Por Carlos Corrêa*, Flavia Alves** e José Vitor Bomtempo***
A utilização de biomassas residuais em instalações industriais exige o cumprimento de algumas condições que têm se mostrado desafiadoras. Esforços relativamente recentes, visando a produção do etanol de segunda geração (E2G), trouxeram alguns alertas sobre os obstáculos que ainda precisam ser vencidos para a conversão, em grande escala, de biomassas residuais lignocelulósicas em biocombustíveis.
Afinal, mesmo após anos de pesquisa no desenvolvimento de pacotes tecnológicos, as primeiras plantas de produção de E2G não conseguiram operar continuamente dentro das condições de projeto, gerando uma grande quebra de expectativas no mercado. Após aproximadamente um ano de operação, diversos problemas impediram essas plantas pioneiras de estabilizar sua produção nas condições de projeto.
Enquanto alguns problemas eram esperados, outros parecem não ter sido antecipados: as dificuldades de manuseio e armazenamento de biomassa celulósica, por exemplo, parecem ter sido subestimadas. A maioria dos equipamentos dos sistemas de alimentação da etapa de pré-tratamento operou muito abaixo da capacidade projetada e sem continuidade, devido a entupimentos, incrustações e acúmulo de material, além de problemas de erosão e corrosão nos equipamentos.
Poucos anos após o início das operações, apenas a planta da Raízen, no Brasil, continuava operando em escala comercial. As demais plantas, ou foram vendidas ou tiveram suas produções interrompidas.
Problemas de estabilização em plantas industriais pioneiras, com uso de biomassa não se restringiram aos casos do E2G. Outras biorrefinarias também enfrentavam dificuldades semelhantes para operar.
Essas questões foram bem debatidas em outubro de 2016, no Biorefinery Optimization Workshop, promovido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE). Esse workshop reuniu mais de 100 especialistas envolvidos na produção ou geração de bioenergia, e levantou importantes discussões a respeito das barreiras encontradas por diversas biorrefinarias.
Entre essas barreiras, se destacaram: a complexidade e variabilidade da matéria-prima; a recalcitrância dos materiais lignocelulósicos para sua conversão eficiente em produtos; as dificuldades operacionais encontrada com o manuseio e a fluidez de sólidos nos sistemas de produção; e as dificuldades em traduzir os aprendizados das escalas de bancada e piloto para escalas de demonstração ou para plantas comerciais.
O uso de materiais lignocelulósicos como matéria-prima para a produção industrial pode ser encarado como uma das formas de se iniciar uma grande transformação capaz de mudar a estrutura da economia, que ainda tem o petróleo e o carvão como as principais fontes de riqueza, para uma nova economia que terá recursos renováveis como como sua principal base de produção. Mas, para isso, e preciso que haja domínio tecnológico sobre o manuseio desse tipo de material.
A tese de doutorado, “Os Desafios da Utilização de Biomassas Lignocelulósicas em Plantas Industriais Pioneiras: O Caso das Plantas de Etanol de Segunda Geração” contribui para as discussões sobre esse tema, buscando entender os principais desafios enfrentados pelas plantas pioneiras do E2G. Dentre eles quais obstáculos as impediram de operar continuamente nas condições de projeto e quais experiências dessas biorrefinarias podem ser levadas em conta para que se obtenha sucesso nos projetos e operação de outras plantas pioneiras, nesse ambiente onde a biomassa é a principal fonte de produção.
A pesquisa que originou a tese se baseou em entrevistas realizadas com profissionais que participaram dos projetos de construção das plantas pioneiras do E2G, buscando informações desde as etapas de tomada de decisão para construção de plantas industriais, até os problemas operacionais enfrentados pelas plantas que foram construídas.
Os resultados da pesquisa mostraram que as empresas que decidiram enfrentar os desafios de se envolver em processos de inovação para produzir o E2G, o fizeram a partir da identificação de uma janela de oportunidade aberta pelos aumentos dos preços do petróleo. Elas também foram motivadas pelo lançamento de políticas públicas em EUA, Europa e Brasil, entre 2005 e 2008, que estimulavam o crescimento da oferta de produção de combustíveis renováveis.
Assim, os investimentos foram feitos por empresas de grande porte, oriundas dos setores de química, petroquímica e energia. Ou seja, eram companhias com aparente capacidade de investimento suficiente para suportar as incertezas típicas de um processo de inovação em uma nova indústria com rotas tecnológicas ainda em desenvolvimento.
Apesar da literatura técnica da época indicar que as tecnologias de conversão de biomassas lignocelulósicas ainda não haviam atingido níveis de maturidade de TRL 7 ou 8, de maneira geral, as empresas optaram por tecnologias levando em conta sua simplicidade, seu baixo custo e a rapidez em sua implantação.
Na fase de tomada de decisão para construção das plantas, os principais riscos identificados diziam respeito aos processos de conversão e aos custos de produção – principalmente custos ligados aos coquetéis enzimáticos, mas também a potenciais problemas de fornecimento de biomassa e suas dificuldades logísticas.
