A quarta geração de biocombustíveis

A estonteante dinâmica da Ciência e da Tecnologia no século XXI exige que estejamos todos antenados para as tendências de futuro. Esta afirmativa é particularmente válida para empresários interessados no setor de biocombustíveis, pelas rápidas transformações que este setor vai experimentar nas próximas décadas.

A confluência de a) desenvolvimentos em biologia vegetal tradicional, b) novas ferramentas de biotecnologia, c) métodos inovadores de bioconversão e d) técnicas para captura e armazenamento de carbono, torna possível imaginar uma "quarta geração" de biocombustíveis e de sistemas de bioenergia. Os primeiros passos para tais combustíveis se encontram no pipeline de alguns laboratórios que se dedicam a perscrutar o futuro e preparar a sua chegada.

A ideia subjacente é o vasto potencial para produção sustentável de energia renovável. Por exemplo, os cientistas que compõem o grupo Task 40, da Agencia Internacional de Energia, estimam o potencial técnica e economicamente factível em cerca de 1.300Ej (exajoules) em 2050, considerando o atual estado da arte tecnológico. Para efeito de comparação, o uso de combustível fóssil global atual é de cerca de 380Ej por ano. Como veremos posteriormente neste artigo, este potencial pode ser estendido por conta de avanços tecnológicos que começam a surgir.

É importante ressaltar que este potencial de energia de biomassa é explicitamente baseado em um cenário "sem desmatamento" e no fato de que todas as necessidades de alimentos, fibras das populações humanas e as necessidades de forragem para animais devem ser atendidas primeiro. Considerando estes requisitos, os cientistas da Task 40 revelaram o grande potencial da África (320Ej) e da América Latina (220Ej). O potencial da América Latina é realizável no prazo mais curto e o da África em prazo mais longo, devido às condições pré-existentes (infra-estrutura, tecnologia, institucionalidade, etc) para a implementação de empreendimentos comerciais de larga escala. Porém, o fato principal é que não haverá escassez do principal recurso natural - biomassa - necessário para fazer a transição para uma era pós-petróleo, em uma economia de baixo carbono.

Estes cenários otimistas não levam em conta possíveis avanços em biotecnologia, como o design de culturas energéticas de alto rendimento, vez que, embora o fato em si seja incontestável, a mensuração dos ganhos por esta via tecnológica ainda é imponderável. A evolução nesta área está avançando rapidamente, o que inclui árvores com maior capacidade de armazenamento de carbono, culturas energéticas tolerantes à seca, espécies de gramíneas tolerantes a solos ácidos e novas plantas com propriedades  mais adequadas para processos específicos de bioconversão. Neste último caso, um exemplo são as plantas com baixo teor de lignina e teor de celulose mais alto; outro exemplo é o milho com enzimas embutidas para rápida conversão para biocombustíveis.

A combinação de tais culturas (que já são chamadas de designed ou costum-made plants) com técnicas avançadas de bioconversão - que permitem a captura e armazenagem de dióxido de carbono - tornam possível a produção de uma "quarta geração" de biocombustíveis denominada de “biocombustíveis ultra-limpos e carbono-negativos”, no jargão científico que começa a circular no setor.

Overlapping de gerações
Vamos dar uma olhada em como as diferentes gerações de biocombustíveis se sucedem. Biocombustíveis de primeira geração são conhecidos por seus múltiplos problemas, especialmente quando produzidos a partir de grãos como o milho (EUA) ou canola (UE). Críticas recorrentes ocorrem por seus impactos negativos sobre os preços dos alimentos (o que não é o caso da cana), ou na ameaça à biodiversidade, como no caso do dendê do sudeste asiático. Seus balanços de carbono são ruins na medida em que não reduzem muito a emissão de gases de efeito estufa, ou porque as técnicas de cultivo convencional (por exemplo, liberando óxido nitroso) anulam a redução das emissões (este, mais uma vez não é o caso do etanol de cana). O balanço de energia ainda é muito precário, variando de 1,5:1 (etanol de milho) a 3,5:1 (biodiesel de dendê), apesar da relação 10:1 do etanol de cana. Finalmente, estes biocombustíveis de primeira geração dependem de tecnologias de conversão relativamente ineficientes (como a fermentação por leveduras convencionais ou pela transesterificação com catalisadores alcalinos), se comparados com os novos processos em desenvolvimento.

