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REVISTA DA MADEIRA - EDIÇÃO N°129 - NOVEMBRO DE 2011

Biomassa

Biomassa como fonte alternativa de energia

Atualmente a maioria dos países está promovendo ações para que as energias alternativas renováveis tenham participação significativa em suas matrizes energéticas. A motivação para essa mudança de postura é a necessidade de redução do uso de derivados do petróleo e, conseqüentemente, a dependência energética desses países em relação aos países exportadores de petróleo. Além disso, a redução no consumo dos derivados do petróleo também diminui a emissão de gases promotores do efeito estufa. Neste contexto destaca-se a biomassa residual.

A energia de biomassa é aquela fornecida por materiais de origem vegetal renovável ou obtido pela decomposição de dejetos. O Brasil tem desenvolvido tecnologia há vários anos para a utilização da biomassa como fonte geradora de energia, gerando empregos e com muito pouco recurso financeiro. Hoje são conhecidas diversas fontes renováveis de biomassa como: lenha, carvão vegetal, babaçu, óleos vegetais, resíduos vegetais, sisal, biogás, casca de arroz, cana de açúcar, dentre outros.

Considera-se que a médio e longo prazo a exaustão de fontes não-renováveis e as pressões ambientalistas poderão acarretar maior aproveitamento energético da biomassa. Dessa forma, espera-se que a utilização da biomassa, como fonte de energia, aumente consideravelmente, através de uma política clara de comercialização.

A biomassa é qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica. De acordo com a sua origem, pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar, entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os derivados obtidos dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial energético varia de tipo para tipo) quanto da tecnologia de processamento para obtenção dos energéticos.

A energia da biomassa é a energia que se obtém durante a transformação de produtos de origem animal e vegetal para a produção de energia calorífica e elétrica. A formação de biomassa a partir de energia solar é realizada pelo processo denominado de fotossíntese, pelas plantas que, por sua vez, está acionando a cadeia biológica. Através da fotossíntese, plantas que contêm clorofila transformam o dióxido de carbono e a água mineral a partir de produtos sem valor energético, em materiais orgânicos com alto teor energético e, por sua vez, servem de alimento para os outros seres vivos. A biomassa através destes processos armazena a curto prazo a energia solar sob a forma de carbono. A energia armazenada no processo fotossintético pode ser posteriormente transformada em calor, eletricidade ou combustível a partir de plantas, liberando novamente o dióxido de carbono armazenado.

As fontes da biomassa podem ser obtidas através de vegetais não-lenhosos, de vegetais lenhosos, como é o caso da madeira e seus resíduos, e também de resíduos orgânicos, nos quais encontramos os resíduos agrícolas, urbanos e industriais. Assim como, também se pode obter biomassa dos biofluidos, como os óleos vegetais, tendo como exemplo, a mamona e a soja.

Fontes de Biomassa

A biomassa é considerada uma fonte de energia renovável devido ao fato de que a sua reposição na natureza pode ser feita sem grandes dificuldades em prazos de apenas alguns anos ou até menos, ao contrário dos combustíveis fósseis, os quais a reposição natural envolve milhares de anos e condições favoráveis.

Apenas há pouco mais de 100 anos a biomassa começou a perder cada vez mais sua liderança histórica para a energia do carvão, e depois, com o crescimento contínuo do petróleo e do gás natural, a utilização da biomassa foi reduzida praticamente às residências particulares em regiões agrícolas. De acordo com a ANEEL, historicamente a biomassa residual tem sido pouco expressiva na matriz energética mundial, ao contrário do que ocorre com outras fontes, como carvão, energia hidráulica ou petróleo, não tem sido contabilizada com precisão. As estimativas mais aceitas indicam que representa cerca de 13% do consumo mundial de energia primária.

Matriz de Consumo Final de Energia nos Anos 1973 e 2006

Porém, com a necessidade de redução no consumo de combustíveis fósseis, a biomassa residual passou a ser uma importante fonte alternativa de energia. Em vista disso, atualmente ela é considerada uma das principais alternativas para a diversificação da matriz energética e a conseqüente redução da dependência dos combustíveis.

A biomassa possui um enorme potencial para contribuir com o fornecimento total de energia nas próximas décadas.

A Agência Internacional de Energia (AIE) calcula que dentro de aproximadamente 20 anos cerca de 30% do total da energia consumida pela humanidade será proveniente das fontes renováveis, que hoje representam 14% da energia produzida no mundo, em que a biomassa tem 11,4% na participação da oferta.

Quando se busca determinada disponibilidade de biomassa energética em um país ou região, é importante considerar as restrições de ordem ecológica, econômica (incluindo a social e a política) e tecnológica. Somente assim toda a biomassa potencialmente disponível pode assumir o conceito de reserva, a partir do qual se determina o potencial anual de produção. As restrições ecológicas estão associadas à preservação do meio ambiente e à qualidade de vida. As limitações econômicas são analisadas em dois níveis, sendo que, em primeiro lugar, é necessário saber se a biomassa a ser explorada energeticamente não tem outros usos mais econômicos, como industrial ou alimentício e em segundo lugar, se todos os custos da biomassa explorada são compatíveis com os benefícios energéticos e comparáveis com os demais combustíveis. Finalmente, as restrições tecnológicas se devem à existência ou não de processos confiáveis e operações para conversão da biomassa em combustíveis de uso mais geral.

