão relacionados ao fertilizante nitrogenado

(54%), compra de glicerina adicional (16%), captação e distribuição de CO2 (12%) e fertilizante

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

-344

.600

-342

.300

-340

.000

-337

.600

-335

.300

-333

.000

-330

.700

-328

.400

-326

.000

-323

.700

-321

.400

-319

.100

-316

.700

Fre

qu

ênci

a

1000 USD

Média = - 330.632

-1 σ = - 335.691 1 σ = - 325.573

1,52

720

369

90,5

897

526

495

13,5

1,22

687

234

72

769

327

388

11,4

-350.000 -340.000 -330.000 -320.000 -310.000

Preço do diesel regular (US$/L)

Equipamentos - PBR (MUS$)

Preço torta de algas (US$/t)

Obras civis - PBR (MUS$)

Preço uréia (US$/t)

Preço da glicerina (US$/t)

Preço superfosfato simples (US$/t)

Custo de captação e distribuição CO2 (US$/t)

1000 USD


68

fosfatado (11%). Aqui vale ressaltar que a despesa com a captação e distribuição do dióxido de

carbono poderia ser em torno de quatro vezes superior em um cenário com uso do CO2 da

combustão (Smolker e Ernsting, 2012), pois esse precisaria ser tratado antes do uso. Outro aspecto

importante é a demanda adicional por carbono orgânico. Neste modelo adotou-se o uso de glicerina,

mas outros substratos poderiam ser utilizados, tais como acetato de sódio, glicose ou etanol (Sforza,

2012). No entanto, não é objetivo desse trabalho investigar o efeito de diferentes substratos sobre

os resultados econômicos e ambientais.

Figura 4.14. Custos operacionais do sistema integrado cana-algas.

Nota: MO = mão de obra; Trans = planta de transesterificação; R&M = reparo e manutenção.

4.6. Discussões

Referente ao uso da glicerina como substrato, embora esse produto apresente baixo preço de

mercado e seja amplamente disponível devido à grande produção de biodiesel no Brasil, a oferta

desse insumo está limitada à localização da planta de biodiesel. Por esse motivo, dependendo da

localidade, pode ser mais interessante fazer uso de outro substrato, tal como acetato de sódio,

glicose ou etanol (Sforza, 2012). No entanto, é importante levar em consideração a resposta das

microalgas a essas alternativas de carbono orgânico.

38%

33%

12%

10%

6%

0,3%

0,1%

Custos reparo e manutenção - PBR

Custos insumos - PBR

Custos insumos - Transesterificação

Perda de receita - Eletricidade

Custo de mão de obra - PBR

Custos reparo e manutenção - Trans.

Custo de mão de obra - Trans.

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%

69

Ainda referente à demanda por insumos, a vinhaça, proveniente da destilação do caldo de

cana fermentado, poderia ser uma fonte de nitrogênio, fósforo e potássio para as algas. No entanto,

ainda não há estudos com N. salina que retratem a resposta dessa alga ao uso da vinhaça como

substrato. Um estudo, em andamento, sobre o uso da vinhaça como meio de cultivo para microalgas

(Oliveira, 2011) poderá trazer resultados interessantes que auxiliariam na atualização deste

trabalho.

Em relação à oferta de CO2, a produção de etanol é interrompida por pelo menos quatro

meses ao ano devido à entressafra da cana-de-açúcar, o que torna a produção de algas dependente

da safra de etanol quando a fermentação é a única fonte de dióxido de carbono. Idealmente, uma

planta deve funcionar 12 meses por ano para manter as algas vivas. Neste caso, duas abordagens

poderiam ser consideradas: 1) o armazenamento de CO2 a partir da fermentação; 2) uma caldeira

exclusiva para as algas, com queima de bagaço armazenado. Por essa razão, uma avaliação

econômica deve ser realizada para identificar qual a fonte de CO2 seria mais viável: CO2 a partir

da fermentação ou CO2 a partir da queima de biomassa. Note que muitas usinas já estão produzindo

energia elétrica durante a entressafra. No modelo proposto não foi considerado o uso do CO2

proveniente da queima de biomassa pois o dióxido de carbono fornecido pela fermentação é

suficiente para substituir 100% da demanda local de diesel.

Quanto às premissas adotadas no modelo para a produção de algas, é importante destacar que

ainda há muitas incertezas em relação às tecnologias de produção e secagem de algas, bem como

os rendimentos para diferentes condições locais e de processo. Todas essas condições, somadas à

espécie de algas selecionada, poderiam afetar os resultados deste trabalho. Embora este estudo

tenha dado especial atenção às variações dos parâmetros e às incertezas do modelo, é importante o

desenvolvimento de outros trabalhos que incluam diferentes condições tecnológicas e de processo.

70

4.7. Conclusões

A ideia do modelo integrado cana-algas surgiu devido ao aspecto ambiental negativo do uso

do diesel no ciclo de vida do etanol e às oportunidades de integração desses dois sistemas. Apenas

com o uso do CO2 da fermentação seria possível substituir 100% do diesel consumido nas etapas

agrícolas e de transporte da cana-de-açúcar, e ainda gerar biodiesel excedente. Devido a esse

potencial de produção e à carga ambiental negativa atrelada ao ciclo de vida do diesel fóssil, os

resultados demonstraram que o sistema integrado cana-algas pode reduzir a emissão de GEE e o

consumo de energia fóssil, quando comparado ao sistema tradicional.

Tal sistema integrado também poderia incentivar o desenvolvimento do setor de biodiesel de

algas. Embora o setor sucroenergético seja uma excelente fonte de CO2, há outras oportunidades

locacionais para a instalação de uma planta de algas, tal como usinas termelétricas. Com o objetivo

de produzir biodiesel integrado ao setor sucroenergético, as algas são uma excelente opção por não

exigir grandes áreas de terra e por não depender de condições edafoclimáticas tanto quanto as

oleaginosas tipicamente usadas para a produção de biodiesel.

Por outro lado, os resultados demonstraram que o sistema cana-algas não é economicamente

viável para as condições adotadas. Para se tornar viável, dentro das condições atuais, o diesel

deveria custar, no mínimo, US$ 5,57/L. Ou, a usina teria que vender o biodiesel por pelo menos

US$ 5,90/L. Nesse sentido, observa-se que o ideal seria investir em produtos de maior valor

agregado. No entanto, por se tratar de uma tecnologia ainda recente, o avanço tecnológico,

melhorias na produtividade e o ganho de escala possivelmente refletirão em melhores resultados

econômicos a longo prazo.

Por fim, é importante destacar que o sistema de produção de algas avaliado neste trabalho

não é a única opção e tampouco representa a tecnologia mais otimizada, embora a configuração

adotada tenha sido indicada como uma das mais factíveis para a produção em escala comercial

(Davis et al., 2011). Por essa razão, apesar dos esforços para avaliar a sensibilidade e a incerteza,

há grande dúvida quanto aos resultados aqui apresentados, muito embora outros estudos também

tenham identificado elevados custos para a produção de algas (Delrue et al., 2012; Sun et al., 2012;

Davis et al., 2011).

71

5. META-ANÁLISE DE SISTEMAS INTEGRADOS APLICADOS

AO SETOR SUCROALCOOLEIRO

O elevado consumo de combustível fóssil na produção de cana-de-açúcar limita os benefícios

ambientais do uso de etanol em substituição à gasolina. Mais de 60% do consumo de fósseis no

ciclo de vida do etanol de cana-de-açúcar está atribuído à queima de diesel nas etapas de tratos

culturais, colheita e transporte da cana, aplicação de insumo e disposição dos coprodutos (Souza e

Seabra, 2013). Com o desenvolvimento da cadeia agroindustrial de biodiesel do Brasil, surgem

oportunidades para substituir o diesel por esse biocombustível.

O desenvolvimento do setor de biodiesel está atrelado ao desafio da escolha da matéria-

prima. Em decorrência do know-how brasileiro na produção de soja, essa se tornou a principal

matéria-prima do setor de biodiesel. No entanto, há grandes promessas para culturas de maior

produtividade, tal como o dendê (Tan et al., 2009). Considerada uma das mais produtivas

oleaginosas do mundo, a palma de dendê é uma cultura perene que pode alcançar 26 anos de vida

útil e uma produção de 6.000 kg de óleo por hectare por ano (Souza et al., 2010). Como alternativa

de longo prazo, também tem se discutido o uso de algas para a produção de biodiesel (Lardon et

al., 2009). As vantagens e justificativas da integração dos setores de biodiesel de algas e de cana-

de-açúcar já foram apresentadas no capítulo anterior.

Motivado pelas oportunidades de integração industrial e agrícola do setor sucroenergético,

pelas perspectivas para o setor de biodiesel no Brasil e pela busca por alternativas ao elevado

consumo de diesel no ciclo de vida do etanol, este capítulo tem por objetivo explorar, por meio de

uma meta-análise, três modelos de integração para o setor sucroenergético, quais sejam: cana-soja,

cana-algas e cana-palma. Uma meta-análise consiste em uma técnica utilizada para reunir os

resultados de vários estudos (Lifset, 2012) e sua abordagem tem sido crescente na comparação de

resultados de Avaliação do Ciclo de Vida (Brandão et al., 2012).

Tais sistemas integrados são comparados quanto ao desempenho ambiental (capacidade de

redução das emissões de GEE e de uso de combustível fóssil) e ao desempenho econômico. O

sistema integrado cana-palma foi avaliado em estudo anterior e sua configuração se estrutura na

72

produção de biodiesel de dendê a partir de uma planta integrada à usina sucroalcooleira (Souza et

al., 2012).

5.1. Justificativa e condições gerais

A justificativa para o estudo dos sistemas integrados cana-soja e cana-algas já foi apresentada

nos capítulos anteriores. O dendê, também conhecido como palma, é a principal matéria-prima

utilizada mundialmente para a produção de óleo. Sua aplicação está principalmente nas indústrias

química e de alimentos. Durante dez anos, o óleo de dendê manteve-se como o de menor preço no

mercado internacional (MPOB, 2012). Há grandes expectativas de que o óleo de palma seja uma

importante matéria-prima para o mundo, especialmente nos países em desenvolvimento (OECD,

2013).

No Brasil, o cultivo de dendê ocupa aproximadamente 110 mil hectares, concentrados

principalmente nos estados do Pará e da Bahia (IBGE, 2012). O óleo de dendê é usado

majoritariamente para a indústria alimentícia. No entanto, diversas empresas têm apostado no

potencial do uso de óleo de dendê como matéria-prima para a produção de biodiesel.

O melhor desenvolvimento do dendezeiro ocorre em regiões tropicais, de clima quente e

úmido, com precipitação elevada e bem distribuída ao longo do ano (Embrapa, 2000). No entanto,

resultados de plantios experimentais têm apontado a palma de dendê como uma opção promissora

para o Cerrado brasileiro (Azevedo et al., 2008; Gama e Reynol, 2011). Em função da distribuição

irregular de chuvas nesse bioma, seu cultivo carece de irrigação para que a deficiência hídrica seja

eliminada (Azevedo et al., 2008). No entanto, o consumo de água é relativamente pequeno e ocorre

apenas durante a estação seca (Embrapa, 2011).

Com a proibição da queima da palha da cana e consequente aumento da colheita mecanizada

no estado de São Paulo, surgem problemas técnicos para a colheita da cana em terrenos com

declividade superior a 12%. Essas áreas, se mantidas para a agricultura, certamente serão ocupadas

por outras culturas que demandam menos mecanização. O plantio de dendê é uma alternativa,

73

podendo esse, inclusive, se beneficiar do setor sucroenergético através do uso da vinhaça para

irrigação do dendezeiro. Com base nessas condições, incluir o modelo cana-palma nesta análise

comparativa torna-se interessante devido ao potencial de integração dessa cultura com o setor

sucroalcooleiro. No entanto, é importante frisar que algumas áreas de cana-de-açúcar não

possuiriam terrenos com declive superior a 12%. Nesse caso, possivelmente haveria uma

competição por terra entre as culturas.

No modelo cana-palma, cana-de-açúcar e cachos de dendê são processados em uma planta

integrada etanol-biodiesel sendo o bagaço de cana e as fibras e cascas do fruto do dendê os

combustíveis usados para suprir a demanda interna de eletricidade e vapor (Figura 5.1). Maiores

detalhes em relação ao modelo cana-palma podem ser verificados em Souza et al. (2012).

Figura 5.1. Sistema integrado cana-palma.



processos; e setas pretas: fluxo de massa.

