Ciclo de vida do biodiesel de soja: antecedentes e parâmetros

O presente estudo abarca os dados mais recentes disponíveis para estabelecer o balanço de energia do ciclo de vida do biodiesel de soja e faz comparações com os dois estudos anteriores. A análise atualizada mostrou que a proporção entre o conteúdo de energia do biodiesel de soja e a energia fóssil necessária para sua produção (Fossil Energy Ratio – FER) foi 5,54 usando dados do ano agrícola de 2006. Esta é uma grande melhoria sobre o FER de 3,2 relatado no estudo efetuado pelo NREL em 1998, que usou dados de 1990 e também melhores que o FER de 4,56, que usou dados de 2002.

Gazzoni e colaboradores, desenvolvendo estudo similar, chegaram a um valor de FER=3,5, para o biodiesel de soja produzido nas condições brasileiras, em 2005. Este valor, seguramente, já é muito superior nos dias atuais, posta a evolução tecnológica, de gestão e de melhoria da interface entre os elos da cadeia produtiva de biodiesel no Brasil.

As melhorias observadas foram principalmente devidas a sistemas de produção de soja mais eficientes, em termos energéticos; à maior produtividade da soja, sem aumento proporcional de uso de insumos e implementos; e à melhoria nos processos de esmagamento da soja e das instalações de conversão para biodiesel. A entrada de energia na etapa de produção de soja foi reduzida em 52%; no processo de esmagamento de soja, em 58%; e na transesterificação, em 33%, por unidade de volume de biodiesel produzido. Ao final, a redução da entrada de energia nestas etapas foi de 42%, para a mesma quantidade de biodiesel produzido.

A adição de entradas secundárias, tais como máquinas agrícolas e materiais de construção, não teve um efeito significativo sobre o FER. O FER de biodiesel de soja provavelmente continuará a melhorar ao longo do tempo, devido aos aumentos nos rendimentos da soja e com o desenvolvimento de tecnologias cada vez mais eficientes, em termos energéticos.

1. Introdução
Desde os anos 90, com o estabelecimento acima de qualquer dúvida razoável da relação direta entre emissões de gases de efeito estufa (GEE) e as Mudanças Climáticas Globais, e a verificação que a maior parcela individual destas emissões provinha da queima de combustíveis fósseis, o desenvolvimento e a produção de combustíveis renováveis experimentaram um crescimento com taxas anuais elevadas, postas as metas de diferentes países de ampliar e diversificar fornecimento de energia do mundo, em bases sustentáveis.

O maior consumidor de petróleo do mundo, os EUA, estimam dispor de reservas comprovadas de petróleo de 19 bilhões de barris, e a produção total de petróleo bruto foi de 9,2 milhões barris / dia em 2009. Com esta taxa de extração, a relação reserva/produção (R/P) para os EUA é estimada em seis anos. A relação R/P é o número de anos durante os quais o atual nível de produção de combustível pode ser sustentado pelas reservas e é calculado dividindo-se as reservas provadas no final do ano pela produção nesse ano. Como tal, o maior consumidor de petróleo do mundo passa a ser totalmente dependente de fornecimento externo de um insumo crucial para a economia, que é a energia. Mais que um atestado de bom comportamento ambiental, os esforços que os EUA envidam para ampliar o uso de energia renovável constituem-se em ação estratégica para diminuir a dependência externa, normalmente atendida por países pouco confiáveis.

Em geral, a produção de combustíveis renováveis, demanda uma quantidade significativa de energia não-renovável (combustíveis fósseis e energia embutida nos insumos químicos). A quantidade de energia fóssil usada para produzir o biodiesel deve ser medida ao longo de todo o seu ciclo de vida, para determinar a extensão em que o combustível é renovável. A fixação deste parâmetro é crucial para o estabelecimento de políticas públicas sólidas, que efetivamente diminuam as emissões de GEE para a atmosfera. Renovabilidade é uma medida útil que pode ser usado em conjunto com outras medidas ambientais e econômicas, para avaliar os benefícios dos biocombustíveis. O fator de renovabilidade pode guiar os formuladores de políticas públicas, auxiliando a avaliar e comparar opções de vários biocombustíveisl, para evitar decisões erradas, sem o impacto desejado nos parâmetros ambientais que se busca melhorar.

