Laboratório Nacional de Energia Renovável

O Departamento de Energia dos EUA possui 17 centros de pesquisa em energia. Um deles (National Renewable Energy Laboratory – NREL) é totalmente dedicado à geração de energia a partir de fontes renováveis (biomassa, solar, eólica e geotérmica), e está localizado em Golden, estado do Colorado. Durante o mês de março de 2011 estive em visita técnica ao NREL e voltei extremamente impressionado. O que me impressionou? A qualidade dos cientistas, as facilidades (equipamentos, plantas piloto) e o volume de novas tecnologias que estão no pipeline. Muitas delas se transformarão em tecnologias comerciais nos próximos anos e impactarão não apenas os EUA, mas o mundo.

Impossível resumir neste artigo todas as novas tecnologias que me foram apresentadas, e que terão enorme impacto na rotina das empresas e dos cidadãos nos próximos anos. Portanto, vou concentrar os comentários naquelas que afetam diretamente a substituição de combustíveis fósseis, especialmente o óleo diesel.

Produção de Hidrogênio molecular
Muito se especula sobre a era do hidrogênio e as células de combustível substituindo motores e turbinas. O hidrogênio permitiria abastecer o mundo com uma fonte limpa e inesgotável de biocombustível, especialmente quando produzida a partir do hidrogênio contido na água. Porém, o jato de água fria sempre vem do alto custo de obtenção do hidrogênio molecular (H2). Inúmeros grupos de pesquisa ao redor do mundo estão debruçados sobre o tema, buscando fórmulas de produzir hidrogênio em grande quantidade e a baixo custo. O NREL é uma das instituições que investe neste segmento, tendo desenvolvido duas tecnologias muito promissoras.

Produção de Hidrogênio fotoquímico
A primeira tecnlogia envolve conjuntos híbridos compostos de enzimas hidrogenases e pontos quânticos, que abre perspectivas entusiasmantes para o desenvolvimento da próxima geração de materiais fotocatalíticos que permitirão converter água em hidrogênio. Os pontos quânticos são nanopartículas esféricas que possuem propriedades fotofísicas, como a seletividade do substrato e a capacidade de rápida indução de enzimas hidrogenase para aproveitar a luz em reações de produção de hidrogênio (H2).

Os cientistas do NREL descobriram que os pontos quânticos de telureto de cádmio, revestidos por ácidos carboxílicos, facilmente formaram complexos altamente estáveis com a hidrogenase. Estes conjuntos híbridos catalisaram com sucesso a produção de H2, utilizando a energia da luz solar. Aí está a grande inovação, o armazenamento da energia solar (renovável, limpa e barata) em um biocombustível, o hidrogenio.

Vamos comparar o processo desenvolvido no NREL com o que ocorre nas plantas. Durante a fotossíntese, a ferredoxina atua como intermediário para mediar a transferência de elétrons fotoexcitados para a hidrogenase, o que resulta em aproveitamento da radiação solar para a produção de H2. Essa interação da hidrogenase com ferredoxina transfere os elétrons do polo negativo (ferredoxina) para o polo positivo (hidrogenase).

No BioHybrid – nome da tecnologia desenvolvida pelo NREL -  a carga negativa do ponto quântico, revestido com ácido carboxílico, interage com a hidrogenase carregada positivamente, de forma a substituir a ferredoxina como fonte de elétrons para a hidrogenase. Medições ópticas mostraram que a eficiência fotocatalítica varia com a relação ponto quântico / hidrogenase, que atingiu o ponto ótimo na relação 1:1.

Em resumo pontos quânticos revestidos de ácidos carboxílicos e enzimas hidrogenase conjugam-se espontaneamente em complexos fotosensíveis, possibilitando a transferência de elétrons foto-gerados nos pontos quânticos para a hidrogenase, resultando na produção de H2 a partir de água. O desafio agora é demonstrar a sua produção em larga escala e deflagrar o processo de aprendizado para que seus custos se equiparem aos combustíveis fósseis.

Neste particular um grande avanço foi apresentado em 27/3/11, em Anaheim (EUA), por um grupo de cientistas liderado pelo Dr. Daniel Nocera (Massachusetts Institute of Technology – MIT), que desenvolveu uma folha artificial capaz de produzir energia. Durante a 241ª reunião nacional da American Chemical Society, o Dr. Daniel descreveu uma célula solar do tamanho de um baralho de cartas capaz de imitar a fotossíntese, convertendo luz e água em energia.

O equipamento é feito de silício e contém componentes eletrônicos e catalisadores, para acelerar reações químicas. Colocado em um balde com água e sob a luz do Sol, o pequeno aparelho divide a água em hidrogênio e oxigênio, que são transformados novamente em água por meio de células de combustível, uma reação exotérmica de alta intensidade que, ao final, produz eletricidade.

O dispositivo apresentado na Reunião é cerca de dez vezes mais eficiente na fotossíntese do que uma folha normal de uma planta. Ainda assim seriam precisos dezenas ou centenas de dispositivos para produzir a mesma energia que uma árvore, demonstrando que, na prática ainda se está na fase de demonstração de conceito, necessitando evolução tecnológica.

Há uma derivada nesta tecnologia pois, de certa maneira este é o ponto de partida para desenvolver processos de fotossíntese artificial, o que conduziria a um futuro em que as plantas seriam dispensáveis para a produção de alimentos, energia e bioprodutos.

Produção de Hidrogênio biológico
Uma pesquisa do grupo de Bioenergia do NREL desvendou um aspecto obscuro da atuação das hidrogenases em algas, o que pode melhorar a capacidades de produção de H2 por algas verdes. A descoberta é uma interação específica entre a proteína ferredoxina - responsável pelos elétrons redutores durante a fotossíntese - e a enzima hidrogenase denominada HYDA2.

O NREL vem trabalhando na produção de algas verdes com capacidade de produzir hidrogênio há cerca de 15 anos. No início da década passada, a equipe de investigação do NREL descobriu que algas verdes não só codificavam e expressavam a bem conhecida hidrogenase HYDA1-[FeFe], mas também uma segunda hidrogenase (HYDA2 [FeFe]). Embora tenha sido possível demonstrar, à época, que a HYDA2 produzia biohidrogênio in vitro, seu papel no metabolismo biológico permaneceu desconhecido.

Recentemente, cientistas do NREL detectaram uma interação concreta entre a hidrogenase HYDA2 e a ferredoxina, a proteína responsável pelo transporte de elétrons redutores para o catalisador da produção de hidrogênio. Isto foi conseguido através de um teste denominado “Yeast Two-Hybrid Assay” que detecta fortes interações entre dois conjuntos de proteínas (que atuam como atratoras e atraídas), e foi confirmado por testes específicos usando meios de crescimento seletivos. Através destes testes comprovou-se a ação da segunda hidrogenase na produçào de hidrogênio pelas algas.

Esta pesquisa é um passo importante para entender as rotas metabólicas que as algas usam para produzir hidrogênio. Na prática significa que, por um lado será possível selecionar mais rapidamente as algas com mais alta capacidade de produção de biohidrogenio; por outro lado permite engenheirar novas cepas de algas, partindo de espécies altamente produtivas e incorporando a característica de mais alta produção de hidrogênio.

Algas energéticas
Já que estamos falando de algas, um dos estudos que me impressionou é o avanço no cultivo de algas para gerar energia. Entre 1978 e 1996, o NREL estudou 3.000 cepas de algas e 50 delas atraíram a atenção dos cientistas pelo potencial de produção de biocombustíveis. Em 1996, o preço do petróleo chegou ao fundo do poço (US$ 20/barril) e o custo estimado de óleo de algas na época era cerca de US$ 80/barril. Como a falta de visão de futuro não é prerrogativa brasileira, o Governo americano parou de financiar o programa!

Saltemos 20 anos no tempo. Em 2007 foi aprovada a Lei de Independência e Segurança Energética (EISA), exigindo que os EUA consumam quase 140 bilhões de litros de biocombustíveis anuais, a partir de 2022. Devido à sua pesquisa passada, em pouco tempo a equipe do NREL garantiu US$ 8 milhões em financiamento para retomar o estudo com algas. Atualmente, já são 400 diferentes cepas de algas sendo cultivadas em ambientes diferentes - de água doce a salobra - com o objetivo de produzir substitutos do diesel e da gasolina. A prioridade máxima, no momento, é compreender a biologia dos organismos, para poder desenvolver sistemas de produção na escala de milhões de toneladas.

Os cientistas escolheram uma espécie de alga, Chlorella vulgaris, como organismo modelo porque ela cresce rapidamente e produz alta quantidade de óleo. Um dos estudos mais desafiadores é o desenvolvimento de um processo para extrair o óleo das células de algas, para produzir o biodiesel. A tecnologia convencional usa um solvente que, no entanto, é pouco eficiente. Os cientistas estão buscando enzimas que tenham a capacidade de degradar a parede celular, permitindo o acesso de solventes para extrair o óleo de forma mais eficiente.

Se uma enzima capaz de quebrar a parede celular for identificada, será possível isolar o gene e introduzi-lo no DNA de algas para a produção de enzimas que seriam ativadas pouco antes da colheita. Mas esta inovação não se resume ao cultivo de algas. Descoberta a enzima e a forma de controle de sua ativação, os genes responsáveis pelo controle do processo podem ser transferidos para qualquer planta com alta capacidade de produção de massa celulósica. Uma vez colhida a planta, a enzima seria ativada, desdobrando a celulose para açúcares primários, que podem ser fermentados a biocombustíveis de forma rápida, simples e com baixo custo.