A produção de biocombustíveis de segunda geração envolve uma mudança na etapa de bioconversão que, em teoria, permite resolver o aparente dilema entre produzir alimentos ou energia. Em vez de apenas usar açúcares, amidos e óleos facilmente extraíveis, como na geração anterior, estas técnicas permitem a utilização de todas as formas de biomassa de lignocelulose. Espécies de gramíneas, árvores, resíduos agrícolas e industriais podem ser convertidos através de duas vias principais: uma rota bioquímica e outra termoquímica. A primeira depende de enzimas específicas e/ou microorganismos que podem quebrar a celulose e a hemicelulose, para liberar os açúcares contidos na biomassa. Por esta tecnologia é possível produzir etanol celulósico. Por tecnologia similar, alguns microorganismos transgênicos também podem transformar a biomassa em combustíveis gasosos, como o biogás e biohidrogênio, através de digestão anaeróbica. Avanços na biologia sintética pode conduzir a microrganismos transgênicos, que realizam essas tarefas de maneira altamente eficiente.

A rota termoquímica converte biomassa através de processos como gaseificação e pirólise rápida. A gaseificação permite a obtenção de biocombustíveis sintéticos muito limpos, inicialmente pela produção de gás de síntese (Fischer-Tropsch), e posteriormente pela síntese de biocombustíveis líquidos, rota esta conhecida como "biomass-to-liquids" (BTL). O processo atual já possui eficiência energética aceitável, mas a integração de processos promete eficiência ainda maior.

Na pirólise rápida de biomassa esta é rapidamente aquecida (450-600° C) na ausência de ar, para produzir um biocombustível líquido, pesado, denominado bio-óleo ou óleo de pirólise. Diversos laboratórios estão aprimorando a tecnologia, objetivando obter um produto com melhores características, especialmente com elevada eficiência energética. Adicionalmente, o bio-óleo e seus resíduos (char) podem ser tratados como uma matéria-prima para produção de combustíveis BTL.

Vantagens
Os biocombustíveis sintéticos e o etanol de celulose apresentam melhor balanço de carbono e podem reduzir as emissões de dióxido de carbono em até 90%, em relação aos combustíveis derivados de petróleo. Além disso, eles são ultra-limpos e reduzem as emissões de outros poluentes importantes (NOx, SOx).

Quando combinadas, as potencialidades dos biocombustíveis originados da bioquímica e da conversão termoquímica da biomassa, são enormes. O Conselho Mundial de Energia (www.worldenergy.org) estimou, recentemente, que apenas estes combustíveis poderiam substituir cerca de 40 por cento de todos os combustíveis derivados de petróleo de transportes, em 2050. Esta estimativa descortina excelentes oportunidades comerciais, não apenas para o mercado doméstico brasileiro porém, especialmente, no mercado internacional

A terceira geração
A segunda geração de biocombustíveis se caracteriza por mudanças na etapa de bioconversão, usando matérias primas já existentes. Já a terceira geração de biocombustíveis é baseada em avanços feitos na fonte - a produção de biomassa. Esta geração se beneficia de novas culturas energéticas, especialmente concebidas para este fim. Há um progresso significativo para ser feito a esse respeito. Os recentes avanços em biologia vegetal, o surgimento de técnicas de reprodução extremamente eficientes e rápidas (melhoramento molecular), os avanços rápidos no campo da genômica e design de plantas transgênicas promete plantas com propriedades mais adequadas para a conversão em bioprodutos, em especial biocombustíveis. Instituições científicas líderes, como o U.S. Dept. of Energy Joint Genome Institute (JGI), estão investindo convictamente nesta linha de pesquisa.

Exemplos recentes oferecem um vislumbre do que podemos esperar no futuro próximo. Recentemente, cientistas desenvolveram variedades de eucalipto com baixo teor de lignina, o que permite melhor taxa de conversão em etanol celulósico. Do mesmo modo, foram criados choupos (poplars, uma árvore do Hemisfério Norte, de nome científico Populus alba ou P. nigra) com menor conteúdo de lignina. Os cientistas do Agricultural Research Service (ARS/USDA, órgão do Governo Norteamericano similar à Embrapa), produziram novos cultivares de sorgo, com baixo teor de lignina, tornando a cultura ideal como matéria prima para os biocombustíveis celulósicos e para co-produção de alimentos

Os cientistas da área de agronomia também estão conseguindo aumentar a produção de biomassa de culturas energéticas, por unidade de área. Culturas com maior teor de açúcar (sorgo doce), com alta produtividade em condições mais secas, foram desenvolvidas e estão sendo cultivadas para produção de etanol, com muitas vantagens sobre o milho. Por exemplo, os cientistas da Universidade Texas A & M desenvolveram um sorgo tolerante à seca, que pode produzir entre 37 e 50 toneladas de biomassa seca por hectare, o que significa uma verdadeira revolução na produção de biomassa de alta energia, a custo mais baixo.

De particular significado é a criação de uma variedade de milho que já contém as enzimas necessárias para converter a biomassa em biocombustíveis. Os cientistas utilizaram ferramentas de biologia sintética para descobrir os princípios necessários que permitiram a concepção da nova variedade. Este é um exemplo radical de culturas da "terceira geração" de biocombustíveis.

Por sua parte, o cientista mais conhecido no campo da biologia sintética e genômica, o Dr. Craig Venter (respeitado cientista, fundador da Celera Genomics, ver www.jcvi.org), em parceria com o Center for Genome Technology asiático, está sequenciando o genoma do dendê, o que permitirá desenvolver variedades mais adequadas para a indústria de biocombustíveis. Igualmente, um grupo de cientistas, anteriormente liderado pelo Dr. Norman Borlaug (Premio Nobel da Paz, falecido em 2009), está sequenciando a planta de mandioca, já utilizada para produzir biocombustíveis de primeira geração, mas que pode ser melhorada significativamente, aumentando o conteúdo de amido. Este avanço será particularmente útil para os países africanos e para a Índia, onde a mandioca é largamente cultivada.

Finalmente, no que deve ser visto como um avanço da maior importância, os cientistas conseguiram superar o problema dos solos ácidos através do desenvolvimento de uma cultivar de sorgo, que pode crescer adequadamente em tal ambiente. Metade dos solos do mundo são ácidos, a maioria deles nos trópicos e sub-trópicos, justamente na área de expansão da produção agrícola nos próximos anos, especialmente da agricultura de energia. Esta quebra paradigmática de tecnologia possui o condão de disponibilizar uma grande parte da terra do mundo anteriormente considerada problemática para a agricultura, devido aos altos custos de correção do solo.

Esta é apenas uma breve visão geral do potencial de criação de novas técnicas de seqüenciamento genético, e que estão sendo cada vez mais utilizado. O aspecto mais importante a considerar é que nem todos os avanços recentes provêm de técnicas de melhoramento molecular, que tornam mais fácil gerar e selecionar as culturas permitindo a sua liberação comercial em questão de meses, em vez de anos. Logo, é fácil prever a velocidade da mudança quando técnicas avançadas forem de uso generalizado, o que permitirá saltos tecnológicos enormes, em curto espaço de tempo.

Outro aspecto muito importante é que os avanços na agricultura de energia são meros desdobramentos de sucessos similares, obtidos para melhorar culturas alimentícias. Logo, se ambos os setores (alimentos e culturas energéticas), continuarem rompendo barreiras, a necessidade de novas áreas será cada vez menor, para atender as demandas de alimentos e de energia. Em decorrência, pode aumentar ainda mais as estimativas iniciais do potencial de produção de biocombustíveis, no longo prazo, porque as projeções atuais (Task 40 e Conselho Mundial de Energia) não consideraram os avanços em biologia vegetal e biotecnologia.

O uso de tais culturas energéticas gera um impacto positivo tanto no balanço de carbono quanto de energia. Com rendimentos mais elevados e bioconversão mais eficiente, menos energia é necessária para cultivar, colher e transformar uma determinada quantidade de biomassa em biocombustíveis. Esta é a grande característica da terceira geração de biocombustíveis.

A quarta geração
Um desenvolvimento particular na biologia de planta e deve ser mencionado, porque ele nos leva direto para a "quarta geração" de biocombustíveis. Duas equipes de cientistas anunciaram, recentemente, que conseguiram projetar árvores que armazenam quantidades de dióxido de carbono significativamente maiores do que seus equivalentes normais. A façanha foi conseguida para plantas de eucalipto - uma fonte de biomassa adequada para o cultivo nos trópicos - e para Dahurian Larch, uma planta comum na Sibéria e nordeste da Ásia, de nome científico Larix gmelinii.

Em sistemas de obtenção de energia de quarta geração, a produção de biomassa persegue o conceito de captura de carbono, transformando as plantas em máquinas que tiram o CO2 da atmosfera para armazená-lo em seus galhos, raízes, troncos e folhas. O carbono da biomassa é então convertido em combustível e gases por meio de técnicas de segunda geração. Então vem a diferença, pois, antes, durante ou após o processo de bioconversão, o dióxido de carbono é capturado, utilizando um processo de pré-combustão chamado de oxicorte, ou então por processos de pós-combustão. O CO2 sequestrado pode ser armazenado em campos de petróleo e gás esgotados, em minas de carvão após a fase de mineração ou em aqüíferos salinos, onde permanece preso por centenas, talvez milhares de anos.

Esta sequencia permite melhorar consideravelmente o balanço de carbono da produção de biocombustíveis. Deste modo, os combustíveis e gases resultantes não só são renováveis, como também são, efetivamente, carbono-negativos. Apenas a utilização da biomassa permite a concepção de carbono-negativo. As demais formas de energias renováveis (eólica, solar, etc) são, na melhor das hipóteses, carbono-neutro, ou carbono-positivo na prática. A quarta geração de biocombustíveis terá a pretensão de retirar CO2 da atmosfera, que tenha sido emitido muito antes que os biocombustíveis fossem produzidos, tornando-se ferramentas para limpar o nosso passado sujo.

Segundo os cientistas que defendem o conceito de "bio-energia com o armazenamento de carbono (BECS)", que é o fulcro da quarta geração, se considerados no contexto de uma estratégia para combater as 'mudanças climáticas bruscas, estes sistemas aplicados em escala global, pode nos levar de volta à concentração de  CO2 atmosférico préindustrial. O conceito seria mais eficiente do que as técnicas que estão limitados à depuração de CO2 da atmosfera, sem abordar a origem do problema, que é a queima de combustíveis fósseis.

O conceito BECS somente se torna viável, na prática, inicialmente pelo desenvolvimento de vegetais com crescimento rápido e alto rendimento, que capturam mais dióxido de carbono. Como estocar este carbono por longos períodos de tempo é a segunda inovação, que permite que o conceito se materialize. Tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS) estão sendo desenvolvidas para aplicação na indústria de carvão mineral. O aproveitamento destas inovações na produção de biocombustíveis descortina uma nova dimensão. No caso do carvão, a aplicação da CCS está ligada à localização das minas e fábricas de carvão, consequentemente dos locais de sepultamento de CO2.
Entre outras restrições, isto significa que o seqüestro e o armazenamento ocorrerá relativamente perto de locais habitados, como cidades. Ao contrário, a biomassa pode ser cultivada em praticamente qualquer lugar. O CCS aplicado à biomassa permite um cenário ideal, ou seja, a produção de biomassa e o seu seqüestro ocorrendo longe de regiões habitadas. Tanto o biocombustível quanto outras formas de energia densificada (pellets, bio-óleo) seriam produzidos localmente e, em seguida, enviados para os usuários finais, já retirada a parcela de carbono que seria sequestrada.

O que descrevi até agora pode parecer ficção científica. Porém, os primeiro passos já estão ocorrendo na prática. O Departamento Nacional de Energia dos EUA, através do Energy Technology Laboratory (DOE / NETL) e a Força Aérea Americana (USAF) divulgaram um relatório sobre a produção de combustíveis a partir da liquefação conjunta de carvão e biomassa, acoplando a tecnologia de seqüestro de carbono na fase de produção industrial do combustível. Ainda se trata de um embrião pré-industrial, mas o importante é a demonstração do conceito, ou seja, tecnologia para tanto já existe. Ela necessita ser aprimorada e escalada, para aproveitamento comercial, em larga escala.

Em conclusão, as tecnologias de biocombustíveis estão evoluindo com muita rapidez, e paradigmas dominantes serão rapidamente superados. A primeira geração recebe muitas críticas, porque a produção atual é dominada por técnicas ineficientes, que permitem vislumbrar pressões sobre os mercados de alimentos e que apresentam problemas ambientais. Mas uma combinação de biologia vegetal, técnicas de captura de carbono e os processos de bioconversão inovadores permitem antever uma nova era de biocombustíveis que não só será abundante, altamente eficiente e limpa, mas que será o melhor instrumento na luta contra a mudança climática.

Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, assessor da Secretaria de Assuntos Estratégicos da Presidência da República e membro do Painel Científico Internacional de Energia Renovável.