Uma das ferramentas mais importantes para estabelecer um índice comparativo de renovabilidade de biocombustíveis é a análise de ciclo de vida (LCA), que é uma contabilidade do berço ao túmulo, considerando o balanço de energia e os impactos ambientais da fabricação de um produto. O primeiro inventário do ciclo de vida completo de biodiesel produzido nos EUA, a partir de óleo de soja, foi publicado por Sheehan et al. (1998), e se tornou um clássico e uma referência histórica. Os pressupostos do inventário e do modelo foram desenvolvidos por um grupo de estudiosos, que incluiu especialistas de diversas disciplinas e instituições.

O objetivo do presente estudo foi quantificar e comparar os fluxos ambientais e de energia associados tanto com biodiesel quanto com o diesel derivado do petróleo Os autores examinaram os fluxos de energia e as emissões de gases de efeito estufa e outras emissões atmosféricas. A maioria dos dados utilizados por Sheehan et al. (1998) foram de 1990 ou de anos anteriores.

A fim de atualizar o componente de energia deste LCA pioneiro, um relatório usando, principalmente, dados de 2002 foi conduzido por Pradhan et al. (2009). No presente estudo, a equipe do Dr. Pradhan reavaliou o próprio estudo anterior, utilizando dados recentemente obtidos pelo USDA e por outras fontes. O objetivo do estudo é atualizar o LCA do biodiesel de soja, tendo em vista as diferentes políticas públicas em implementação em diferentes países, em que o índice de renovabilidade (p. ex.: biocombustíveis avançados) exija participação muito baixa de energia fóssil no ciclo de vida do combustível, para que possa adequar-se às exigências dos marcos legais. Além disso, uma comparação dos três estudos, em períodos de tempo anteriores (1990, 2002 e 2006) foi efetuada, para mostrar como os fluxos de energia nos ciclos de vida se modificam com o tempo.

Quantum de energia renovável do biocombustível
FER = _____________________________________________   (1)
Entrada de energia fóssil na produção de biodiesel

É importante notar que apenas a energia fóssil (não renovável) está presente no denominador. Não inclui fontes renováveis de energia, como solar (p. ex.: fotossíntese) ou eólica. Dado que o objetivo primário é medir a renovabilidade, faz sentido não incluir fontes renováveis no denominador. Portanto, o FER não mede a eficiência do sistema, ou permite asseverar que combustíveis fósseis possam ser substituídos por combustíveis renováveis, de forma energeticamente mais eficiente.

Já a proporção de energia líquida (NER, na sigla em inglês), que inclui a entrada total de energia no denominador da equação 1, é usada para medir eficiência do sistema, ao invés de FER (Pradhan et al., 2008). Apesar de o valor de FER mais elevado ser desejável para garantir que o biocombustível é renovável, este fato não garante que o biodiesel também será economicamente ou energeticamente viável.

Um inventário dos materiais e da energia utilizada em todo o ciclo foi elaborado, quantificando toda a energia fóssil e os insumos utilizados em cada subsistema. Todas as fontes de energia, diretas e indiretas, foram incluídas no inventário, como o combustível líquido e a eletricidade usados diretamente nos equipamentos de cada subsistema. O conteúdo energético dos materiais tais como fertilizantes, pesticidas, e outros petroquímicos, também está incluído no inventário.

A energia no ciclo de vida de um material é definida como toda a energia não-renovável utilizada, incluindo a energia incorporada durante a extração, processamento e transporte desse material. A energia renovável, como a energia solar utilizada na fotossíntese, não é incluída no estudo do ciclo de vida. A fração de energia embutida nos materiais usados para produzir o biocombustível, tais como diesel, gasolina e gás natural, foi considerada utilizando-se o valor do poder calorífico inferior (PCI, ou LHV, na sigla em inglês) desse material. PCI é a quantidade de calor liberado durante a queima de um combustível, quando o vapor de água do processo de combustão está ainda em fase gasosa. O poder calorífico superior (PCS) foi utilizado para insumos não-combustíveis, como o metanol.

O ciclo de vida de energia de combustíveis fósseis foi calculado dividindo-se a energia embutida no biocombustível pela eficiência do ciclo de vida. Os fatores de eficiência do ciclo de vida servem para ajustar a energia necessária para extrair, fabricar e transportar o insumo ou material. Estimativas de fatores ligados à geração de energia elétrica utilizada em todo o ciclo de vida foram efetuadas com base na média ponderada dos EUA. Cerca de 67% da energia elétrica gerada nos EUA vem de combustíveis fósseis.

Com base em dados da Energy Information Administration, a eficiência de geração de eletricidade nos EUA aumentou de 32,0% (valor utilizado por Sheehan et al. em 1998) para 36,7% em 2009. Entretanto, além das perdas durante a geração, há também uma perda nas linhas de distribuição. A inclusão da perda na distribuição reduz a eficiência global de energia elétrica para 32,5%.

O modelo de esmagamento de soja nesta análise usa o hexano como método de extração de óleo da soja. A extração por hexano é bastante comum para extração de óleo soja em grande escala e também foi usado por Sheehan et al. (1998). O processo de transesterificação para converter óleo de soja em biodiesel foi adotado no modelo. O esmagamento para extração do óleo e a transesterificação resultam na produção de dois coprodutos importantes: farelo de soja e glicerina bruta, respectivamente.

Uma vez que o ciclo de vida de energia se concentra exclusivamente no biodiesel, a energia associada com a produção dos outros dois coprodutos deve ser estimada e excluída do inventário. Muitas vezes, informações detalhadas não estão disponíveis para medir os valores exatos de energia associados aos coprodutos individuais, razão pela qual se utiliza um método de alocação para atribuir valores de energia aos coprodutos.

Diversos métodos de alocação podem ser usados para estimar o valor energético dos coprodutos. Em geral, nenhum método de alocação é sempre aplicável, e o método adequado deve ser escolhido caso a caso. Por exemplo, o chamado método de energia utiliza o conteúdo energético de cada coproduto para alocar energia entre os produtos principais e coprodutos.

Outro exemplo é o método econômico, que utiliza o valor de mercado relativo de cada coproduto, para alocar energia. Sheehan et al. (1998) usaram um método de massa para efetuar a alocação. Para ser coerente e comparável com a análise de Sheehan, este estudo também utiliza o método de massa.

O método de alocação de massa é comumente usado porque é relativamente fácil de aplicar e proporciona um resultado razoável. Este método aloca energia de entrada para os diversos coprodutos de acordo com seus pesos relativos. Essa regra de alocação separa a energia usada para produzir biodiesel da energia utilizada para produzir farelo de soja e glicerina da seguinte forma:

Alocação de energia para biodiesel = E1*f1+ E2*f2 + E3          (2)

onde E1 é a entrada de energia durante as etapas agrícolas, de transporte e de esmagamento de soja; f1 é a fração de massa do óleo de soja; E2 é a energia usada durante a transesterificação e para transporte do óleo de soja; f2 é a fração de massa do óleo transesterificado usado para produzir biodiesel; e E3 é a energia necessária para o transporte de biodiesel

Quando a equipe de Sheehan realizou seu estudo, os dados agrícolas mais recentes e detalhados disponíveis sobre a produção de soja eram da década de 1990 (USDA Farm Costs and Return Survey – FCRS), que agora é conhecido como ARMS. A análise feita por Pradhan et al. (2009) usou dados da ARMS de 2002. Os dados de produção de soja são estimativas do USDA, disponibilizadas pelo Serviço Nacional de Estatísticas Agrícolas (NASS, 2010). O uso de fertilizantes e agrotóxicos para na soja são de 2006 (NASS, 2007). A aplicação de calcário e a quantidade de sementes utilizadas são médias disponíveis para 2006 no ARMS (ERS, 2009).

Para o presente estudo, foram utilizados dados de áreas de produção de soja dos 19 principais estados produtores de soja nos EUA, ponderados pela área colhida em cada estado, para estabelecer a quantidade de energia utilizada para a produção de soja.

O rendimento médio ponderado foi de 2.906,7 kg / ha, em 2006. Este valor é equivalente a um rendimento de 598,6 L / ha de biodiesel. A média ponderada de uso de insumos e de energia, e os rendimentos médios ponderados, foram utilizados para estimar a energia necessária para a produção de soja nos EUA

Paralelamente ao menor uso de energia, o rendimento da soja tem aumentado. A mudança mais significativa no sistema de produção de soja dos EUA, desde 1990, é o uso de organismos geneticamente modificados, o que ajudou a reduzir o uso de pesticidas (incluindo herbicidas, inseticidas e fungicidas). O ARMS com dados de produção de soja de 1990, usado por Sheehan, não incluiu qualquer soja GM, posto que esta não havia sido introduzida na agricultura dos EUA à época. No entanto, em 2002, o rápido aumento na soja GM já tinha alcançado 75% de toda a soja plantada, e hoje quase toda a soja na EUA se compõe de variedades GM (ERS, 2010).

Outra grande mudança é a crescente adoção da prática de plantio direto pelos produtores de soja, que passou de cerca de 10% da área plantada em 1990 para 45% em 2006 (Horowitz et al. 2010).

5.2 – Energia para transportar a soja para plantas de biodiesel

A quantidade de energia necessária para o transporte de soja para plantas processamento foi obtida do modelo GREET – Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation (ANL, 2010). A energia necessária para transportar a soja até plantas de processamento foi estimada em cerca de 720,1 MJ / ha (1,2 MJ / L de biodiesel). A estimativa foi baseada em uma distância de 80 km para transporte por caminhões a partir de um centro de distribuição, até a planta de esmagamento e posteriormente para a usina de biodiesel.

5.3 – Energia para extração do óleo e para conversão em biodiesel.

A energia necessária para o esmagamento e para conversão do óleo em biodiesel foi obtida a partir de um modelo desenvolvido pelo USDA – ARS O modelo USDA foi preparado a partir da análise de processos, especificações de equipamentos, custos e consumo de energia que foram fornecidos por técnicos especializados e pelos fornecedores de equipamentos para o esmagamento de soja e para a indústria de biodiesel. O processo foi simulado pelo programa SuperPro Designer (Intelligen, Inc., Scotch Plains, NJ), e o consumo de energia total foi calculado para cada etapa do processo. Cópias deste modelo estão disponíveis mediante solicitação aos autores, junto à ARS – USDA.

Para rodar o modelo, as exigências de energia para o esmagamento de soja e para transesterificação foram estimadas utilizando produtos químicos, engenharia de processo e tecnologia de engenharia de custos de acordo com os estudos desenvolvido pelo USDA-ARS (Haas et al., 2006). O modelo estima as necessidades de energia elétrica e térmica para uma instalação que combina uma planta de processamento de soja com uma instalação de conversão de biodiesel, produzindo 38,6 milhões L de biodiesel, 137.491 toneladas de farelo de soja, 8.167 toneladas de casca de soja, e 3.975 toneladas de glicerina bruta. O modelo estima os parâmetros de uma usina de biodiesel moderna, com base na melhor informação disponível a partir de fabricantes de equipamentos e técnicos especializados.

5.4 – Descrição do modelo

A separação da soja em óleo e farelo pode ser feita usando extrusoras mecânicas, porém o método mais utilizado é a extração do óleo de soja utilizando hexano. Uma instalação de processamento de soja utiliza energia na forma de eletricidade para motores e para iluminação. Gás natural e vapor são usados para fornecer calor para a secagem. O modelo utilizado nesta análise considera que a planta gera vapor a partir do gás natural, com uma eficiência de ciclo de vida de 60,8%.

A soja que entra no processo é primeiramente limpa e em seguida aquecida e seca até atingir teor de umidade de 10% (base úmida). Na sequência, os grãos são quebrados em vários pedaços, através da passagem por rolos mecânicos. A casca de soja, que representam cerca de 8% da soja, é removida por aspiração. As cascas podem ser misturadas com o farelo de soja, que é mais tarde, extraído do processo, ou podem ainda ser trituradas e tostadas, sendo vendida como ração animal.

O grão de soja, triturado e cortado em flocos, é condicionado por aquecimento e enviado à unidade de extração, onde o óleo de soja é dissolvido com hexano. Na etapa seguinte, a mistura de óleo e hexano é tratada com vapor para separar o óleo da hexano. O óleo de soja bruto é degomado e desodorizado, branqueado e neutralizado. Ar quente e água de refrigeração são usados no aquecimento final e secagem do óleo.

Os melhores dados disponíveis para Sheehan et al. (1998) sobre esmagamento de óleo foram baseados em uma única instalação que tinha 17 anos de idade na época do seu estudo. Assim, uma planta típica de operação hoje é, seguramente, mais eficiente do que a planta modelada por Sheehan et al. (1998). Por exemplo, a média da taxa de extração da indústria de óleo de soja aumentou de 0,169 kg / kg de soja (como relatado por Sheehan et al. (1998)) para 0,189 kg / kg de soja em 2006/2007 (ERS, 2009b). A produção de óleo aumentou ainda mais, para 0,193 kg / kg de soja, na safra 2007/2008.

Mesmo que a taxa de extração de óleo para os últimos anos tenha sido maior, a taxa para 2006/2007 foi usado neste estudo, para ser consistente com os dados agrícolas de 2006 da ARMS. Além disso, novas plantas são mais eficientes no uso da energia, devido à adoção processos de poupança de energia e de tecnologias que reduzam custos de produção e consumo de energia.