Geração de Energia

Analisando as tecnologias das fontes energéticas alternativas renováveis, somente a biomassa, utilizada em processos modernos com elevada eficiência tecnológica, possui a flexibilidade de suprir energéticos tanto para a produção de energia elétrica quanto para mover o setor de transporte. Em vista disso, há diferentes tecnologias para o processamento e transformação de energia, mas todas as tecnologias de biomassa atualmente usadas no mundo possuem dois problemas cruciais: o custo da biomassa e a eficiência energética de sua cadeia produtiva.

Todo o planejamento do cenário de tecnologias passíveis de serem aplicados à conversão do conteúdo energético primário da biomassa passa pela definição do propósito de uso desta energia. Por isso, reduzindo-se o perfil de usos da energia às opções de aproveitamento térmico, cogeração ou exclusivamente geração de energia elétrica, verifica-se que, na maioria dos casos, há necessidade de algum processo de tratamento da biomassa para seu aproveitamento energético. Com relação a esses processos, a biomassa pode sofrer três tipos de interferência primária:

Processos Físico-Químicos: Como moagem, atomização, secagem, prensagem, extração, etc.;

Processos Microbiológicos: Como fermentação para obtenção de álcool etílico, digestão anaeróbia, etc.;

Processos Termoquímicos: Podem ser precedidos dos processos anteriores, e incluírem combustão direta, gaseificação, pirólise, etc.

Estes processos de alteração das características físico-químicas são necessários, pois os combustíveis em sua forma bruta não estão em condições favoráveis ao transporte, manipulação ou mesmo, em uma granulometria adequada, a obter uma boa eficiência de reação associada ao processo selecionado como melhor alternativa tecnológica. Dessa forma, uma vez que o combustível esteja condicionado às características necessárias ao processo termoquímico, este poderá compreender diversas alternativas, como a queima direta ou pirólise, gaseificação e liquefação para, finalmente, ser encaminhado ao processo de combustão final. Quanto aos grupos de equipamentos necessários à implementação de um processo termelétrico a partir da biomassa, tem como opção o sistema de conversão energética entre turbina a gás e a turbina a vapor, ou ambas, no caso de ciclo combinado.
A evolução do mercado das tecnologias de produção de energia a partir da biomassa está majoritariamente associada a aspectos ambientais, priorizando a necessidade de minimização das emissões atmosféricas que causam impactos ambientais.

Impactos Ambientais

Os impactos ambientais da biomassa residual podem ser observados nas águas, devido às escalas preocupantes pelos efeitos cumulativos das concentrações de nutrientes orgânicos e inorgânicos, que ocasionam a redução da qualidade das águas de lençóis freáticos, reservatórios e lagos.

Quando a biomassa residual é lançada diretamente na água, sem passar por um processo de tratamento, causa inúmeros problemas que comprometem a qualidade dos recursos hídricos e colabora para o desequilíbrio ambiental entre as diversas espécies, sendo esses efeitos sentidos também pelo homem. A água tem a capacidade de diluir e assimilar a carga orgânica presente na biomassa, sendo que essa degradação é realizada por organismos aeróbios que consomem o oxigênio disponível na água, e quando existe a abundância de matéria orgânica, cresce o número de indivíduos que atuam na degradação da mesma, e conseqüentemente pode-se chegar ao desaparecimento do oxigênio disponível no corpo hídrico.

Dessa maneira, estes baixos índices de oxigênio dissolvido na água comprometem as outras formas de vida, principalmente os organismos aeróbios, que acabam morrendo pela falta de oxigênio e com isto há a prevalência de microorganismos anaeróbios. Além do problema relacionado à falta da quantidade de oxigênio necessária no corpo hídrico, tem-se também o problema da eutrofização artificial, que decorre do aumento da concentração de nutrientes, principalmente o nitrogênio e o fósforo. A eutrofização artificial pode ser considerada uma forma de poluição, pois se caracteriza por ser um processo dinâmico, onde causa grandes modificações, quantitativas e qualitativas, nas comunidades aquáticas, nas condições físicas e químicas e do nível de produção do sistema.

Além dos impactos ambientais da biomassa residual nos recursos hídricos, o solo também é considerado outro compartimento ambiental profundamente afetado pela disposição inadequada da biomassa residual. Na maioria das vezes, somado ao fato de haver a contaminação do solo por causa da biomassa, essa acaba sendo transferida para os corpos hídricos devido ao carreamento provocado pelas chuvas. Diversos outros fatores estão relacionados à disposição da biomassa, sendo inclusive muitos associados aos problemas de saúde pública e ambiental. Portanto, devido às suas características físico-químicas e biológicas, a biomassa residual, antes de sua disposição final necessita passar por um processo de tratamento adequado, visando à redução do seu potencial poluidor.

Tratamento da Biomassa

O tratamento da biomassa residual é formado por uma série de operações conhecidas como operações unitárias, que removem as substâncias desejáveis, ou as transformam em outras substâncias mais aceitáveis. Dessa forma, os níveis de tratamento se classificam em tratamento preliminar, primário, secundário e terciário. O tratamento secundário utiliza-se de processos biológicos, ou seja, reações bioquímicas realizadas por microorganismos para remover a matéria orgânica presente na biomassa residual.

Por meio dos processos biológicos ocorre a maior redução da carga orgânica com potencial poluidor presente na biomassa. Assim sendo, esses processos biológicos utilizados para o tratamento da biomassa se classificam em processos aeróbios e anaeróbios.

Nos sistemas aeróbios há a injeção de gás oxigênio para a remoção da matéria orgânica, sendo que nos sistemas anaeróbios a remoção se dá em condições de anaerobiose, ou seja, na ausência de oxigênio.

No primeiro sistema, aproximadamente 40 a 50% da matéria orgânica é biodegradada, sendo convertida em CO2, o restante, de 50 a 60%, constitui o lodo, que é composto por biomassa microbiana. O material que não é biodegradável atinge um total de 5 a 10%. Já nos sistemas anaeróbios esse balanço de massa se dá da seguinte forma: 70 a 90% do material orgânico é biodegradável e é convertido em biogás, de 5 a 10% é convertido em biomassa microbiana, e de 10 a 30% não é biodegradável.

Os sistemas anaeróbios são uma das tecnologias atualmente disponível, capaz de contribuir para a redução da poluição ambiental e, ao mesmo tempo, de valorizar os subprodutos em causa. Dessa maneira, a biodigestão anaeróbia como processo de tratamento e valorização de resíduos, apresenta inegáveis vantagens, o que conduz a crescentes interesses por parte de entidades públicas e privadas, na sua aplicação em resíduos de natureza orgânica.

Entretanto, para a escolha de qual processo adotar para o tratamento da biomassa residual, demanda uma série de conhecimentos sobre o funcionamento do mecanismo escolhido. No Brasil, devido às condições ambientais favoráveis, utiliza-se na maior parte, o tratamento anaeróbio, pois a operação do mesmo é de baixo custo e gera subprodutos com grande aplicação e bom retorno econômico. Nesta linha, destaca-se a utilização de Upflow Anaerobic Sludge Blaket (UASB - Reator Anaeróbio de Manta de Lodo), lagoas de estabilização e biodigestores, entre outros.
Conversão Biológica em Sistema Aeróbio.

Atualmente, muitos estudos estão voltados para a compreensão do sistema biológico da biodigestão anaeróbia, pois esse processo é um dos mais promissores no campo da biotecnologia, uma vez que pode promover a degradação de resíduos orgânicos que são gerados em grandes quantidades em áreas urbanas, em atividades industriais e agroindustriais

Além disso, destaca-se o meio rural, ao qual, à medida que se intensifica a modernização dos sistemas criatórios, se intensificam também as necessidades energéticas e a geração de resíduos. Assim, o desenvolvimento tecnológico da biodigestão anaeróbia está ligado à problemática do tratamento dos resíduos industriais, dos resíduos urbanos, como é o caso dos esgotos, e dos resíduos provenientes da atividade agropecuária, como é o caso dos estercos.

A utilização da energia da biomassa residual é fundamental para o desenvolvimento de novas alternativas energéticas, pois é renovável e gera baixas quantidades de poluentes. No entanto, esse recurso nunca foi tratado pelas autoridades como uma fonte nobre, como se considera a energia hidráulica, petróleo, gás natural, carvão mineral e nuclear, ao qual existem políticas energéticas específicas. Em vista disso, torna-se necessário desenvolver mecanismos que incentivem a geração de energia a partir de biomassa, já que este é um recurso bastante abundante em nosso país, pois é proveniente das diversas atividades produtivas.

Autores:
Dangela Maria Fernandes - Engª Ambiental, Mestranda em Energia na Agricultura pela UNIOESTE,

Ana Beatryz Prenzier Suzuki - Engª Agrônoma, Mestranda em Energia na Agricultura pela UNIOESTE,

Ana Carla Vieira - Engª Ambiental, Mestranda em Energia na Agricultura pela UNIOESTE,

Izabela Regina Costa Araújo - Engª Florestal, Especializando em Engenharia de Segurança do Trabalho pela UTFPR,

Ricardo Nagamine Costanzi – Engº Civil, Doutor em Saneamento pela Escola USP,

Rui Alexandre Pereira Faria - Biólogo, Mestrando em Energia na Agricultura pela UNIOESTE

Thiago Edwiges – Engº Ambiental, Mestrando em Energia na Agricultura pela UNIOESTE