GlicerinaÓleo de dendê

Cana de açúcar

Etanol


Mosto

Biodiesel

Eletricidade e vapor a partir do

bagaço de cana e das fibras e

cascas do dendê

Etanol

Usina de cana

Destilaria

Energia fóssil

Emissões de GEE

Recursos primários

Palma de dendê

Cachos

vazios e

POME

Óleo de palmiste

Torta de palmiste

Planta de biodiesel

Glicerina

Processamento dos cachos

74


Este estudo aplicou a técnica de meta-análise como ferramenta para combinar os resultados

das três ACVs dos modelos de integração propostos. O inventário do ciclo de vida do biodiesel de

palma foi padronizado para atender às condições adotadas nos modelos cana-soja e cana-algas. As

unidades funcionais dos modelos são 1 MJ de etanol hidratado, para os sistemas integrado e

tradicional de produção de etanol, e 1 MJ de biodiesel etílico, para os sistemas individuais de algas,

soja e dendê.

Para os três sistemas integrados, adotou-se a mesma condição de contorno: substituir 100%

do diesel consumido nas etapas agrícolas e de transporte da cana. Para o caso soja, a substituição

do diesel consumido nas etapas agrícolas do grão ocorre apenas na área de sucessão, assumindo

que haveria dificuldade em garantir o uso de biodiesel em áreas não controladas pela usina.

Portanto, a soja adicional necessária para garantir a condição de contorno é produzida nos padrões

tradicionais desse grão. Para o sistema cana-algas, o caso referência (Capítulo 4) já possui como

fator condicionante a substituição de 100% do diesel, ou seja, não há excedente de biodiesel.

Para padronizar o escopo, as seguintes adaptações foram feitas ao estudo anterior do sistema

cana-palma (Souza et al., 2012): a) exclusão da demanda de energia e emissões de GEE

relacionadas à produção de máquinas e equipamentos, b) atualização do inventário do ciclo de vida

do etanol conforme modelos cana-soja e cana-algas, c) atualização dos fatores de emissão e de

intensidade energética. Adicionalmente, foram incluídas as análises de sensibilidade e de incerteza.

Os perfis de distribuição de probabilidade foram definidos de acordo com dados de literatura e

dados de campo disponibilizados pela empresa Agropalma, incluindo os seguintes parâmetros

referente à palma: produtividade dos cachos de fruto fresco (CFF), taxa de aplicação de nitrogênio

e fósforo, horas e dias de irrigação do dendezal, distância de transporte dos CFF do campo até a

usina.

Referente à avaliação econômica, foi adotado fluxo de caixa incremental com horizonte de

análise de 33 anos, sendo dois anos de viveiro (-2 a 0 ano). No ano “0” ocorre o plantio das

palmeiras. A colheita se inicia a partir do ano 3, cinco anos após o primeiro investimento, e se

estende até o ano 30, somando 28 anos de colheita. Os investimentos ocorrem em períodos

75

diferentes. Nos primeiros dois anos (-2 e -1), há investimento no viveiro e em máquinas e

equipamentos. No ano 0, além de novos investimentos em máquinas e equipamentos e implantação

da lavoura, há investimento no sistema de irrigação do dendezeiro. Os investimentos industriais

(planta de extração e de biodiesel) ocorrem no ano 2, ano anterior ao início da colheita. As receitas

incluem a economia de diesel e as vendas de glicerina, óleo de palmiste, torta de palmiste e energia

elétrica excedente. Os dados de investimento da lavoura de dendê, do sistema de irrigação e da

planta industrial (extração e biodiesel), bem como os preços de venda do óleo e torta de palmiste,

foram adaptados de um projeto desenvolvido pela CODEVASP (PENSA/USP, 2007), devidamente

corrigidos para valores de 2011 aplicando-se índices de preços (IPCA, IGP-DI e CEPCI).

5.3. Resultados

Este capítulo apresenta, inicialmente, os resultados da simulação de MC para a ACV do

biodiesel de palma, pois em estudo anterior (Souza et al., 2012) não foram realizadas as análises

de sensibilidade e de incerteza. Posteriormente, é apresentada uma análise comparativa entre os

três sistemas integrados, tanto para a avaliação ambiental quanto para a viabilidade econômica.

5.3.1. ACV do biodiesel de palma

A análise de Monte-Carlo identificou que as emissões de GEE do ciclo de vida do biodiesel

de dendê são de 12,6 ± 2,4 g CO2e/MJ biodiesel (μ ± σ). Os resultados variam de 8 a 22 g CO2e/MJ

(Figura 5.2). Para fins de comparação, as emissões do ciclo de vida do diesel de petróleo (produção

+ uso) são de 85,6 gCO2e/MJ diesel (Tabela A 3). No modelo de biodiesel de dendê, a demanda

por combustível na fase agrícola, que inclui o transporte dos cachos do campo até a usina e o

transporte dos resíduos (cachos vazios) da usina até o campo, é suprida pelo próprio biodiesel de

dendê.

76

As emissões diretas de N2O devido ao manejo do solo é o parâmetro que exerce o maior

impacto sobre os resultados da simulação de MC, contribuindo com 39% da variação. Na sequência

está a produtividade do dendê e a taxa de aplicação de nitrogênio, que respondem por 25% e 17,5%.

Tanto a simulação de MC quanto a análise do caso base (avaliação independente dos parâmetros)

resultaram em comportamentos semelhantes quanto à análise de sensibilidade (Figura 5.3).

Figura 5.2. Emissões de GEE para o sistema biodiesel de palma.

Figura 5.3. Análise de sensibilidade das emissões de GEE no ciclo de vida do biodiesel de palma.

Nota: somente parâmetros com variação superior a 0,1%. As unidades dos parâmetros com “*”


26,94

2,77%

0,52

0,0229

0,74

3,70

157,26

13,00

0,44%

0,23

0,0018

0,14

2,30

110,74

6 8 10 12 14 16 18

Produtividade palma - CCF (t/ha.ano)


Aplicação de N - Palma (kg/pt.ano)



Horas de irrigação (h/d.ha)

Dias de irrigação (d/ano)

g CO2eMJ/biodiesel de palma

Aumento Redução

g CO2e/MJ de biodiesel

77

A produtividade da palma varia muito ao longo do ciclo de vida da palmeira. Embora nos 4

primeiros anos a palma já inicie sua produção de cachos, geralmente não há viabilidade econômica

para a colheita nesses primeiros anos. A produtividade máxima ocorre em torno do 15º ano, ocasião

em que as palmeiras podem produzir até 30 toneladas de cachos por hectare, acima de 6 toneladas

de óleo por hectare por ano. A colheita se encerra próximo do 30º ano, dependendo da viabilidade

econômica e da espécie.

Quanto ao consumo de energia fóssil, a simulação de MC resultou em 167 ± 28,5 (μ ± σ)

kJ/MJ biodiesel, com limites de 106 e 250 kJ/MJ (Figura 5.4). Para efeitos de comparação, o

balanço de energia para o diesel é de 1325 kJ/MJ de diesel (Tabela A 3). Pela análise de

sensibilidade, conclui-se que os parâmetros que mais afetam os resultados de consumo de energia

fóssil são a produtividade de dendê, as horas e dias de irrigação e a taxa de aplicação de nitrogênio

(Figura 5.5).

Figura 5.4. Uso de energia fóssil no sistema biodiesel de palma.

Assumiu-se que a demanda de eletricidade para a irrigação é fornecida pela rede. Embora a

planta de cogeração seja capaz de suprir essa demanda, considerou-se que o plantio de dendê não

necessariamente pertenceria à usina de biodiesel, o que poderia tornar inviável, tecnicamente e

economicamente, o fornecimento da energia elétrica pela planta de cogeração. O número de horas

e dias de irrigação do dendezal são totalmente dependentes das condições edafoclimáticas locais.

78

A Embrapa e outros grupos de pesquisa (UFSCar) têm desenvolvido projetos com o objetivo de

identificar a resposta para diferentes condições em região de Cerrado.

Figura 5.5. Análise de sensibilidade do uso de energia fóssil no ciclo de vida do biodiesel de palma.

Nota: somente parâmetros com variação superior a 0,1%.

5.3.2. Análise comparativa dos modelos de integração

5.3.2.1. Avaliação do ciclo de vida

Entre os modelos de integração avaliados, os sistemas cana-palma e cana-algas possuem

maior capacidade de reduzir o uso de combustível fóssil e as emissões de GEE quando comparados

ao sistema tradicional de etanol. Embora o balanço de energia do etanol tradicional de cana-de-

açúcar já seja muito superior ao seu substituto fóssil, a gasolina (9,24 MJ contra 0,87 MJ de energia

de saída para cada 1 MJ fóssil investido na produção (GREET, 2009)), a substituição do diesel

consumido nas etapas agrícolas da cana pode melhorar o balanço energético do etanol em até 10

unidades (Figura 5.6).

26,94

3,70

157,26

0,52

13,00

2,30

110,74

0,23

50 100 150 200 250 300

Produtividade palma - CCF (t/ha.ano)

Horas de irrigação (h/d.ha)

Dias de irrigação (d/ano)

Aplicação de N - Palma (kg/pt.ano)

kJ/MJ biodiesel

Aumento Redução

79

Figura 5.6. Balanço energético dos modelos integrados.

Enquanto o sistema cana-soja reduz 41% do uso de energia fóssil no ciclo de vida do etanol,

os modelos cana-algas e cana-palma são capazes de reduzir acima de 50% (Figura 5. 7). A diferença

ocorre porque o balanço energético do biodiesel de dendê e de algas é 2,9 e 2,2 vezes superior ao

do biodiesel de soja, respectivamente.

9,24

15,61

18,71

20,35

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

MJ

eta

no

l/M

Jfo

ssil

Sistema Tradicional Sistema cana-soja Sistema cana-algas Sistema cana-palma

80

Figura 5. 7. Consumo de energia fóssil no ciclo de vida do etanol de cana para os diferentes sistemas

integrados e por processo.

Além disso, observa-se pela análise de MC que há menor dispersão dos resultados para os

sistemas integrados, quando comparados ao sistema tradicional. Isso ocorre devido à substituição

de 100% do diesel, que responde por 76% da variância nos resultados para o sistema tradicional

(Figura 5.8). Da análise de MC também se conclui que mesmo o valor mínimo encontrado para o

sistema tradicional é superior à média dos sistemas integrados.

Figura 5.8 Análise de MC do consumo de energia fóssil no ciclo de vida do etanol de cana para os

diferentes sistemas integrados.

Nota: SI = Sistema Integrado.

34,0 33,9 34,0 34,0

3,7 3,7 3,7 3,7

67,9

23,911,3 8,4

2,6

2,6

2,62,6

0

20

40

60

80

100

120

Sistema tradicional Sistema cana-soja Sistema cana-algas Sistema cana-palma

kJ

/MJ

eta

no

l

Fertilizantes Pesticidas Consumo de diesel

Consumo de biodiesel Químicos e lubrificantes

20

40

60

80

100

120

140

160

SI cana-soja SI cana-algas SI cana-palma Sistema

Tradicional

kJ f

óss

il/M

J e

tan

ol

5%

95%

25%

75%

Média

Mediana

81

Em relação às emissões de GEE, a produção e uso de fertilizantes e condicionadores de solo,

principalmente nitrogênio e calcário, e o uso dos resíduos são os parâmetros mais impactantes no

ciclo de vida do etanol tradicional. O diesel contribui com apenas 23% das emissões de GEE. Por

essa razão, o deslocamento de diesel por biodiesel não afeta tanto as emissões de CO2e quanto o

faz para o uso de energia fóssil. Mesmo assim, a redução nas emissões do etanol é de cerca de 19%

e 15% quando palma e algas são integradas ao setor sucroalcooleiro, respectivamente. Para o

sistema cana-soja as economias de GEE podem ser negligenciáveis – apenas 7% (Figura 5.9).

Figura 5.9. Emissões de GEE no ciclo de vida do etanol de cana para os diferentes sistemas

integrados e por processo.

Da análise de MC conclui-se que todos os sistemas possuem variâncias semelhantes (Figura

5.10). Devido à contribuição dos fertilizantes e resíduos nas emissões de GEE e à grande variação

nos valores limites das frações e fatores de emissões diretas e indiretas de N2O decorrentes do

manejo do solo, a resposta desses parâmetros na análise de MC é bem mais relevante do que a

economia de diesel. O diesel representa menos de 1% da variação no resultado de MC para o

sistema tradicional. No entanto, há grandes incertezas quanto às emissões diretas e indiretas de

N2O devido ao manejo do solo. Os parâmetros e suas distribuições adotados na análise de MC não

retratam as condições locais de solo e clima. Por esse motivo, é importante atualizar esta simulação

na existência de valores que condizem com as condições das áreas de cana-de-açúcar no Brasil.

8.04 8.03 8.04 8.04

0.23 0.23 0.23 0.23

4.383.01

0.90 0.54

0.100.10

0.10 0.10

6.366.36

6.36 6.36

0

5

10

15

20

Sistema Tradicional Sistema cana-soja Sistema cana-algas Sistema cana-palma

gC

O2e/

MJ

eta

no

l

Fertilizantes Pesticidas Consumo de diesel

Consumo de biodiesel Químicos e lubrificantes Resíduos

82

Figura 5.10. Análise de MC das emissões de GEE no ciclo de vida do etanol de cana para os

diferentes sistemas integrados.

Nota: SI = Sistema Integrado.

Adicionalmente, o estudo de tais modelos de integração merece alguns comentários em

relação ao uso da terra. O objetivo do cenário apresentado no Capítulo 0 para o sistema integrado

cana-soja foi explorar uma situação em que o uso da terra é otimizado, ou seja, soja é produzida

somente em sucessão com a cana. Ao adaptar o modelo para substituir 100% do diesel, é preciso

adquirir soja de outras áreas. Para isso, são necessárias cerca de 60.000 t de soja externa, o que

corresponde a mais de 26.200 hectares. Para o sistema cana-palma, apenas 3.000 hectares são

suficientes para substituir 100% do diesel por biodiesel de palma. Entretanto, a palma é uma cultura

perene e, embora seja possível consorciá-la com outras culturas, há imobilização da terra. No caso

da soja, cujo cultivo é temporário, outras culturas podem ser plantadas na mesma área. Já o uso da

terra para a produção de algas, considerando sistemas por fotobiorreator, pode ser desprezível pois

a alta produtividade e o desenho industrial do sistema de produção permitem intensificar a

produção por área.

Neste estudo não foram incluídas as emissões de GEE devido às mudanças direta e indireta

do uso da terra. Incorporar tais emissões à avaliação do ciclo de vida poderia trazer resultados

interessantes. No entanto, ainda não há dados confiáveis que representem as condições adotadas

neste trabalho.

10

15

20

25

30

35

SI cana-soja SI cana-algas SI cana-palma Sistema

Tradicional

gC

O2e/M

J e

tan

ol

5%

95%

25%

75%

Média

Mediana

83

5.3.2.2. Avaliação econômica

Os resultados demonstraram que apenas os sistemas cana-soja e cana-palma são

economicamente viáveis. O sistema cana-palma possui VPL de $ 23,3 ± 19,6 MUS$, contra 13,5

± 16,3 MUS$ para o sistema cana-soja. (Figura 5.11).

Com base nesses resultados, pode-se concluir, inicialmente, que a alternativa mais atrativa é

o sistema cana-palma. No entanto, há outros fatores que devem ser avaliados. O sistema integrado

cana-palma possui elevado investimento inicial. O fluxo de caixa é negativo nos cinco primeiros

anos, que corresponde a dois anos para o viveiro das mudas e mais três anos para o início da

colheita. Em uma análise de payback simples, o sistema integrado cana-palma apresentou período

de recuperação do capital de nove anos, ao passo que para o sistema cana-soja o payback foi de

cinco anos, demonstrando que o VPL não deve ser o único indicador a ser avaliado.

Figura 5.11. Análise de MC do valor presente líquido dos sistemas integrados cana-soja, cana-

palma e cana algas. (i=12% para cana-soja, cana-palma e cana-algas).

Além disso, o investidor pode considerar que há maior risco no sistema cana-palma (como

discutido no Capítulo 6) e, portanto, adotar uma taxa de retorno mais elevada para esse modelo.

Ao se avaliar a sensibilidade para diferentes taxas de desconto (i), observa-se que o sistema

integrado cana-soja é menos sensível à variação de i e passa a ser mais atrativo para taxas acima

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

SI cana-soja SI cana-algas SI cana-palma

Mil

hõ

es U

SD

-350

-340

-330

-320

5%

95%

25%

75%

Média

Mediana

84

de 16%, em comparação ao sistema cana-palma (Figura 5.12). No entanto, destaca-se que o modelo

cana-soja é uma opção a curto-prazo, enquanto cana-palma é uma alternativa a médio-prazo. Ainda

há incertezas quanto à produtividade da palma em regiões áridas sob condições de irrigação,

embora experimentos tenham demonstrado rendimentos superiores aos encontrados nas regiões

tradicionais de palma no Brasil. Entretanto, essas incertezas serão reduzidas com o

desenvolvimento agrícola e, deste modo, uma taxa de retorno menor poderá ser assumida.

Figura 5.12. VPL para diferentes taxas de desconto.

Para o sistema cana-palma, a produtividade de cachos, o preço do diesel e o conteúdo de óleo

nos cachos são os parâmetros que mais afetam os resultados de VPL (Figura 5.13). Embora se

tenha adotado uma ampla variação no parâmetro de produtividade de cachos (25 ± 5 t CFF/ha), é

importante destacar que o rendimento nos primeiros anos de colheita é inferior ao valor mínimo

adotado. Por esse motivo, até que se estabeleça a produção e que um adequado planejamento seja

implantado, com plantios em diferentes idades, pode não haver viabilidade econômica nos

primeiros anos de colheita. Se supormos um cenário em que não há talhões em diferentes idades,

-$20.000

-$10.000

$0

$10.000

$20.000

$30.000

$40.000

$50.000

10% 12% 14% 16% 18% 20% 22%

1000 U

SD

Taxa de desconto

Sistema integrado cana-palma Sistema integrado cana-soja

85

somente a partir de 22 t de cachos por hectare, alcançada no 7º ano de colheita (9º de início dos

investimentos), é que o sistema se tornaria viável.

Figura 5.13. Sensibilidade do VPL para o sistema cana-palma.

5.4. Discussões

Em comparação ao resultado apresentado para o sistema cana-soja no item 3.5.3, a simulação

neste capítulo teve como premissa substituir 100% do diesel, ou seja, o fator limitante não é a oferta

de soja proveniente da área de renovação. Adotar esse critério foi importante para comparar os

sistemas na mesma condição de contorno. Ao substituir 100% do diesel por biodiesel de soja, tem-

se a condição de TIR>TMA para o caso base, tornando o investimento viável. Observa-se, portanto,

que a economia de diesel foi relevante para o modelo.

Outro ponto importante são as variações no preço médio dos coprodutos. O modelo tomou

como base os preços de 2011 e anteriores, devidamente corrigidos. No entanto, o preço do farelo

de soja quase dobrou entre 2011 e 2013, o que afetaria consideravelmente os resultados.

Referente ao complexo palma, não foram exploradas as diferentes alternativas de aplicação

para os coprodutos, por se tratar de mercados ainda não desenvolvidos. As cascas da amêndoa do

29,29

1,52

23%

1.631

20,71

1,22

18%

958

-20.000 0 20.000 40.000 60.000

Produtividade de CFF - t/ha

Regular diesel - US$/l

Conteúdo de óleo no CFF - %

Preço óleo de palmiste - US$/t

Milhares

VPL


86

dendê, por exemplo, podem ser vendidas para a produção de pellets. Dos cachos vazios podem ser

fabricados telas para cobertura vegetal (manta orgânica).

Além disso, este estudo exclui modelos de biorrefinaria estruturados na produção de

biomateriais e de etanol de segunda geração, bem como na adoção de novos manejos agrícolas e

agricultura de precisão. Uma meta-análise de tais modelos de biorrefinaria seria interessante para

comparar novas tecnologias aplicáveis ao setor sucroenergético. No entanto, um aspecto

importante dos modelos propostos neste estudo, especificamente para os modelos cana-soja e cana-

palma, é a viabilidade técnica industrial, ou seja, são passíveis de serem implantados com as

tecnologias hoje existentes. Muitas das tecnologias atualmente estudadas para modelos de

biorrefinaria aplicadas ao setor sucroenergético ainda não são tecnicamente maduras.

5.5. Conclusões

Os resultados indicaram que o sistema tradicional de cana é capaz de melhorar o ciclo de

vida do etanol ao substituir o óleo diesel por biodiesel. No entanto, integrar o setor sucroenergético

aos setores de dendê e de algas traz melhores benefícios ambientais quando comparados ao setor

de soja. Embora a soja seja a principal matéria-prima do agronegócio do biodiesel, esse grão não é

a melhor opção de matéria-prima para a substituição do diesel em termos de redução de energia

fóssil e de emissões de gases de efeito estufa. Por outro lado, o biodiesel de algas não é uma

alternativa de curto prazo, pois ainda há limitações técnicas e econômicas. Em curto-médio prazo,

a palma parece ser a escolha mais interessante para integrar ao setor de cana-de-açúcar. No entanto,

a melhor alternativa também dependerá das condições locais e da viabilidade econômica.

Em relação à avaliação econômica, em um cenário de substituição de 100% do diesel

consumido nas etapas agrícolas e de transporte da cana, ambos os sistemas cana-soja e cana-palma

se demonstram economicamente viáveis. Já para o sistema cana-algas, não há viabilidade

econômica dentro das condições adotadas no modelo.

87

Embora os aspectos ambientais e econômicos demonstrem resultados interessantes, é

importante analisar outros fatores que afetariam a implantação desses modelos, tais como

condições locacionais, políticas e de mercado. Por esse motivo, foram entrevistados diversos atores

envolvidos com os setores de etanol e biodiesel. O resultado da percepção dos entrevistados é

apresentado no próximo capítulo.

88

6. PERCEPÇÃO DOS AGENTES ENVOLVIDOS

Este capítulo consolida, de forma discursiva, a percepção de agentes envolvidos com o setor

de biocombustíveis quanto às propostas de integração apresentadas nesta tese: cana-soja, cana-

algas e cana-palma. Tais entrevistados incluem pesquisadores, empresários, políticos,

representantes e funcionários dos setores sucroenergético e de biodiesel. O questionamento foi

realizado com aproximadamente 30 profissionais de diferentes instituições, tais como Ministério

de Minas e Energia (MEE), Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA), Casa

Civil, EMBRAPA, Ubrabio (União Brasileira do Biodiesel e Bioquerosene), Aprobio (Associação

dos Produtores de Biodiesel), Abiove (Associação Brasileira da Indústria de Óleos Vegetais),

Cooperbio, Cooplacana, Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE), Laboratório Nacional

de Ciência e Tecnologia do Bioetanol (CTBE), além de empresários, pesquisadores e funcionários

do setor sucroalcooleiro e de biodiesel.

As entrevistas iniciaram-se com uma apresentação breve do escopo dos três modelos de

integração e dos resultados da avaliação ambiental e econômica. A todos os entrevistados foi

solicitada a opinião quanto às potencialidades, oportunidades, ameaças e desafios dos modelos de

integração. Sempre que possível, buscou-se direcionar as questões para a especialidade do

entrevistado ou para o papel da instituição no setor de biocombustíveis.

As entrevistas foram conduzidas nos anos de 2012 e 2014. Nesse período, o setor

sucroalcooleiro no Brasil se deparou com uma crise que concatenou no fechamento de mais de 40

usinas nos últimos quatro anos. Também houve crise no setor de biodiesel, que tem enfrentado

discussões constantes pelo aumento da mistura biodiesel-diesel, capacidade ociosa de mais de 50%

e paralisação das atividades de mais de 40% das usinas. Diante disso, houve alteração na percepção

dos setores entre as entrevistas de 2012 e 2014 e no perfil de produção, que mostra claramente uma

tendência de verticalização e da exclusão de usinas de pequeno porte.

A seguir, é apresentada individualmente a percepção para cada sistema integrado. Pelo fato

do sistema integrado cana-soja ser um modelo já existente e devido ao know-how brasileiro nessas

duas culturas, foi possível identificar os pontos positivos e negativos de forma mais detalhada.

89

6.1. Percepção quanto à integração cana-soja

A percepção da usina Barralcool e da empresa Dedini foram juntamente apresentadas em

função da relação de mercado entre elas; a Dedini é responsável pelo projeto da Barralcool. As

percepções da Cooperbio e da Cooplacana também foram discutidas conjuntamente devido à

característica comum de cooperativismo. Com exceção dos agentes dessas empresas e

cooperativas, os entrevistados foram questionados sobre todos os modelos de integração

apresentados neste trabalho.

6.1.1. Barralcool e Dedini

A Barralcool é a única planta industrial no Brasil que possui um sistema acoplado etanol-

biodiesel. O projeto da usina foi inicialmente estruturado para gradativamente aumentar o grau de

integração entre as unidades de etanol e biodiesel. Em uma primeira fase, definida como integração

parcial, a soja é produzida na área de renovação do canavial e entregue a uma esmagadora, que

extrai o óleo e o entrega em condições ideais para a transesterificação. Uma segunda fase incluiria

a aquisição de uma unidade esmagadora e, consequentemente, verticalização da planta. No entanto,

essa segunda fase nunca se consolidou na Barralcool. A usina possui apenas uma unidade secadora

de grãos e silos de armazenagem. Quando questionados quanto às dificuldades de evoluir os

estágios de integração, alegaram que a inclusão de uma unidade esmagadora é considerada

arriscada por desconhecerem o comportamento do mercado de óleos vegetais. Ressaltaram,

também, que “o mercado de farelo não é o dia-a-dia da usina”. Apesar disso, afirmaram que a usina

vem estudando o caso pois acreditam que esse cenário agregaria mais um produto ao setor e,

consequentemente, abriria um nicho de mercado para a exportação.

Também questionada quanto aos desafios para a inclusão de uma planta de esmagamento, a

empresa Dedini Indústria de Base, responsável pela implantação da Barralcool, alegou que a

construção de uma planta de extração na escala da unidade de biodiesel é economicamente inviável

devido aos altos investimentos dessa unidade. “A planta da Barralcool possui capacidade instalada

90

de apenas 50.000 toneladas por ano. Atualmente, não se justificaria investir em plantas de biodiesel

com esse volume”. Por esse motivo, a viabilidade de uma unidade de esmagadora só seria possível

para uma capacidade de produção compatível com o atual mercado de óleos. Com uma unidade

maior, a empresa também produziria óleo excedente para venda a preços competitivos com o setor

de esmagamento.

A importância da diversificação dos nichos de mercado e da verticalização fica clara ao se

observar as principais unidades esmagadoras de óleo. Essas empresas, tais como Cargill, ADM,

Granol e Caramuru, entraram para o mercado de biodiesel e dominam o atual cenário de produção

com preços inferiores aos praticados pelas unidades não verticalizadas. Observa-se, portanto, que

entre as vantagens de incorporar a unidade esmagadora ao projeto estão a possibilidade de escolha

entre produção de biodiesel ou venda de óleo, a depender das condições de mercado, e a redução

nos custos de produção de biodiesel. Por esses motivos, os entrevistados ressaltaram que o sucesso

na implantação de uma unidade de biodiesel está na verticalização e na capacidade local de oferta

de matéria-prima.

Desde a primeira fase do projeto Barralcool já se previa a substituição do diesel consumido

nas etapas agrícolas da cana-de-açúcar pelo biodiesel. Embora muito se questione a resposta do

motor diesel para misturas elevadas de biodiesel, testes realizados pela usina, em uma parceria com

a Valtra, demonstraram resultados positivos para B100. Apesar da meta e da viabilidade técnica do

motor, o projeto de substituição nunca se concretizou. A usina permanece com a compra de diesel,

direcionando todo o biodiesel para os leilões. A usina alega que os preços praticados nos leilões

são mais interessantes do que usar o biodiesel internamente (até o momento da entrevista, a usina

ainda comercializava biodiesel. No entanto, desde maio/2014 (leilão n. 34) a Barralcool não tem

participado dos leilões). Questionados sobre incentivos para a substituição do combustível fóssil,

os entrevistados declararam ter buscado redução e/ou isenção de impostos junto ao governo

estadual, mas esse foi indiferente à proposta.

Quanto às limitações de fornecimento de insumos para a produção de biodiesel, ressaltaram

a dependência internacional de metanol e de metilato de sódio e a demora na entrega desses

produtos, em especial na região de Mato Grosso devido às condições logísticas. “O metanol, por

exemplo, leva oito dias para chegar até a usina”. Por esse motivo, o investimento na rota etílica é

91

fundamental para eliminar a dependência externa de metanol. Ainda como reflexo da localização

da usina, as manutenções industrial e agrícola costumam ser caras e demoradas. “Em geral, a

prestação de serviços é proveniente do estado de São Paulo. Por conta disso, é necessário um

estoque maior de peças e equipamentos”.

Apesar da dificuldade logística dada pela localização da usina, os entrevistados destacaram

que a integração de etanol de cana e biodiesel de soja só se viabiliza no Centro-Oeste devido à

grande produção de óleo de soja e cana-de-açúcar nessa região. No Sudeste não se justificaria

investir em usinas de biodiesel de soja pois a oferta de óleo na região é baixa e, consequentemente,

o óleo (ou grão) teria que ser deslocado a partir de MT, ou outra região produtora. Ressaltaram que

o transporte do biodiesel, por ser um produto de valor agregado, é mais barato do que o transporte

do óleo. Por isso, é mais vantajoso transportar o biodiesel para o Sudeste. Ainda, destacaram que

é mais barato produzir biodiesel de soja no Mato Grosso do que no Sudeste.

Outra vantagem apontada pelos entrevistados foi a interação administrativa e operacional

entre as unidades de etanol e biodiesel. “Conseguimos aproveitar a mão de obra da cana-de-açúcar

para a soja, assim como serviços comuns entre as unidades de etanol e biodiesel, tais como

departamento pessoal, departamento de compras, eletricistas, mecânicos, entre outros”. Além

disso, equipamentos como caminhões, pulverizadores, grade e aplicador de calcário, também

podem ser de uso comum entre as culturas.

Questionados quanto às limitações industriais da rota etílica, um dos entrevistados alegou

não haver obstáculos. “A usina tem total capacidade para retornar o etanol utilizado na

transesterificação e passá-lo novamente pela coluna de destilação, já que essa está preparada para

retirar, inclusive, traços de biodiesel e impurezas que tenham sido arrastados junto com o álcool”.

Entre as justificativas apontadas para o incentivo à rota etílica está a capacidade interna de oferta

de etanol. No entanto, apontou como desvantagem a falta de tecnologia apropriada para a rota

etílica. Na visão de outro entrevistado, mais envolvido com as questões físico-químicas do

processo, a opção pela rota etílica traz complicações ao processo. Nas primeiras bateladas

realizadas na usina verificaram-se dificuldade na remoção da umidade do biodiesel e maior tempo

reacional. Devido ao aumento do tempo de reação, foi necessário instalar um decantador adicional,

para auxiliar na decantação da glicerina, e reduzir a vazão de entrada de óleo. “Os ésteres etílicos

92

possuem maior afinidade com a glicerina, por isso sua separação é mais complicada”. Outro

problema enfrentado pelos técnicos industriais foi a impossibilidade de utilizar a mesma coluna de

retificação do metanol para o etanol. Por esse motivo, o etanol recuperado, com traços de biodiesel,

retornava à usina de álcool para ser misturado ao etanol limpo. O entrevistado ressaltou, ainda,

que com a introdução do diesel S10 e o estabelecimento de limites máximo de água no diesel, a

ANP exigiu redução no teor de umidade do biodiesel, tornando o uso da rota etílica ainda mais

crítica e mais cara (o etanol possui azeotropia com a água, o que requer gastos energéticos maiores).

Dessa forma, os primeiros testes com transesterificação por etanol enfrentaram problemas de

cumprimento de parâmetros de qualidade e dificuldades de processo. No entanto, o entrevistado

acredita que as especificações da ANP não impedem que a rota etílica seja viável. Alegou que as

vantagens da utilização do etanol está na não dependência do mercado internacional de metanol e

das oscilações de preço desse álcool. Além disso, “metanol é mais tóxico e inflamável e sua

comercialização é controlada pela polícia federal, tornando o processo de compra mais

burocrático”.

Em relação aos incentivos à economia, os entrevistados alegaram que o mercado de biodiesel

alavancou o comércio de farelo e, consequentemente, a produção de suínos e aves em Mato Grosso.

Por essa razão, defendem a ideia de que o governo deveria incentivar o livre comércio do biodiesel

no estado, situação que se justifica diante do elevado preço do diesel. Além disso, problemas

logísticos de recebimento do óleo diesel e de escoamento de grãos são importantes fatores para

impulsionar o beneficiamento em MT. Entretanto, vale mencionar que ainda haveria a necessidade

de escoamento do farelo de soja.

No entanto, devido às condições de mercado, o foco da usina é claramente a unidade

sucroalcooleira. A usina não julga viável, por exemplo, atrasar o plantio da cana para a inclusão de

duas safras de grãos (e.g. soja e amendoim) na mesma área e no mesmo período de renovação da

cana-de-açúcar, como proposto pelo próprio projeto inicial da Barralcool. Enfatizaram, também,

que o mercado interno de etanol em MT é melhor do que a oportunidade externa para o açúcar

devido às dificuldades logísticas de exportação.

Os entrevistados compartilharam da opinião de que para a concretização de modelos de

integração no Brasil são fundamentais o incentivo dos governos federal e estadual, mercado

93

favorável e a disponibilidade de matéria-prima local. Além disso, destacaram que o setor carece de

inovação e de sistemas logísticos mais consolidados, como a implantação de pontos de estocagem

de etanol. Os atuais problemas com quebra de safras de cana-de-açúcar e o congelamento

duradouro no preço da gasolina também foram apontados pela usina como prejudiciais ao setor.

Quanto ao investimento em inovação, há um grande receio em relação à viabilidade técnica e

econômica. Por isso, julgam necessário maiores investimentos do governo em PD&I e o

envolvimento de fabricantes de equipamentos nas discussões de melhorias para o setor.

Embora o estudo de integração cana-soja tenha tido como motivação a interação do cultivo

de soja em áreas de renovação do canavial, a Barralcool declarou que essa condição não foi o

motivo que contribuiu para a construção da unidade integrada. “A oferta de soja via área de reforma

representa muito pouco em relação à demanda da usina de biodiesel. A elevada disponibilidade

dessa matéria-prima na região foi o que contribuiu para essa integração”. Por fim, o entrevistado

reforçou que cana é o principal negócio da usina e que não se justificaria substituir essas áreas por

plantios de soja a fim de atender à demanda da unidade de biodiesel.

6.1.2. Coplacana e Cooperbio

A Coplacana e a Cooperbio foram selecionadas por possuírem projetos voltados à produção

de biodiesel com foco na substituição do diesel consumido nas atividades agrícolas.

A Coplacana, localizada em Piracicaba, SP, é uma cooperativa de produtores rurais que

atuam no setor de grãos e de cana-de-açúcar. A cooperativa possui uma usina pequena de biodiesel

com capacidade de produção de 45.000 litros/dia cuja estratégia inicial era o consumo pelos

próprios cooperados. Questionados quanto às vantagens da integração cana-soja, ressaltaram que

a produção de soja na entressafra da cana-de-açúcar agrega valor à cadeia de produção e provê

recursos para financiar a cana-planta. No entanto, o objetivo da Coplacana não é utilizar somente

a soja proveniente das áreas de renovação do canavial, já que possuem associados que trabalham

exclusivamente com a soja.

94

Embora a construção da unidade de biodiesel esteja finalizada desde 2009, a produção do

biocombustível pela Coplacana não havia se iniciado até a data da entrevista (02/2012). Como

justificativa, a cooperativa alega o baixo preço do diesel, inferior ao custo de produção do biodiesel,

e a vantagem de comercialização do óleo de soja. Por esse motivo, os cooperados optam por vender

o óleo de soja ao invés de produzir o biodiesel. Hoje, a fábrica funciona apenas como uma unidade

de extração de óleo, recebendo soja de um raio de até 250 km.

A Cooperbio, com sede em Cuiabá, MT, é uma cooperativa de biocombustível que surgiu

com o objetivo de agregar valor aos produtos de seus cooperados que incluem, principalmente,

produtores de algodão, soja e milho. A cooperativa, com capacidade de produção de 460.000

litros/dia, iniciou sua atividade em julho de 2009 com a primeira venda de biodiesel no leilão da

ANP. Com essa capacidade de processamento, a usina é considerada de médio-grande porte e já

esteve na 22ª posição do ranking das maiores produtoras de biodiesel do Brasil. Embora o objetivo

inicial fosse substituir o diesel da frota cativa de seus cooperados, os entrevistados relataram que

os preços do óleo de soja e do biodiesel tornaram a participação nos leilões mais atrativa.

Embora a ideia que deu origem à Cooperbio apresente pontos positivos nas questões sociais

e ambientais, a cooperativa vinha enfrentando problemas de mercado. O aumento do preço do óleo

de soja no mercado internacional tornou a venda do grão in natura mais atrativa, levando os

cooperados a se desvincularem da cooperativa e a venderem a soja para as grandes esmagadoras.

Na ocasião da visita, a Cooperbio estudava a implantação de uma planta de extração de óleo. Dessa

forma, não dependeriam das grandes esmagadoras e não estariam vulneráveis às oscilações do

mercado. Recentemente, foi divulgado que a Cooperbio encerrou suas atividades no início de 2014

(BiodieselBr, 2014).

95

6.1.3. Percepção geral dos demais entrevistados quanto ao sistema

cana-soja

Em linhas gerais, todos os entrevistados acreditam que, em curto prazo, o modelo cana-soja

é o mais realístico para o setor sucroenergético devido ao know-how nessas culturas e à atual

contribuição da soja no cenário de biodiesel no Brasil. Enfatizaram que “tanto a soja quanto a cana

possuem uma produção consolidada e em larga escala, além disso, o uso da soja na renovação do

canavial já é uma prática do setor”.

No entanto, não acreditam que o uso somente da área de reforma como fornecedora de soja

seria atrativo. Com o entendimento de que a viabilidade econômica só é possível com a inclusão

de uma planta de extração de óleo, apontaram que não se justificaria investir em uma esmagadora

para atender somente a demanda interna por biodiesel. “Uma esmagadora de pequeno porte

certamente não é viável”. Além disso, enfatizaram que o investidor apostaria no modelo somente

se o sistema oferecesse outras oportunidades de mercado, como a venda de óleo ou biodiesel

excedente, por exemplo.

6.2. Percepção quanto à integração cana-algas

A percepção da integração cana-algas tem como base opiniões que não refletem conclusões

a partir de experiências práticas, uma vez que esse modelo de integração ainda não é realidade no

setor sucroalcooleiro brasileiro, tampouco a produção de biodiesel de algas.

Todos os entrevistados compartilharam da opinião de que algas não é uma perspectiva de

curto prazo. Destacaram que o grande desafio é a viabilidade técnica. “Os atuais projetos ainda são

de escala piloto e há grandes incertezas quanto ao comportamento das algas quando cultivadas em

larga escala”. Além disso, enfatizaram que o custo de implantação da indústria de algas ainda é

muito elevado. No entanto, vencidas todas as barreiras de desenvolvimento, alguns apontaram

melhores expectativas para o modelo cana-algas em comparação ao sistema cana-palma, embora

acreditem que os desafios tecnológicos das algas sejam superiores aos da palma. Um dos

96

entrevistados acredita que o progresso das algas será mais rápido do que a produção de dendê

irrigado. “Muitas empresas têm investido no desenvolvimento de tecnologias para a produção de

algas. Por outro lado, ainda há pouco investimento em pesquisa para o dendê irrigado”.

Outro aspecto apontado foi o potencial de diversificação de produtos em modelos de

integração como o sistema cana-algas. As diversas aplicações para os produtos e coprodutos da

indústria de algas torna o incentivo a essa cultura importante para o mercado interno brasileiro.

As incertezas em relação à produtividade das algas foram apontadas como uma ameaça ao

investimento nessa tecnologia. Além disso, a susceptibilidade à contaminação das algas é um

grande desafio, em especial para produção de larga escala.

Quando questionados em relação à inserção do modelo cana-algas no perfil do Programa

Nacional de Biodiesel, assinalaram preocupações quanto à geração de emprego para esse tipo de

sistema. Em função do caráter social do PNPB, esse modelo não estaria condizente com os

objetivos do Programa.

6.3. Percepção quanto à integração cana-palma

De modo geral, os entrevistados consideram que a integração cana-palma pode enfrentar

desafios. Embora ambas as culturas apresentem alta produtividade e estudos têm apontado bons

resultados em termos de balanço de energia e emissões de GEE para o etanol de cana e biodiesel

de palma, acreditam que a implantação do dendê no Cerrado, em larga escala, ainda carece de

estudos.

Em contrapartida, pesquisadores da Embrapa relataram que há um esforço contínuo em

propagar o conhecimento sobre os resultados positivos que essa cultura tem demonstrado em

experimentos sob condições de irrigação. Na opinião deles, há uma resistência cultural do setor no

investimento de novas tecnologias e culturas. Adicionaram, ainda, que a integração cana-palma é

uma excelente oportunidade para o uso da vinhaça na irrigação do dendezal e uma forma de

otimização industrial para o setor de biocombustíveis, possibilitando agregar valor à cadeia.

97

Alertaram que, atualmente, “o setor de biodiesel busca o ganho em escala e há poucas iniciativas

de integração industrial com foco na otimização”.

Vencidos os obstáculos edafoclimáticas, alguns dos entrevistados acreditam que a produção

de biodiesel competiria com outros usos do óleo de palma devido à grande demanda do setor

alimentício. Por esse motivo, o custo de oportunidade do uso do óleo de dendê para a produção de

biodiesel poderia desestimular, a priori, a substituição do óleo diesel pelo biodiesel de palma.

“Primeiramente, é necessário atender à demanda interna por óleo de palma; o Brasil é importador

líquido desse óleo”. Em contrapartida, na opinião de outros agentes, isso não seria uma ameaça

devido à alta produtividade da palma e aos atuais investimentos na cultura, que supririam o país

nas diferentes demandas. Outra questão apontada foi o tempo de início da colheita dos cachos, que

poderia inibir os investidores. Adicionaram, ainda, que “a resposta do dendê ao manejo do cultivo

é demorada, dificultando conclusões sobre seu comportamento sob condições não típicas da

cultura”.

Um aspecto positivo assinalado para a produção de dendê no estado de São Paulo, por

exemplo, foi de que o cultivo de palma enfrentaria menos problemas logísticos em relação à compra

de insumos e à venda de produtos, quando comparada à produção no Norte do país.

Em relação à demanda de mão de obra da cultura de dendê, cuja colheita é exclusivamente

manual, alguns entrevistados abordaram a importância social que essa cultura traria. “Como o

PNPB nasceu com um viés social e, consequentemente, o setor de biodiesel já incorporou essa

ideia, a alta capacidade de geração de emprego da cadeia do dendê poderia favorecer o

desenvolvimento dessa cultura para a produção de biodiesel”. No entanto, alertaram para as

possíveis dificuldades de mão de obra especializada na cultura do dendê e seus custos na região

Centro-Sul, que poderiam inviabilizar os investimentos. As limitações da colheita mecânica da

cana, no que se refere às restrições de declividade para a circulação das máquinas, foram apontadas

pelos entrevistados como uma oportunidade para a cultura do dendê. “Como essas áreas são, em

geral, próximas aos canaviais, facilitaria a integração cana-palma”.

Em comparação aos outros modelos de integração apresentados neste trabalho, muitos dos

entrevistados, principalmente agentes do governo e instituições do setor de biodiesel, compartilham

da ideia de que ainda há uma longa curva de aprendizado a ser vencida para o dendê no Cerrado e

98

que, possivelmente, o modelo de integração cana-algas seria uma realidade mais próxima. Além

disso, alguns entrevistados destacam que a complexidade da cadeia do dendê poderia inibir os

investimentos na integração com o setor sucroenergético.

6.4. Comentários gerais quanto à percepção de modelos integrados

No geral, a opinião dos entrevistados foi a de que os três modelos de integração são factíveis.

No entanto, a escolha do sistema a ser integrado ao setor sucroenergético dependeria das condições

locais. Para o caso cana-soja, entendem que não há riscos agrícolas e tampouco barreiras

tecnológicas. Para os demais modelos de integração, foram apontadas algumas ameaças, como

apresentado acima.

Na percepção dos agentes, o fator “substituição de diesel” não seria o propulsor para o

investimento em sistemas integrados. “Investir em uma planta de extração de óleo somente para

abastecer a demanda interna por biodiesel não seria factível”. Enfatizaram que a viabilidade

econômica da produção de biodiesel está associada ao uso de oleaginosas que tenham um mercado

alavancado por outras circunstâncias.

Entre as barreiras legais apontadas para a substituição de diesel está a autorização do uso

local de biodiesel, ou seja, o autoconsumo pelo produtor. Embora a legislação permita esse

consumo próprio, as documentações necessárias para o pedido de autorização tornam o processo

complicado e demorado. Acrescentam, ainda, que “ninguém irá investir se não tiver a garantia de

que irão conseguir consumir localmente”. Por outro lado, na opinião de outro entrevistado, o artigo

4° da Medida Provisória 647 [em discussão na ocasião da entrevista (julho/2014)] é um indicativo

de que há uma tendência em facilitar o uso próprio do biodiesel. Por esse motivo, acreditam que

não haveria nenhuma barreira regulatória para a implantação dos modelos de integração.

Quanto às condições de mercado, destacam que o preço do biodiesel negociado nos leilões

da ANP tem sido inferior ao preço do diesel, na bomba, para algumas localidades. Esse cenário se

confirma ao comparar os resultados dos leilões de biodiesel (34º ao 39° leilão), incluindo a margem

99

da Petrobrás, com os preços do diesel ao consumidor (Figura 6.1). Os preços dos leilões são

referentes ao mês de entrega e à região centro-sul do país.

Figura 6.1. Comparativo entre o preço do biodiesel e o preço do diesel ao consumidor para o ano

de 2014.

Fonte: BiodieselBr (2014) e ANP (2014).

Questionados quanto o perfil de produção integrada, apontaram como vantagens os

benefícios logísticos do transporte de biodiesel e diesel no Brasil. Ao se direcionar o uso da matéria-

prima para a produção local de biodiesel, a exemplo da soja, há ganhos em relação ao transporte

de diesel até essas áreas e à distribuição do biodiesel para centros consumidores mais distantes.

Adicionalmente, na opinião de um dos entrevistados, modelos de integração como os

apresentados neste trabalho são claramente uma forma de otimização dos recursos e apresentam

lógica racional e econômica. No entanto, a falta de visão dos investidores impede a implementação

de iniciativas como essas. Além disso, tais modelos de integração estão estruturados em cadeias

verticalizadas. O atual regime tributário favorece esse perfil de cadeia.

Apesar da tendência da produção em larga escala, há a percepção de que os pequenos

produtores estariam mais aptos a investir em modelos integrados como uma busca pela otimização

e agregação de valor na cadeira. Esse cenário poderia ser alcançado a partir do investimento em

1,70

1,90

2,10

2,30

2,50

2,70

2,90

Pre

ço -

R$/L

Média Centro Sul - Diesel Média Centro Sul - Biodiesel

100

pequenas unidades industriais, que favorecem a diversificação. No entanto, tendem a ser menos

atrativas em termos econômicos. “Tal perfil é muito comum na Europa pois há incentivo do

governo por meio de políticas públicas”. No Brasil, a tendência são as grandes usinas, focadas em

poucas matérias-primas, pois essas se tornam mais viáveis economicamente. Outro fator negativo,

resultado dessa tendência de grandes empresas dominarem o setor, é que o mercado se torna muito

competitivo, devido aos preços baixos ofertados, e fica difícil a entrada de pequenos investidores.

De forma geral, acreditam que pequena escala para a produção de biocombustível não é realidade

no Brasil. Por esse motivo, os modelos integrados não devem focar apenas no consumo interno.

“Como a margem é pequena, o ganho está no volume”.

Além disso, acreditam que é importante avaliar o custo de oportunidade de cada um dos

modelos. Tanto para o modelo cana-palma quanto para o modelo cana-algas, poderia haver

mercados muito mais atrativos do que a produção de biodiesel, a exemplo da produção de

bioquerosene de aviação. No modelo cana-soja, as oportunidades de mercado que poderiam

impedir a produção de biodiesel para substituição de diesel são: melhor atratividade para a venda

do grão ou do óleo, preços do diesel mais barato do que o custo de produção do biodiesel, preços

nos leilões de biodiesel mais atrativos do que a diferença entre o custo de produção do biodiesel e

o preço do diesel. Como potencialidade, entendem que com a inclusão de mais produtos no setor

sucroenergético, esse se tornaria mais competitivo. Além disso, a substituição do diesel por

biodiesel contribuiria para melhorar, ainda mais, a sustentabilidade do etanol brasileiro.

Questionados em relação aos possíveis incentivos para redução no uso de combustível fóssil,

na opinião dos agentes do governo, incentivos diretos, como isenção de impostos, não estão nos

planos do governo. Como forma de incentivar modelos de integração, apostariam em algum

modelo de certificação voltado à redução das emissões de GEE. No entanto, vale mencionar que a

redução dessas emissões para o modelo cana-soja, por exemplo, é baixa, não sendo um ponto forte

para certificações desse tipo.

Outra barreira apontada pelos entrevistados é a relutância dos investidores em apostar em

ideias inovadoras. “Eles não investem em coisas novas, preferem atuar no setor que conhecem”.

Na opinião da UBRABIO, não haveria resistência dos investidores para entrar em um mercado

101

com variedades de matérias-primas e produtos; entende que isso não seria uma barreira porque o

setor de biodiesel já trabalha com cadeias verticalizadas.

6.5. Quadro resumo da análise de percepção

A Tabela 6.1 apresenta, de forma resumida, os principais resultados identificados no

levantamento de percepção. Os resultados foram classificados qualitativamente para 14 atributos

sobre os modelos integrados propostos, sendo “+”, “–” ou “#”. Este último corresponde aos

resultados que podem ser positivos ou negativos, a depender das circunstâncias.

102

Tabela 6.1. Resumo dos principais resultados do levantamento de percepção (continua). Cana-soja Cana-algas Cana-palma

Localização

# + #

Depende de oferta consolidada

das matérias-primas cana e soja

em regiões próximas. Mato

Grosso e Goiás são regiões

potenciais, já em São Paulo não

há elevada oferta de soja.

Não há limitações

edafoclimáticas para o cultivo

de algas em áreas tradicionais

de cana, o que permite o

cultivo em diversas regiões.

Depende de oferta consolidada das

matérias-primas cana e palma em

regiões próximas. Cultivo de palma

em regiões tradicionais de cana ainda

em desenvolvimento.

Produtividade

- + +

Soja possui baixa produtividade

comparada às algas e à palma.

Indicativos de elevada

produtividade de algas.

Elevada produtividade do dendê,

embora ainda seja necessário avaliar

seu comportamento em condições

atípicas e de larga escala.

Produção e

processamento

da matéria-

prima

+ + +

Uso da soja em sucessão com a

cana já é uma prática do setor

sucroalcooleiro. Seu uso na área

de reforma agrega valor à cadeia

de produção e provê recursos para

financiar a cana-planta.