A melhoria de processos em plantas de extração de óleo tem sido contínua, com ênfase na eficiência energética, reduzindo a perda de hexano e aumentando a capacidade de processamento por unidade de tempo. Por exemplo, o atual nível aceitável de perda de solvente é um terço do nível verificado em plantas de extração dos EUA em 1970 (Woerfel, 1995).

5.5 – Conversão de óleo de soja em biodiesel

A conversão do óleo de soja em biodiesel é feita pela reação do óleo com um álcool (normalmente metanol), com o auxílio de um catalisador (principalmente hidróxido de sódio ou metilato de sódio), em grandes reatores. Após a reação do óleo de soja com o metanol, a mistura resultante é centrifugada para remover o excesso de metanol, a glicerina e outras impurezas. Após a centrifugação, a mistura é lavada com uma solução de água acidulada e secada para se tornar biodiesel (Figura 2). O fluxo de metanol, glicerina, e outras impurezas é tratado com uma pequena quantidade de ácidos e bases para remover qualquer ácido graxo restante.

O restante do material é destilado para recuperar o metanol e maior parte da água. O metanol em excesso e a água são recuperados e reutilizados, para evitar desperdícios e reduzir os custos. A glicerina bruta é frequentemente vendida para empresas que a refinam para ser usada na elaboração de vários produtos, incluindo resinas de fibra de vidro, cosméticos, produtos farmacêuticos, detergentes líquidos, sabões, descongeladores e anticongelantes.

Durante o processo de elaboração do biodiesel, a energia elétrica é usada para acionar as bombas, centrífugas e misturadores, enquanto a energia térmica é necessária na coluna de destilação para recuperar o metanol em excesso, e para remover a água de lavagem do biodiesel. A energia térmica também é utilizada para aquecer o óleo de soja para acelerar o processo de conversão.

Os dados apresentados na Tabela 3 para a conversão de biodiesel foram obtidos a partir do modelo USDA-ARS.

A quantidade de energia necessária para converter óleo de soja em biodiesel, pelo processo de transesterificação, diminuiu ao longo na última década. O uso de instalações maiores colocou maior ênfase na minimização de custos de energia. O custo de capital para adoção de tecnologias poupadoras de energia se justifica em plantas maiores, onde o custo do investimento é menor do que a economia com os custos mais baixos de energia. Por exemplo, tecnologias que provocam a integração de calor, resultaram na captura e reutilização de calor que antes era desperdiçado. Melhorias na tecnologia de catalisador usado para produzir biodiesel resultaram na maior eficiência de conversão de óleo em soja biodiesel. Recuperar e reutilizar o fluxo de água de lavagem usado para purificar o biodiesel elimina o volume de águas residuais após o tratamento.

5.6 – Transporte de biodiesel

Dados do modelo GREET foram utilizados para estimar a energia necessária para transportar biodiesel aos pontos de consumo, que requerem, em média, 0,3 MJ / L de biodiesel. A estimativa foi baseada em uma distância total de 540 km usando uma combinação de caminhão, barcaça e trens, que incluiu uma distância de cerca de 50 km para o caminhão, 68 km para barcaça e 374 km para o transporte ferroviário, a partir de uma planta para um centro de distribuição, e outros 48 km por caminhão para transportá-lo ao seu destino final (normalmente posto varejista de combustível).

5.7 – Atribuição de energia para os coprodutos

Uma das principais causas das discrepâncias em relatórios de LCA, no tocante à energia, é a diferença na forma como a energia é alocada entre os coprodutos (Pradhan et al., 2008). Historicamente, a demanda de soja é impulsionada pelo farelo de soja, que é usado como ração animal de alto teor protéico. O esmagamento de soja rende muito mais farelo (proteína) que óleo, bem como a maior parcela da receita provém do farelo. Claramente, farelo de soja não é um subproduto da produção do biodiesel.  Em vez disso, o farelo de soja e o óleo são produzidos em conjunto e vendidos em mercados distintos. A energia usada para produzir a parte proteica da soja, bem como da glicerina bruta que é produzida durante a transesterificação, deve ser descontado do LCA do biodiesel. O método de alocação de massa foi usado para determinar como a energia total usada é distribuída entre estes coprodutos.

Portanto, na equação (2), relatada anteriormente, os seus componentes assumem os seguintes valores: f1 = 20,5% × 82,4% = 16,9%, e f2 = 82,4%.

No próximo artigo analisaremos os resultados obtidos e efetuaremos sua discussão, comparativamente com estudos similares, realizados anteriormente.

Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja.