Painel Bioenergia Etanol e Biodiesel IEAUSP 9 11

Painel Bioenergia: Etanol e Biodiesel IEA-USP, 9 -11 -2006 Tecnologia para o etanol combustível: situação atual e perspectivas Isaias C Macedo – NIPE, UNICAMP

Contexto • Em 2006, 420 M t cana estão sendo processadas em 310 usinas (~ 40 novas estão em construção), produzindo 30 M t açúcar e 17 M m 3 etanol. • O Brasil é o maior produtor mundial de cana (33, 9 %), açúcar (18, 5 %) e etanol (36, 4%); e também o maior exportador de açúcar e etanol (2005). • Etanol corresponde a 40, 6% do combustível para veículos leves (total de 19, 2 M veículos) (2005).

Observações • Na implementação da produção de etanol uma completa integração foi obtida nos processos: flexibilidade de produção, melhor qualidade do açúcar e perdas menores. • Foi necessário um extenso desenvolvimento de tecnologia para a produção, logística e uso final. • Foi também necessária uma legislação específica, subsídios iniciais ao programa e uma grande negociação entre produtores, produtores de veículos, agentes do governo e a “competição”: a indústria do petróleo. • Agentes no desenvolvimento: setor privado (CTC, Allelyx, Canavialis, fornecedores de equipamentos e insumos); setores públicos (Planalsucar, IAC); Universidades e Institutos.

Tecnologia, 1975 -2000 1980/ 1990 Introdução de variedades de cana desenvolvidas no Brasil Uso da vinhaça em ferti-irrigação Controles biológicos na produção de cana Melhorias nas operações agrícolas (cultivo, colheita) Introdução do sistema de moagem com “ 4 rolos” Microbiologia para as fermentações “abertas” em grande escala; processo e controles Flexibilidade na produção: etanol / açúcar Aumento na produção de energia (auto-suficiencia) Especificações para o etanol; motores E-100 Mistura, tancagem e transporte de etanol

Tecnologia, 1975 -2000 1990/2000 Avanços no gerenciamento técnico (agrícola e industrial) Geração de energia elétrica excedente Avanços na automação industrial Otimização do corte, carregamento e transporte da cana Mapeamento do genoma da cana; transformações Mecanização da colheita Motores Flex-fuel

Tecnologia, 1975 -2000 Resultados, período 1975 -2000, S. Paulo: + 33% t cana / ha + 8% açúcar % cana + 14% conversão: (açúcares na cana) para (etanol) + 130% produtividade na fermentação, m 3 etanol /(m 3 reator. dia) Para o Centro-Sul, médias em 2003/4 foram: Produtividade em cana: 84, 3 t / ha Açúcar % cana: 14, 6 Conversão Industrial: 86%

• Observando a evolução do custo de produção, podemos dizer que a agro-indústria da cana no Brasil está no estágio de “tecnologia madura”, com os menores custos mundiais e com alta qualidade dos produtos? • Neste caso: estamos buscando melhorias contínuas (e pequenas) para os processos, nos próximos anos?

Tecnologias para o futuro • Nos próximos anos é necessário fazer a implementação completa das tecnologias já disponíveis • Evolução tecnológica: agricultura “de precisão”, processos de separação, maior integração da colheita / carregamento / transporte, automação industrial; variedades (áreas novas) • Uso final: evolução do flex-fuel e outros • Sub-produtos: energia excedente (iniciado); etanol de bagaço e palha (5 – 10 anos) • Produtos derivados da sacarose (vários) • Perspectivas de médio – longo prazo para variedades geneticamente modificadas • Médio – longo prazo: a implementação de “bio-refinarias” com utilização eficiente de sacarose e resíduos (bagaço e palha)

O uso de resíduos Cana, Brasil, 2005: 60 M t sacarose; 120 M t bagaço e palha 30% excedentes de bagaço + 50% palha poderiam levar a 48 M t (MS), com custo de recuperação baixo (~1 €/GJ). No mundo, custos de biomassa (resíduos, plantações para energia) são 2 - 3 €/GJ; espera-se 1. 5 €/GJ , futuro Bio-refinarias poderão contar com alguns novos processos de conversão: Biomassa (hidrólise) → açúcares, (etanol, outros): comercial ~ 2010 to 2020 Biomassa (gasificação) → energia elétrica ou combustíveis por síntese (etanol, DME, gasolina, diesel); comercial ~ 2015 to 2025. Ambos dependem de tecnologias mais eficientes e baratas, e de biomassa mais barata.