Elevada disponibilidade de

CO2 puro (fermentação) para

alimentação das algas.

Oportunidade de plantios de dendê

em regiões em que há limitações na

colheita mecânica da cana devido à

elevada declividade do terreno.

- + +

A possibilidade de uso da soja na

área de reforma não é um fator

motivacional para implantação da

planta integrada.

Reaproveitamento de

coprodutos para a alimentação

das algas, como glicerina.

Resultados promissores, em escala

experimental, do cultivo de dendê

em região de Cerrado sob condições

de irrigação.

+ + #

Know-how consolidado tanto para

cultivo de soja quanto de cana nas

regiões indicadas

Possibilidade de uso da

vinhaça para suprir demanda

por nutrientes no cultivo de

algas.

Disponibilidade de vinhaça para

irrigação do dendezeiro. No entanto,

custos logísticos podem inviabilizar.

+ + -

Não há riscos agrícolas e

tampouco barreiras tecnológicas

Não há riscos agrícolas e há

vantagens logísticas em

relação à colheita.

Tempo de início da colheita dos

cachos pode inibir investimentos.

Uso da terra

# + +

Em grande escala, disputa do uso

da terra entre cana e soja pode

desestimular a integração. Em

pequena escala, focando o uso

somente da área de reforma, há

um melhor uso da terra.

Não há limitações quanto ao

uso da terra (fotobiorreatores).

Cultivo de palma em área de alta

declividade, não disputando com a

cana.

+ + -

Cultura temporária; possibilita

diversificação no uso da terra. Não imobiliza a terra. Cultura perene; imobiliza a terra.

Logística

+

O uso local de biodiesel evita problemas logísticos de transporte de diesel, principalmente em regiões

como Mato Grosso e Goiás.

Perspectiva de

implantação

+ - -

Curto prazo Longo prazo Médio prazo

103

Tabela 6.1. Resumo dos principais resultados do levantamento de percepção (conclusão). Cana-soja Cana-algas Cana-palma

Tecnologia

Industrial

-

Resistência cultural no investimento de novas tecnologias e novas culturas

+

O uso da rota etílica evita problemas logísticos com a importação do metanol, principalmente nas

regiões de expansão da cana (Mato Grosso e Goiás). Outros problemas atrelados ao metanol:

elevada toxicidade, alto custo de transação por ter seu uso controlado pela Polícia Federal e

constantes oscilações de preço.

-

Ainda há limitações tecnológicas e econômicas no uso da rota etílica em escala industrial; os ésteres

etílicos possuem maior afinidade com a glicerina e o etanol possui azeotropia com a água.

+

A integração agrega valor por possibilitar a produção de novos produtos e, consequentemente, abre

novos nichos de mercado para exportação (e.g., óleo, farelo, biodiesel, torta).

# +

Disponibilidade de energia elétrica e vapor, proveniente da planta de

cogeração, para atender à demanda da planta de biodiesel. Por outro

lado, reduz a disponibilidade de energia elétrica excedente.

Demanda de energia

elétrica e vapor suprida pela

queima das fibras e cascas,

sem afetar a oferta de

energia elétrica excedente.

Uso do

biodiesel no

sistema

integrado

+

Estudos demonstram viabilidade técnica para uso de B100 nos motores

-

Falta de políticas públicas de incentivo ao uso local de combustível renovável e barreiras legais

para consumo próprio de biodiesel desestimulam a substituição de diesel.

Mercado

+

A produção de farelo (soja) ou torta (algas, torta de palmiste) favorece o desenvolvimento de outros

setores, como produção de aves e suínos, além de agregar valor ao setor.

-

Baixo preço do diesel e outras oportunidades de mercado para o óleo ou o biodiesel podem

favorecer a venda desses produtos, inviabilizando a substituição do combustível fóssil.

-

O desconhecimento no mercado de óleos vegetais e outros coprodutos, por parte dos investidores

do setor sucroalcooleiro, pode desencorajar a inclusão de uma indústria de processamento dessa

matéria-prima.

+

A integração favorece a interação administrativa e operacional das unidades de biodiesel e etanol,

reduzindo gastos administrativos e de mão de obra.

Escala

espacial

+ - -

Produção em larga escala de cana

e de soja na mesma região já

existente

Incertezas quanto ao crescimento

das algas em larga escala e sob as

condições propostas

Incertezas quanto ao

crescimento da palma no

Cerrado em larga escala.

# Modelos industriais em pequena escala não são vistos como promissores devido ao atual panorama

dos setores sucroalcooleiro e de biodiesel. Por esse motivo, os modelos integrados não devem focar

somente no consumo interno de biodiesel; é necessário ter excedentes

Geração de

emprego

- - +

Baixa devido à alta mecanização

da soja

Mínima (somente industrial). Não

estimula a geração de emprego, não

se enquadrando nos objetivos do

PNPB

Elevada devido à alta

demanda de mão de obra na

colheita dos cachos de

dendê

104

7. CONCLUSÕES GERAIS E SUGESTÕES DE TRABALHOS

FUTUROS

Este trabalho avaliou os aspectos ambientais e o desempenho econômico de dois sistemas

integrados aplicados ao setor sucroenergético brasileiro, quais sejam: cana-soja e cana-algas.

Adicionalmente, por meio de uma meta-análise, foi avaliada a integração com biodiesel de palma.

Por fim, foi realizada uma análise qualitativa, que objetivou identificar a percepção de diversos

stakeholders em relação aos modelos propostos, permitindo levantar as principais oportunidades e

ameaças. A seguir são sumarizadas as principais conclusões deste estudo:

A área de renovação do canavial, quando 70% é destinada ao cultivo da soja (Olivério et

al., 2007), é capaz de fornecer matéria-prima suficiente para substituir 35% do diesel

consumido nas etapas agrícolas e de transporte da cana e 100% do diesel usado no cultivo

da soja.

Substituir 35% do diesel pode reduzir o consumo de energia fóssil em 17%, quando

comparado ao sistema tradicional de etanol de cana-de-açúcar. A redução das emissões de

GEE não foram significativas. Melhorias no manejo dos resíduos e fertilizantes poderiam

ser mais eficazes para a redução dessas emissões.

No modelo cana-algas, a substituição de 100% do diesel pode reduzir 50% do consumo de

derivados fósseis e 14% das emissões de GEE, em comparação ao sistema tradicional de

etanol de cana-de-açúcar.

Em um comparativo entre os três sistemas, os resultados da meta-análise indicaram que os

modelos cana-palma e cana-algas refletem maior redução das emissões de GEE e de energia

fóssil.

Apesar dos sistemas cana-palma e cana-algas apresentarem melhores desempenhos

ambientais, a percepção dos agentes entrevistados indica que, sob o ponto de vista de

viabilidade técnica, o modelo cana-soja é o mais factível a curto prazo entre as três opções

apresentadas.

105

Para uma taxa de desconto de 12% (caso base), a análise de viabilidade econômica

demonstrou maior VPL para o sistema cana-palma. No entanto, seu payback foi de nove

anos, ao passo que o sistema cana-soja pode recuperar o capital em cinco anos. O sistema

cana-algas não se mostrou economicamente viável.

Para taxas de desconto acima de 16%, o sistema integrado cana-soja torna-se

economicamente mais atrativo em comparação ao cana-palma. No entanto, destaca-se que

o modelo cana-soja é uma opção a curto-prazo, enquanto cana-palma é uma alternativa a

médio-prazo. As incertezas serão reduzidas com o desenvolvimento agrícola e, deste modo,

uma taxa de retorno menor poderá ser assumida para o sistema cana-palma.

Para o sistema cana-soja, a inclusão da planta de extração de óleo é fundamental para a

viabilidade do empreendimento devido, principalmente, aos ganhos de receita pela venda

do farelo de soja, além da diferença entre o custo de produção do óleo e o seu preço de

mercado.

Em complementação às principais conclusões apontadas acima, é importante destacar que

cada um dos sistemas apresenta características particulares, que refletem vantagens e desvantagens

específicas. O surgimento de oportunidades de mercado, a melhoria de tecnologias, a logística, a

disponibilidade de insumos e as condições locais são alguns dos aspectos que poderão determinar

a escolha de um ou de outro sistema. Grandes expectativas têm sido apontadas para a produção de

algas, por exemplo. No entanto, as limitações tecnológicas, atreladas ao elevado custo de

investimento, ainda inviabilizam sua implantação. No que diz respeito à otimização de espaço e

possíveis disputas pelo uso da terra, produzir algas integrada ao setor sucroalcooleiro é uma opção

atrativa. Já o complexo soja possui uma cadeia bem consolidada, com mercado bem desenvolvido

para o farelo e um know-how na produção de biodiesel bem estabelecido. Integrar a produção de

soja ao setor canavieiro possivelmente não enfrentaria grandes desafios pois essas duas culturas já

podem ser encontradas na mesma região e em larga escala. Por outro lado, a produtividade de soja

é muito baixa em comparação à palma e à alga. Quanto ao dendê, não há dúvidas de que a palma

é uma planta altamente produtiva, além da possibilidade de reaproveitamento dos coprodutos para

106

a geração de energia (cascas e fibras) e para a adubação orgânica (cachos vazios) e fertirrigação

(POMEd). No entanto, ainda não há áreas comerciais consolidadas de plantios de palma em regiões

de ocorrência de cana, embora resultados experimentais tenham demonstrado viabilidade técnica.

Além disso, dependendo da escala de produção, poderia haver competição no uso do solo entre as

culturas de cana e dendê.

Em um contexto geral sobre os modelos de produção integrada propostos aqui, um aspecto

importante é a característica de produzir tanto bioenergia quanto alimentos. A biomassa do grão de

soja, por exemplo, é composta por cerca de 80% de farelo, sendo somente os 20% restantes,

corresponde ao óleo, aplicáveis à produção de biocombustível. Em relação à cana-de-açúcar, 50%

da produção brasileira tem sido destinada à produção de alimento, o açúcar (CONAB, 2013). Por

fim, ao produzir soja em sucessão com a cana há uma otimização do uso da terra, proporcionando

maior produção de energia e alimentos por hectare, por ano. Referente à produção de algas, cerca

de 50% da biomassa é composta por torta de alto valor nutricional para a alimentação animal. Dessa

forma, o uso de matérias-primas e sistemas capazes de produzir energia e alimentos de forma

conjunta são excelentes alternativas para otimizar o uso da terra e evitar possíveis impactos

negativos sobre a produção de alimentos.

Os sistemas apresentados também são interessantes do ponto de vista da integração industrial

devido ao uso das utilidades. O modelo que possui maior inter-relação entre os subsistemas é o

cana-algas. Devido à alimentação de CO2, a produção de algas é totalmente dependente da usina

de etanol, criando uma dependência tanto industrial quanto de cultivo. Já para o modelo cana-soja,

acoplar uma planta de biodiesel de soja à usina de etanol não garante que a soja seja fornecida a

partir da área de sucessão. Além disso, limitar o tamanho da planta de biodiesel à área de reforma

não é economicamente viável. Portanto, a soja seria proveniente de outras áreas, o que, de certa

forma, descaracteriza o objetivo de produção integrada, deixando esse papel somente para a

integração industrial. Ainda, a preferência pelo uso do metanol no processo de transesterificação,

devido à melhor eficiência no processo, também pode ocasionar barreiras à integração industrial.

Esse desafio também se aplica aos outros sistemas integrados propostos.

d Palm Oil Mill Effluent. Efluente líquido resultante da etapa de depuração e secagem do óleo de dendê.

107

Em relação ao uso de B100, ainda que estudos demonstrem viabilidade técnica dessa mistura

(Qi et al., 2010; Rakopoulos et al., 2006), é importante destacar que pode haver limitações

operacionais e logísticas, tal como garantir o uso do biodiesel junto aos fornecedores de cana e aos

prestadores de serviços. Além disso, conforme a Resolução ANP 2/2008, o uso de mistura acima

de 20% está sujeita à prévia autorização da empresa fabricante do motor mediante uma declaração

concedendo garantia do uso. Outro requisito legal é colocado pela Resolução ANP 23/2012, que

limita o consumo mensal, na frota cativa, em 1 milhão de litros de biodiesel. A demanda dos

sistemas integrados varia de 1,2 a 1,4 milhão de litros por mês, dependendo do modelo avaliado.

Por outro lado, essas resoluções podem alterar como consequência do amadurecimento do PNPB,

não podendo, portanto, serem vistas como entrave ao consumo próprio ou ao livre comércio de

biodiesel. Outro limitante a curto prazo é a nova tecnologia de motores relacionada ao Proconve 7

(Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores). Tais motores possuem um

sistema de controle de emissões de óxidos de nitrogênio (NOx). Como a queima do biodiesel emite

mais NOx em comparação ao diesel comum (Hoekman e Robbins, 2012), seria necessário um

sistema de pós-tratamento para reduzir a concentração desse poluente de forma a não prejudicar o

adequado funcionamento desses novos motores e cumprir com o limite de emissão de NOx

estabelecido pelo Proconve (2 g/kWh)e.

Em relação à configuração dos sistemas integrados, poderia haver alteração especialmente

nos resultados da avaliação econômica na condição das usinas de etanol e biodiesel serem empresas

diferentes. Certamente haveria um preço, e não mais uma perda de receita, associado ao uso do

vapor e da energia elétrica. Além disso, o uso do biodiesel pelas atividades da cana poderia estar

sujeito a um valor acima do custo de produção. Nesse caso, não seria coerente adotar um fluxo de

caixa incremental.

Por fim, destaca-se que apesar do biodiesel de soja, palma ou algas apresentar melhor

desempenho ambiental para as categorias avaliadas em comparação ao diesel, diante de certas

circunstâncias seria inviável sua integração ao setor sucroenergético. Portanto, a aplicabilidade

desses modelos depende das condições locais, das oportunidades de mercado e de incentivos do

governo. Grande parte dos desafios poderia ser contornada por meio de políticas públicas de apoio

e http://www.ibama.gov.br/areas-tematicas-qa/programa-proconve

108

à redução no uso de combustível fóssil, tal como diesel e metanol, justificadas não somente por

questões ambientais, mas também pela dependência externa por esses derivados. Além disso,

estímulos ao autoconsumo de biocombustível, ao desenvolvimento de novas tecnologias e de

variedades de cultivares e a busca por alternativas aos coprodutos, como forma de agregar valor à

cadeia produtiva, seriam algumas das ações importantes para implementar e garantir a operação de

tais modelos de integração.

7.1. Sugestões de trabalhos futuros

Este trabalho oferece algumas possibilidades de trabalhos futuros, tais como:

Avaliar outras categorias de impacto ambiental, tais como eutrofização, acidificação, mudança

do uso da terra, ecotoxicidade, dentre outros.

Identificar fatores de emissão de óxido nitroso devido ao manejo do solo para as condições

brasileiras.

Estudar possibilidades de otimização no processo, tanto técnicas quanto econômicas,

relacionadas à integração industrial e ao uso de maquinários.

Explorar outras rotas de produção de algas.

Avaliar a viabilidade técnica e econômica do uso de CO2 da combustão como fonte de carbono

para a produção de algas.

Avaliar os aspectos sociais dos sistemas integrados.

Explorar a avaliação econômica para a enésima planta de biodiesel de algas e prospectar

produtos de maior valor agregado.

109

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124

APÊNDICE A – Dados e parâmetros

Tabela A 1. Parâmetros da análise de Monte-Carlo – Avaliação Econômica

Distribuição Limites Média/σ a Unidade b Referência Preços (todos os sistemas)

Diesel Baixo enxofre (10ppm) c Logística – 1,45/0,03 US$ L-1 (ANP, 2013a) Diesel Regular c Logística – 1,37/0,03 US$ L-1 (ANP, 2013a) Glicerina Normal – 426,4/42,6 US$ t-1 (UFV, 2014) Eletricidade Triangular 68,4 – 73,6 70 US$ MWh-1 (IAB, 2013)

Sistema integrado cana-soja Área de reforma disponível para cultivo de soja d Uniforme 50 - 100 – % Assumido Óleo adicional a partir do Façon Normal 0,19 – 0,27 0,22/0,02 t óleo t-1 farelo (IMEA, 2012a) Produtividade da soja Normal 2,07 - 3,22 2,3/0,23 t ha-1 (CONAB, 2011) Investimento planta de extração de óleo e

Edificações Normal – 7/0,7 106 USD (Vecchio, 2006) Equipamentos Normal – 35,5/3,5 106 USD (Vecchio, 2006)

Investimento planta de biodiesel e Edificações Normal – 1,7/0,17 106 USD (Olivério et al., 2007; Vecchio, 2006) Equipamentos Normal – 16,6/1,7 106 USD (Olivério et al., 2007; Vecchio, 2006)

Custo de produção da soja Beta 1326-1757 a=1,38;b=1,27 R$ ha-1 (IMEA, 2012b) Preço farelo de soja Log-normal – 288,56/28,56 US$ t-1 (IMEA, 2012a) Preço óleo de soja Log-normal – 1210,5/260,5 US$ t-1 (IMEA, 2012a)

Sistema integrado cana-palma Conteúdo de óleo do CFF Normal – 21/1 % (Souza, de et al., 2010) Produtividade de CFF Triangular 20 - 30 25 t (ha.ano) -1 (Souza, de et al., 2010) Preço óleo de palmiste Triangular 906 - 1683 1295 US$ t-1 (PENSA/USP, 2007) Preço torta de palmiste Triangular 63 - 118 90,6 US$ t-1 (PENSA/USP, 2007)

Sistema integrado cana-algas Investimento – equipamentos f Normal – 703,5/7 US$ (Davis et al., 2011) Investimento – obras civis f Normal – 81,15/4 US$ (Davis et al., 2011) Custo de captação e distribuição de CO2 Triangular 11,2 – 13,7 12,5 US$ t-1 (Davis et al., 2011; Smolker e Ernsting, 2012) Preço torta de algas Log-normal – 288,56/28,56 US$ t-1 (IMEA, 2012a) Preço cloreto de potássio Triangular 747 – 910,5 843 US$ t-1 (IEA, 2011) Preço superfosfato simples Triangular 378 - 502 454 US$ t-1 (IEA, 2011) Preço ureia Triangular 759 - 908 824 US$ t-1 (IEA, 2011) Preço floculante Triangular 5,25 – 8,66 6,96 US$ t-1 algas (Delrue et al., 2012) Preço solvente DME Triangular 259 - 450 409 US$ t-1 (Delrue et al., 2012)

a Triangular = valor mais provável; Normal e Log-normal = média e desvio padrão. b Cotação do dólar: 1USD = R$ 1,67. c Média dos preços da região Centro-oeste e do estado de

São Paulo. Base 2014, corrigido para 2011. d Área de renovação usada para a sucessão com soja, considerando que nem todos os produtores utilizam a área de renovação para

culturas de sucessão. e Corresponde à planta completa. Multiplicar pelos fatores de ajuste de escala de 6% e 16% para os cenários 1 e 2, respectivamente. f Corresponde à planta

completa. Multiplicar pelo fator de ajuste de escala de 38%.

125

Tabela A 2. Parâmetros da análise de Monte-Carlo – avaliação ambiental (continua).

Parâmetro Distribuição Limites Média/σ a Unidade Referência

Geral (para todos os sistemas)

Emissões de N2O do manejo do solo

Direta Triangular 0,003-0,03 0,01 kg N2O-N (kg N aplicado)-1 (IPCC, 2006)

Indireta

Fração volatilizada b Triangular 0,03-0,3 0,10 kg NH3-N + NOx-N (kg N aplicado) -1 (IPCC, 2006)

Volatilização e redeposição, Fator de

emissão c

Triangular 0,002-0,05 0,01 kg N2O-N (kg NH3-N+ NOx-N

volatilizado) -1

(IPCC, 2006)

Fração lixiviada d Triangular 0,1-0,8 0,3 kg N (kg N aplicado) -1 (IPCC, 2006)

Lixiviação, Fator de emissão e Triangular 0,0005-0,025 0,0075 kg N2O-N (kg N lixiviado e escoado) -1 (IPCC, 2006)

Cana-de-açúcar

Aplicação de N – cana-planta P50/P50 f 0/4 – kg ha-1ano-1 Dados de campo

Aplicação de N – cana-soca Triangular 59,6-90 80,5 kg ha-1ano-1 Dados de campo

Distância de transporte da cana (média;

round trip)

Triangular 20 - 110 60 km Dados de campo

Consumo de diesel g Triangular 232 - 333 259 L ha-1ano-1 Dados de campo

Produtividade de cana Normal – 85/14 t ha-1ano-1 Dados de campo

Rendimento de etanol Normal – 85/4,3 L t-1 cana Dados de campo

Soja

Área de reforma disponível para cultivo

de soja h

Uniforme 50 - 100 – % Assumido

Óleo adicional a partir do Façon Normal 0,19 - 0,27 0,22/0,02 t óleo t-1 farelo (IMEA, 2012a)

Distância de transporte da soja Normal – 100/10 km Dados de campo

Produtividade da soja Normal 2,07 - 3,22 2,3/0,23 t ha-1 (CONAB, 2011)

Aplicação de N – soja Triangular 0 - 8 1,2 kg ha-1 Dados de campo

a Triangular = valor mais provável; Normal e Log-normal = média e desvio padrão. b Fração de fertilizante nitrogenado sintético que volatiliza como NH3 e NOx. c Fator de emissão de N2O por redeposição atmosférica de N no solo. d Perdas de N por lixiviação/escoamento. e Fator de emissão de N2O por lixiviação e escoamento de N. f 50% de probabilidade para cada situação: aplicação e não-aplicação de N. g Consumo de diesel para tratos culturais, colheita, transbordo, transporte de cana, disposição da vinhaça e irrigação. h Área de renovação usada para a sucessão com soja, considerando que nem todos os produtores utilizam a área de renovação para culturas de sucessão.

126

Tabela A 2. Parâmetros da análise de Monte-Carlo – avaliação ambiental (conclusão).

Soja

Extração do óleo - consumo de comb.i

Emissões Triangular 4,64 - 74 24 g CO2 MJ fuel-1 -

Uso de energia fóssil Triangular 0,027 - 1,32 0,36 MJ MJfuel-1 -

Algas

Eficiência de extração de óleo Triangular 90-99 94,5 % (Delrue et al., 2012)

Perda de CO2 Log-normal 0-85,3 42/11,2 % (Rubio et al., 1999)

Conteúdo de óleo Triangular 33- 61 50 % (Batan et al., 2010;

Fábregas et al., 2004)

Consumo de glicerina Normal – 152/15 g (kg alga base seca) -1 (Sforza, 2012)

Conteúdo elementar de C Normal 524 – (+∞) 524/15 kg(t alga base seca)-1 (Redfield, 1958)

Taxa de aplicação de N Normal – 92,3/50 kg(t alga base seca)-1 (Redfield, 1958)

Taxa de aplicação de P Normal – 12,8/30 kg(t alga base seca)-1 (Redfield, 1958)

Taxa de aplicação de K Normal – 8,2/10 kg(t alga base seca)-1 (Lardon et al., 2009)

Conteúdo de glicerol na glicerina Triangular 59-88 84 % Dados de campo


Recuperação de CO2 Triangular 95-111 103 kWh (tCO2)-1 (Assis Filho et al., 2013)

Produção de algas j Triangular 337-748 374 kWh (t alga base seca)-1 (SAT, 2013)

Extração de lipídios por DMEk Triangular 410-610 510 kWh (t alga base seca)-1 (Delrue et al., 2012)

Preço do biodiesel l Log-normal – 953/55 US$ t-1 (BiodieselBr, 2013)

Preço da torta de algas m Log-normal – 496/53 US$ t-1 (CBOT, 2013)

Palma

Dias de irrigação Normal – 134/10 dias ano-1 (Azevedo et al., 2008)

Horas de irrigação Normal – 3/0,3 horas (dia.ha) -1 (Azevedo et al., 2008)

Taxa de aplicação de N Triangular 0,2-0,55 0,39 kg (planta.ano) -1 (Souza, de et al., 2010)

Taxa de aplicação de P Triangular 0,5-0,62 0,56 kg (planta.ano) -1 (Souza, de et al., 2010)

Produtividade de CFF Triangular 20 – 30 25 t (ha.ano) -1 (Souza, de et al., 2010)

Distância de transporte de CFF Normal – 40/4 km (Souza, de et al., 2010)

i Média ponderada entre as fontes primárias de energia consumidas no setor de alimentos e bebidas no Brasil (EPE, 2013), sendo 20,1% para gás natural, 71,6% para lenha e 8,4%

para óleo combustível. Limites inferior e superior correspondem à lenha e óleo combustível, respectivamente. j Fotobiorreator, secagem e floculação. k Dimetiléter l 1 US$ = R$ 1,67. Preço de biodiesel adotado para alocação por preço. m Preço da torta de algas adotado para alocação por preço.

127

Tabela A 3. Perfil ambiental dos insumos agrícolas e industriais

a Cavalett et al. (2012). b Ecoinvent Centre (2012). c EPE (2013). d Delrue et al. (2012).e Benjumea et al. 2009. f GREET (2009).