Apesar de cada empresa ter seguido seu próprio caminho, quase sem trocas de experiências ou de informações entre elas, as entrevistas indicaram que os principais desafios operacionais enfrentados por elas foram bem semelhantes e, muitos deles, ligados ao manuseio da biomassa. Segundo as entrevistas, as empresas seguiram a estratégia de não compartilhar seus problemas prevendo uma competição por um mercado potencial de venda de tecnologia: a primeira empresa a ter sua tecnologia funcionando entraria com vantagens nesse novo mercado.
O que parece ter sido um “ponto cego” na avaliação de riscos das empresas é que, nesse caso, as novas plantas não iriam operar a partir de derivados do petróleo e nem de qualquer outra matéria-prima líquida ou gasosa, como o setor químico e petroquímico está habituado: elas iriam operar a partir de novas matérias-primas sólidas até então desconhecidas no âmbito de operações industriais em grandes escalas.
Estudos sobre dificuldades com manuseio de sólidos em escala industrial já eram disponíveis desde a década de 1980, mas, mesmo assim, parece que essas dificuldades não foram consideradas nesses projetos.
Segundo as informações dos entrevistados, problemas com a movimentação da biomassa não estavam entre as prioridades nem dos pesquisadores ou detentores de tecnologia e nem das próprias empresas. Tanto que, na composição de suas equipes técnicas, não havia especialistas com essa capacitação. Esse tema foi delegado aos fornecedores de equipamentos. E foi justamente o trato com a matéria-prima um dos principais fatores que impediram as plantas de operar continuamente.
Fazendo uma analogia com fórmulas matemáticas, nessa indústria emergente, a matéria-prima não é mais uma constante, como no caso dos derivados do petróleo. Ela é uma variável fundamental para a solução da equação e exige a compreensão de que questões relacionadas ao seu manuseio são complexas e ainda precisam ser estudadas, testadas e trabalhadas para que se garanta seu aprendizado.
Os atributos da biomassa são variáveis e inconsistentes, tanto dentro de uma determinada espécie quanto entre diferentes espécies. Além disso, mudanças de local e época da colheita podem afetar seu teor de umidade, dificultando tanto as operações de transporte e manuseio quanto de armazenamento e pré-processamento. Por isso, os equipamentos a serem utilizados para seu manuseio precisam considerar as especificidades de cada material para que se possa garantir estabilidade nos fluxos de alimentação e possibilitar operações industriais contínuas e estáveis.
A tese apresentada na EQ-UFRJ encontrou dados que mostram uma lacuna de conhecimento, no âmbito da engenharia, no que diz respeito às características específicas das biomassas lignocelulósicas utilizadas nas plantas pioneiras do E2G. Em função de diversos fatores ligados às trajetórias tecnológicas das empresas que projetaram e operaram essas unidades, o manuseio e a alimentação das biomassas lignocelulósicas parecem não ter sido “vistos” pelas empresas como desafios técnicos ainda a serem enfrentados.
A falta desse olhar para os problemas de manuseio e alimentação de biomassa parece ter causado um “ponto cego” sobre a necessidade de desenvolvimentos tecnológicos que levassem os sistemas de movimentação a alimentação aos mesmos níveis de maturidade tecnológica alcançados pelos processos de conversão de biomassa em etanol (pré-tratamento, hidrólise enzimática e fermentação).
Os resultados dessa pesquisa também indicam que não foram apenas as empresas a não ter olhos para essas questões, mas também formuladores de políticas públicas, investidores, pesquisadores e desenvolvedores de tecnologia.
A falta de olhos para questões tecnológicas ligadas ao manuseio de matérias-primas sólidas pode ser um paradigma construído a partir do uso predominante do petróleo e seus derivados (fluidos) nas indústrias de processos químicos e similares, no último século. Um paradigma que pode remontar até a base de formação acadêmica dos engenheiros de processo e que precisa ser quebrado.
Com o uso da biomassa em grande escala, a matéria-prima deve ser considerada como uma importante variável no direcionamento de projetos e desenvolvimentos tecnológicos e não apenas um dado. Provavelmente, muito conhecimento científico ainda precisa ser transformado em tecnologia para viabilizar esses desenvolvimentos.
Nesse caminho, as experiências vividas pelas pioneiras do E2G podem trazer importantes lições sobre como riscos tecnológicas não antecipados podem se transformar em obstáculos, trazendo “o manuseio da biomassa” para o centro dos debates que tratam dos desafios tecnológicos que ainda precisam ser vencidos para o sucesso operacional de novas biorrefinarias.
* Carlos Corrêa é engenheiro químico e doutor em engenharia de processos químicos e bioquímicos; consultor com foco em inovação e sustentabilidade; e pesquisador do Grupo de Estudos em Bioeconomia (GEBio) da Escola de Química da UFRJ
** Flavia Alves é engenheira química; doutora em gestão e inovação tecnológica; professora da Escola de Química da UFRJ; e pesquisadora do GEBio, da UFRJ
*** José Vitor Bomtempo é engenheiro químico; doutor em economia industrial; coordenador do GEBio, da UFRJ; e pesquisador associado do Grupo de Economia da Energia (GEE) do Instituto de Economia da UFRJ
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