Gasificação Resultados comerciais: 10 – 100 MW(t); de pequenos motores automotivos até ciclos combinados com turbinas a gás. Tecnologias em desenvolvimento: há muitos projetos (escala piloto). Dois conceitos importantes visam energia elétrica (ciclos BIG-CC); e mais recentemente a síntese de combustíveis. Todos precisam de reduções de custos importantes para competir com óleo a $30. /bbl, ou com energia elétrica “convencional”. P&D: sistemas de alimentação de biomassa; gasificação com ar, para gás de médio PC; limpeza dos gases; turbinas para gás de baixo PC; reatores de síntese (exemplo, reatores em fase líquida para DME).

Hidrólise e as “bio-refinarias” Açúcares (e etanol) de material lignocelulósico: a tecnologia poderia levar a uma grande gama de aplicações, no mundo. Forte P&D (plantas piloto, e semi-comerciais) visando redução de custos Pré-tratamentos no futuro deverão ser na maioria físicos (explosão com vapor, água quente pressurizada); os processos de hidrólise / fermentação seriam simultâneos, com uso dos açúcares de 5 e 6 carbonos (para etanol). Processos poderiam atingir 52% de recuperação de energia da biomassa, contra 35 % hoje. Biomassa e investimento seriam ~75 - 80% do custo total. P&D: Demonstração dos pré-tratamentos físicos; alimentação de biomassa; microorganismos e enzimas para os processos (CBP, ou mais simples).

Produtos derivados de açúcares (sacarose, glucose, hidrolisados) Houve expansão mundial nos últimos 15 anos, com alguns produtos chegando a 1 M t / ano. • Atingiram 23 % do mercado global de adoçantes (2002): frutose, glucose, polióis. • Ácidos orgânicos: cítrico, glucônico, lático, ascórbico): 0, 7 M t / ano (1998) • Amino-ácidos (MSG, lisina, treonina): ~1. 5 M t / ano • Polióis: 1. 4 M t / ano (48% sorbitol, 2001); glicerol (de todas as fontes) foi 0, 8 M t / ano (2000). • Enzimas: menores volumes, alto valor agregado; de todas as fontes, US$ 1500. M / ano, dobrando até 2008. • Plásticos: promessas, fase pré-comercial; PLA, PHAs, 3 GT; 10 M t / ano seriam usadas apenas para embalagens, substituindo derivados de petróleo.

Derivados de sacarose e etanol: Brasil • Alguns já são produzidos comercialmente no Brasil (Llisina; MSG; extratos de leveduras; ácido cítrico; sorbitol). Plásticos (PHB) estão em estágio pré-comercial. • Possibilidades para produtos de maior escala (~1 M t / ano) e especialidades (10 – 50 k t / ano) estão sendo avaliadas em várias usinas. • Derivados do etanol estão sendo re-avaliados. Entre 1980 e 1990 mais de 30 produtos usavam até 0, 5 M m 3 etanol / ano; em 1993 a capacidade instalada para 14 produtos era superior a 100000 t / ano.

Considerações na seleção do produto • Disponibilidade do processo: patentes, aquisição da tecnologia, desenvolvimento interno • Qualidade requerida do açúcar (caldo, açúcar bruto ou refinado, HTM); custo açúcar/custo total • Investimento, e necessidade de operação anual • Natureza do processo (complexidade, custos associados, efluentes, proteção ambiental) • Escala de produção e adequação à usina • Economia; os mercados de exportação (quase sempre necessários) e as taxas de câmbio • O arranjo comercial: parcerias?

O desenvolvimento destes novos produtos nas usinas deve considerar que: • Materiais e sistemas auxiliares em geral apresentam custo relativamente baixo (açúcar, energia, tratamento e disposição de efluentes) • Uma usina “média” usando 1/2 de sua cana , produziria ~ 70000. t / ano de um produto novo; seria provavelmente auto -suficiente em energia, e poderia usar o sistema de efluentes da usina. • Tecnologias estão em muitos casos disponíveis (licenciamento ou compra) para novos produtos (embora nem sempre as “melhores”) • A comercialização é um ponto muito difícil para as usinas; parcerias e associações adequadas podem ser necessárias, especialmente nos casos de exportação.

Resumo Nos próximos 10 – 20 anos o uso mais eficiente da biomassa da cana (e possivelmente de variedades modificadas geneticamente) poderá aumentar significativamente a gama de produtos e seu valor. Energia (eletricidade e combustíveis líquidos) poderá ser uma fração ainda maior destes produtos Algumas tecnologias em desenvolvimento avançado (no exterior) podem ser chaves para esta transformação: a hidrólise de biomassa (com as diversas fermentações para outros produtos); e a gasificação de biomassa, para energia elétrica ou combustíveis. A cana de açúcar aparece como a matéria prima ideal para estas futuras “bio-refinarias” pelo seu custo relativamente baixo, grande disponibilidade e pelo “mix” de 1/3 sacarose com 2/3 de material ligno-celulósico préprocessado.