Emissões de GEE

(kg CO2e/kg)

Uso de energia fóssil

(GJ/kg)

Insumos agrícolas Ureia – produção 3,10 a 0,067 a

Amônia - produção 2,77 a 0,05 a

Nitrato de amônia - produção 8,49 a 0,055 a Superfosfato triplo 1,21 a 0,015 a

Superfosfato simples 1,61 a 0,019 a Cloreto de potássio 0,40 a 0,006 a

Sulfato de potássio 1,13 b 0,016 b Calcário - produção 0,0177 b 0,0003 b

Gesso (CaSO4) 0,00188 b 0,00003 b

Herbicida 9,46 b 0,154 b Inseticida 15,8 b 0,247 b

Fungicida 9,91 b 0,156 b

Insumos industriais

Biodiesel

Metilato de sódio 4,58 b 0,07 b Ácido cítrico 1,83 b 0,06 b

Ácido clorídrico 0,74 b 0,0098 b Hidróxido de sódio 0,963 a 0,01 a

Ácido sulfúrico 0,122 a 0,002 a Hexano 0,76 b 0,06 b

Cana-de-açúcar

CaO 0,00947 b 0,00014 b Antiespumante 1,83 b 0,06 b

Dispersante 1,83 b 0,06 b Lubrificante 0,77 a 0,066 a

Ciclohexano 2,24 b 0,07 b

Combustível Diesel - produção 0,399 a 0,055 a

Diesel - uso 3,160 a - Gasolina - produção 0,442 a 0,058 a

Lenha - produção 0,0359 b 0,00035 b Lenha - uso 0,0243 b -

Óleo combustível - produção - 0,053 a

Óleo combustível – produção e uso Use 3,716 b - Gás natural 0,0904 a 1,45 a

Geração de eletricidade Matriz elétrica brasileira 0,22 a 0,0009 a

Outras propriedades Poder calorífico inferior

(MJ/kg)

Densidade

(kg/L)

Lenha 12,97 c - Óleo combustível 40,12 c - Diesel 42,26c 0,88

Biodiesel Soja 41,3b 0,88

Algas 41,5d 0,99

Palma 37,1e 0,88 Etanol 26,8f 0,79

128

APÊNDICE B - Avaliação de impacto do ciclo de vida

Tabela B 1. Emissões de GEE do ciclo de vida do etanol [g CO2e (MJf)-1]

Sistema Tradicional Sistema integrado

cana-soja

Sistema integrado

cana-algas

Sistema integrado

cana-palma

Fase agrícola

Sementes 0,1 0,1 0,1 0,1

Fertilizantes

Nitrogênio (produção) 2,3 2,3 2,3 2,3

Nitrogênio (emissões diretas e indiretas) 2,8 2,8 2,8 2,8

Fósforo 0,2 0,2 0,2 0,2

Potássio 0,16 0,16 0,16 0,16

Calcário (produção) 0,1 0,1 0,1 0,1

Calcário (uso) 2,4 2,4 2,4 2,4

Gesso (CaSO4) < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Pesticida

Herbicida 0,2 0,2 0,2 0,2

Inseticida < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Fungicida < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Consumo de combustível

Tratos culturais, colheita, transbordo, transporte

de cana, disposição da vinhaça, irrigação

2,7 (Diesel) 0 0

4,4 1,1 (Biodiesel) 0,9 0,54

Emissões do manejo dos resíduos

Decomposição da palha 1,75 1,75 1,75 1,75

Vinhaça 1,55 1,55 1,55 1,55

Torta de filtro 0,7 0,7 0,7 0,7

Cinzas da caldeira < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Fuligem 0,7 0,7 0,7 0,7

Queima do bagaço 1,6 1,6 1,6 1,6

Fase industrial

Químicos e lubrificantes 0,2 0,2 0,2 0,2

TOTAL 19,2 18,6 15,7 15,4

129

Tabela B 2. Uso de energia fóssil no ciclo de vida do etanol dos sistemas avaliados [kJ (MJf)-1]

Sistema Tradicional Sistema integrado

cana-soja

Sistema integrado

cana-algas

Sistema integrado

cana-palma

Fase agrícola

Sementes 0,6 0,5 0,5 0,5

Fertilizantes

Nitrogênio 27 27 27 27

Fósforo 2,45 2,45 2,45 2,45

Potássio 2,4 2,4 2,4 2,4

Calcário (CaCO3) 1,3 1,3 1,3 1,3

Gesso (CaSO4) < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Pesticida

Herbicida 3,4 3,4 3,4 3,4

Inseticida 0,3 0,3 0,3 0,3

Fungicida < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Consumo de combustível

Tratos culturais, colheita,

transbordo, transporte de cana,

disposição da vinhaça, irrigação

67,85

41,85 (Diesel) 0 0

7,8 (Biodiesel) 11,35 8,4

Fase industrial

Químicos e lubrificantes 5,9 5,9 5,9 5,9

TOTAL 111 93 55 52

130

APÊNDICE C – Fluxo de caixa

Tabela C 1. Fluxo de caixa incremental para diesel comum – Sistema integrado cana-soja (caso base; valores em milhares).

Ano 0 Ano 1 Ano 2... ...Ano 10 Ano 11... ...Ano 24 Ano 25

Investimento - Capital Próprio - - - - Planta de extração de óleo - - - -

Obras civis -423,15 - - - - - -

Equipamentos -2153,86 - - - - - -

Planta de biodiesel - - - -

Obras civis -104,096 - - - - - -

Equipamentos -1006,26 - - - - - -

Investimento total -3687,37 - - - - - - Depreciação obras civis -21,09 -21,09 -21,09 -21,09 -21,09 -21,09

Depreciação equipamentos -316,01 -316,01 -316,01 - - -

Valor contábil do ativo 3350,27 3013,16 316,35 295,26 21,09 0,00

Receita glicerina 322,06 322,06 322,06 322,06 322,06 322,06

Economia de diesel 8580,46 8580,46 8580,46 8580,46 8580,46 8580,46

Receita Bruta Operacional 8902,52 8902,52 8902,52 8902,52 8902,52 8902,52

ICMS glicerina -38,65 -38,65 -38,65 -38,65 -38,65 -38,65

ICMS farelo de soja -148,76 -148,76 -148,76 -148,76 -148,76 -148,76

Receita Liquida Operacional 8715,11 8715,11 8715,11 8715,11 8715,11 8715,11

Custos de reparo e manutenção -99,73 -99,73 -99,73 -99,73 -99,73 -99,73

Custo de mão de obra -13,62 -13,62 -13,62 -13,62 -13,62 -13,62

Custos operacionais -1973 -1973 -1973 -1973 -1973 -1973

Custo da produção da soja -6102,32 -6102,32 -6102,32 -6102,32 -6102,32 -6102,32

Total custos de operação e produção -8188,7 -8188,7 -8188,7 -8188,7 -8188,7 -8188,7

Lucro Bruto 526,4 526,4 526,4 526,4 526,4 526,4

Lucro Bruto Operacional 189,28 189,28 189,28 189,28 189,28 189,28

Variação da necessidade de capital de giro -50,47 0,00 0,00 0,00 0,00 50,47

Imposto de Renda -40,35 -40,35 -40,35 -147,8 -147,8 -147,8

Fluxo de caixa após IR -3687,37 435,55 486,03 486,03 378,58 378,58 429,06

Valor Presente -3687,37 388,88 387,46 156,49 108,83 24,94 25,24

VPL (1000 US$) -153,12

TIR 11,4%

131

Tabela C 2. Fluxo de caixa incremental para diesel S10 – Sistema integrado cana-soja (caso base; valores em milhares).

Ano 0 Ano 1 Ano 2... ...Ano 10 Ano 11... ...Ano 24 Ano 25

Investimento - Capital Próprio - - - - - - Planta de extração de óleo - - - - - -

Obras civis -423,15 - - - - - -

Equipamentos -2153,86 - - - - - -

Planta de biodiesel - - - - - -

Obras civis -104,096 - - - - - -

Equipamentos -1006,26 - - - - - -

Investimento total -3687,37 - - - - - - Depreciação obras civis -21,09 -21,09 -21,09 -21,09 -21,09 -21,09

Depreciação equipamentos -316,01 -316,01 -316,01

Valor contábil do ativo 3350,27 3013,16 316,35 295,26 21,09 0,00

Receita glicerina 322,06 322,06 322,06 322,06 322,06 322,06

Economia de diesel 9081,27 9081,27 9081,27 9081,27 9081,27 9081,27

Receita Bruta Operacional 9403,33 9403,33 9403,33 9403,33 9403,33 9403,33

ICMS glicerina -38,65 -38,65 -38,65 -38,65 -38,65 -38,65

ICMS farelo de soja -148,76 -148,76 -148,76 -148,76 -148,76 -148,76

Receita Liquida Operacional 9215,92 9215,92 9215,92 9215,92 9215,92 9215,92

Custos de reparo e manutenção -99,73 -99,73 -99,73 -99,73 -99,73 -99,73

Custo de mão de obra -13,62 -13,62 -13,62 -13,62 -13,62 -13,62

Custos operacionais -1972,40 -1972,40 -1972,40 -1972,40 -1972,40 -1972,40

Custo da produção da soja -6102,32 -6102,32 -6102,32 -6102,32 -6102,32 -6102,32

Total custos de operação e produção -8188,07 -8188,07 -8188,07 -8188,07 -8188,07 -8188,07

Lucro Bruto 1027,85 1027,85 1027,85 1027,85 1027,85 1027,85

Lucro Bruto Operacional 690,75 690,75 690,75 1006,76 1006,76 1006,76

Variação da necessidade de capital de giro -98,56 0,00 0,00 0,00 0,00 98,56

Imposto de Renda -210,85 -210,85 -210,85 -318,30 -318,30 -318,30

Fluxo de caixa após IR -3687,37 718,43 817,00 817,00 709,55 709,55 808,11

Valor Presente -3687,37 641,46 651,30 263,05 203,98 46,75 47,54

VPL (1000 US$) 2402,63

TIR 21,11%

132

Tabela C 3. Fluxo de caixa incremental para diesel comum – Sistema integrado cana-algas (valores em milhares).

Ano 0 Ano 1 Ano 2... ...Ano 10 Ano 11... ...Ano 24 Ano 25 PBR + planta de extração

Obras civis -111.011,39 - - - - - -

Equipamentos -267.266,91 - - - - - -

Planta de transesterificação Obras civis

-258,81 - - - - - -

Equipamentos -2.501,87 - - - - -

Depreciação obras civis -4.450,81 -4.450,81 -4.450,81 -4.450,81 -4.450,81 -4.450,81 Depreciação equipamentos -26.976,88 26.976,88 26.976,88 - - -

Valor contábil do ativo 349.611,31 318.183,62 66.762,12 62.311,32 4.450,81 0,00 Economia de diesel 20.783,18 20.783,18 20.783,18 20.783,18 20.783,18 20.783,18 Venda da torta 4.345,26 4.345,26 4.345,26 4.345,26 4.345,26 4.345,26 Receita Bruta Operacional 25.128,44 25.128,44 25.128,44 25.128,44 25.128,44 25.128,44

ICMS torta -182,50 -182,50 -182,50 -182,50 -182,50 -182,50 Receita Liquida Operacional 24.945,94 24.945,94 24.945,94 24.945,94 24.945,94 24.945,94 Perda de receita - venda de eletricidade excedente -2.754,21 -2.754,21 -2.754,21 -2.754,21 -2.754,21 -2.754,21 Custos de reparo e manutenção - Trans -85,03 -85,03 -85,03 -85,03 -85,03 -85,03 Custos de reparo e manutenção - PBR -10.343,39 -10.343,39 -10.343,39 -10.343,39 -10.343,39 -10.343,39 Custo de mão de obra - Trans -32,89 -32,89 -32,89 -32,89 -32,89 -32,89 Custo de mão de obra - PBR -1.648,42 -1.648,42 -1.648,42 -1.648,42 -1.648,42 -1.648,42 Custos operacionais - PBR (insumos) -8.802,88 -8.802,88 -8.802,88 -8.802,88 -8.802,88 -8.802,88 Custos operacionais - Transesterificação -3.313,17 -3.313,17 -3.313,17 -3.313,17 -3.313,17 -3.313,17 Total custos de operação e produção -26.979,99 -26.979,99 -26.979,99 -26.979,99 -26.979,99 -26.979,99

Lucro Bruto -2.034,05 -2.034,05 -2.034,05 -2.034,05 -2.034,05 -2.034,05

Lucro Bruto Operacional -33.461,74 -33.461,74 -33.461,74 -6.484,86 -6.484,86 -6.484,86

Variação da necessidade de capital de giro -3.029,01 - - - - 3.029,01

Imposto de Renda 11.376,99 11.376,99 11.376,99 2.204,85 2.204,85 2.204,85 Fluxo de caixa após IR -381.038,99 6.313,93 9.342,94 9.342,94 170,80 170,80 3.199,81

Valor Presente -381.038,99 5.637,44 7.448,14 3.008,18 49,10 11,25 188,22

VPL -330.401,03

133

APÊNDICE D - Resultados adicionais

Figura D 1. Valor presente líquido do fluxo de caixa incremental para o sistema integrado cana-

soja – diesel S10 (Capítulo 3).

Figura D 2. Emissões de GEE do biodiesel de algas – cenário alocação por preço (Capítulo 4).

134

Figura D 3. Balanço de energia fóssil-renovável do biodiesel de algas – cenário alocação por preço

(Capítulo 4).

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