Modelo de simulação de reações bioquímicas in vivo
Cientistas do NREL, usando ferramentas computacionais avançadas (Advanced Computing SciDAC Program), desenvolveram um modelo que simula o metabolismo do carbono nos organismos eucarióticos (todos os seres vivos com células contendo um núcleo, que abriga o DNA). O modelo demonstrou alta fidedignidade com as rotas bioquímicas observadas em organismos vivos, durante o processo de validação do modelo.

Para obter modelos preditivos de engenharia metabólica que sejam altamente confiáveis, é necessário ir além de pequenos modelos canônicos atualmente disponíveis. O modelo desenvolvido é realista, e permitiu descrever sistemas dinâmicos de redes bioquímicas celulares em larga escala, ou seja, com condições de difícil controle, diferente das observações em tubos de ensaio ou placas de Petri.

O modelo do NREL compreende 149 substâncias químicas complexas e 65 enzimas. Permite utilizar 688 diferentes parâmetros e simular 114 reações, que descrevem as principais vias da glicólise, do ciclo dos ácidos carboxílicos, da redução da pentose fosfato, da fosforilação oxididativa, da degradação do amido e da fermentação, permitindo quantificar toda a complexidade das equações cinéticas das reações químicas.

Qual a importância prática deste modelo matemático? A partir das simulações que são possíveis somente em computadores de altíssimo desempenho, poder-se-á otimizar todo o ciclo de produção de energia de biomassa, desde a identificação de organismos vivos com alta capacidade de acúmulo de reservas energéticas por unidade de tempo e unidade de área, até os processos industriais de desconstrução de moléculas complexas para biocombustíveis de uso corrente. Ou seja, surge a possibilidade prática de identificação de novas matérias primas altamente eficientes e da otimização dos processos industriais de produção de biocombustíveis.

Em uma visão mais futurística, porém perfeitamente factível, o modelo pode auxiliar no “desenho” em computador de organismos otimizados tanto para a produçào de energia, quanto para a transformação de substâncias acumuladas como reservas em biocombustíveis, através de ferramentas de biologia molecular.

Caminhão híbrido gasolina/eletricidade
Já existem diversos modelos de automóveis híbridos sendo vendidos em escala comercial. Agora estamos ingressando na era dos veículos de transporte de carga híbridos, o que significa a primeira etapa para atingir caminhões exclusivamente elétricos.

O NREL participou da avaliação da tecnologia híbrida em caminhões de entrega de encomendas operados pela FedEx Express, na cidade de Los Angeles, Califórnia. A FedEx Express tem uma grande frota comercial que opera mais de 30.000 veículos e, recentemente, incorporou veículos híbridos elétrico e diesel ou elétrico e gasolina. O objetivo da incorporação à sua frota foi atender a severa legislação ambiental da Califórnia, em especial no que concerne às emissões de gases de efeito estufa (GEE).

O NREL analisou os resultados relativos ao consumo de combustível, aos custos de manutenção e às emissões de GEE em operação real de campo, bem como os resultados dos testes de dinamômetro comparados com um caminhão similar movido a diesel. Uma foto do caminhão híbrido de teste é apresentada na Figura 1.


Figura 1. Veículo híbrido gasolina/eletricidade testado pelo NREL.

Os resultados mostraram que as emissões de gases no escapamento do veículo híbrido foram substancialmente mais baixas nas três repetições do teste, quando comparados com as emissões do veículo de referência a diesel. O veículo híbrido apresentou emissões 75-89% mais baixas de óxidos de nitrogênio (NOx), além de 99% menos particulados.

O consumo de combustível, medido em laboratório, usando como parâmetro o consumo de energia em termos de diesel equivalente, foi semelhante entre o veículo híbrido (3,1 - 4,9 km/L) e dos veículos a diesel (2,6 - 5,0 km/L). Já no ciclo de condução mais intensa, cineticamente testados em laboratório, o híbrido apresentou uma economia de combustível 21% superior ao diesel.

Entretanto, não foram observadas diferenças no consumo de combustível (medido em diesel equivalente) em condições de estrada entre o veículo híbrido elétrico/diesel (3,2 km/L) e o diesel puro (3,4 km/L). O custo de manutenção também foi semelhante para os dois tipos de veículos, sendo de aproximadamente R$1,00/km rodado.

Os resultados do consumo de combustível são animadores, considerando que os motores a gasolina apresentam consumo de combustível mais alto que os motores diesel. Em conclusão, consumindo a mesma energia e com o mesmo custo de manutenção, os caminhões híbridos diminuem drasticamente as emissões de GEE, o que deve levar a Fed Express a promover a substituição progressiva de sua frota na Califórnia. Conforme o custo de aquisição se aproxime dos veículos convencionais, a substituição deve se estender a outros estados e influenciar a decisão de compra de outros transportadores. Considerando o ganho de escala, quando isto ocorrer, o mundo inteiro será impactado.

Décio Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja.