Neste artigo, o ganhador do Nobel de Química, dr. Hartmut Michel, explica os motivos de seu ceticismo em relação aos biocombustíveis.
Os combustíveis fósseis, como o petróleo, o carvão e o gás natural, derivam da biomassa de tempos ancestrais. Como tal, são produtos indiretos da fotossíntese. Portanto, é apropriado perguntar se é possível usar a biomassa disponível atualmente e convertê-la em biocombustíveis, como biodiesel e biogás. O bio-hidrogênio pode ser outra opção. Lê-se frequentemente que os biocombustíveis são neutros em CO2 e, portanto, uma arma contra o aquecimento global. Supostamente, a produção deles também reduz o volume de petróleo e gás natural que precisa ser importado em vários países, tornando-os assim menos dependentes da importação de energia. Discuto a seguir as eficiências dos processos necessários para produzir biocombustíveis, comparando-os com alternativas, tirando as conclusões óbvias e apresentando algumas visões.
A eficiência da fotossíntese
Primeiro é preciso discutir a eficiência da fotossíntese e apresentar algumas ideias sobre como aperfeiçoá-la e, consequentemente, aumentar a produção de biomassa. A fotossíntese abrange as chamadas reações luminosas e reações escuras. Nas reações luminosas, a luz é absorvida pelos pigmentos fotossintéticos e a energia é transferida para centros de reação, onde ocorrem a separação primária de cargas e um transporte de elétrons através das membranas. Reações subsequentes de transferência de elétrons e prótons levam à síntese do carreador biológico universal de energia, o ATP, a partir de ADP e fosfato inorgânico, e à redução do NADP+ a NADPH. Nas reações escuras que se seguem, o NADPH e o ATP são usados para retirar dióxido de carbono da atmosfera e utilizá-lo para a síntese de carboidratos.
Os pigmentos fotossintéticos das plantas só podem absorver e usar 47% (em termos de energia) da luz solar (“radiação fotossinteticamente ativa”). As radiações ultravioleta (UV), infravermelha (IV) e de luz verde não são usadas. Em tese, são necessários 8 fótons para reduzir 2 moléculas de NADP+ a NADHP; na realidade, descobriu-se que 9,4 fótons são usados para isso. Conhecendo a energia média dos fótons e a energia armazenada na forma de NADPH, é fácil calcular que apenas 11,8% da energia da luz solar é armazenada na forma de NADPH. Este valor também fica próximo do limite máximo de eficiência da produção fotossintética de bio-hidrogênio.
A fotossíntese é mais eficiente em condições de baixa intensidade de luz. Ocorre saturação já em 20% de luz solar plena, com 80% da luz não sendo utilizada. Muito provavelmente, o que causa essas limitações é o fluxo de elétrons pelos centros de reação fotossintética. Além disso, intensidades altas de luz provocam danos fóticos em uma subunidade proteica central do aparato fotossintético: para reparar seu centro de reação fotossintético II, as plantas substituem a proteína D1 três vezes por hora. 3,5 bilhões de anos de evolução não foram suficientes para desenvolver um mecanismo que evitasse o dano fótico (por luz).
As reações escuras são limitadas por uma insuficiência em discriminar entre o CO2 e o O2 por parte da enzima RuBisCO, que insere o CO2 na ribulose-1,5-bisfosfato. Acredita-se ser necessário um terço da energia dos fótons absorvidos para a remoção do produto da inserção do O2, o 2-fosfoglicolato. A segunda limitação é causada pelo fato de a fotossíntese depender da disponibilidade de volumes suficientes de água, condição esta que não é cumprida durante boa parte do dia.
Como resultado dessas limitações, 4,5% é considerado o limite máximo de eficiência fotossintética em plantas C3. Contudo, o que se observa na realidade são valores em torno de 1%, mesmo em árvores de crescimento rápido como o choupo.
Biocombustíveis
Conhecido o rendimento dos biocombustíveis por hectare, é possível calcular facilmente quanto da energia da luz solar é armazenada nos biocombustíveis. No “biodiesel” alemão, que tem por base a colza, menos de 0,1%; no bioetanol, menos de 0,2%; e no biogás, em torno de 0,3%. Contudo, esses valores nem mesmo levam em conta que mais de 50% da energia armazenada no biocombustível teve de ser investida para a obtenção da biomassa (na produção de fertilizantes e pesticidas, na aragem da terra, no transporte) e para a conversão química no respectivo biocombustível. Normalmente, essa energia deriva de combustíveis fósseis.
A produção e o uso de biocombustíveis, portanto, não são neutros em CO2. O investimento de energia é particularmente alto na produção de bioetanol de trigo ou milho, e alguns cientistas duvidam que haja um ganho líquido de energia. A redução na liberação de CO2 é certamente marginal. O rendimento de combustíveis de segunda geração, onde plantas inteiras são usadas, pode ser dobrado. No entanto, o investimento de energia provavelmente aumenta também. Na produção de biodiesel pelo processo Fischer–Tropsch, por exemplo, é preciso adicionar hidrogênio, porque o gás de síntese obtido da biomassa contém quantidades insuficientes do elemento. Tomada como um todo, a produção de biocombustíveis constitui uma forma extremamente ineficiente de uso da terra. Esta afirmação é verdadeira também para a produção de bioetanol de cana-de-açúcar no Brasil.
A alternativa
As células fotovoltaicas disponíveis comercialmente já possuem uma eficiência de conversão da luz solar superior a 15%, cuja energia elétrica pode ser armazenada em baterias elétricas sem grandes perdas. Isto é cerca de 150 vezes mais do que o armazenamento de energia da luz solar pelos biocombustíveis. Além disso, em um motor elétrico, 80% da energia armazenada na bateria é usada para a propulsão do carro, enquanto em um motor a combustão apenas cerca de 20% da energia da gasolina é transmitida para as rodas. Juntos, esses dois fatos levam à conclusão de que a combinação células fotovoltaicas/bateria elétrica/motor elétrico utiliza a terra disponível 600 vezes melhor do que a combinação biomassa/biocombustíveis/motor a combustão.
Aprimorando a fotossíntese
É óbvio que existe algum espaço para aprimorar as etapas primárias de fotossíntese e de produção de biomassa. Em primeiro lugar, talvez seja possível aumentar o espectro de luz absorvível mediante a modificação dos pigmentos dos complexos de coleta de luz. A absorção de luz verde e ultravioleta (UV) pelos pigmentos poderia contribuir, embora a perspectiva de se ter folhas pretas não seja atraente. De forma mais realista, deve-se tentar alterar a relação dos pigmentos coletores de luz com os centros de reação, reduzindo o número de complexos coletores de luz que afunilam a energia em apenas um centro de reação. Esta manipulação reduziria o fluxo de elétrons pelos centros de reação, assim como o dano fótico e a saturação em condições de alta intensidade de luz. A manipulação genética da RuBisCO visando a aumentar sua capacidade de discriminação entre o CO2 e o O2 é também um objetivo valioso, particularmente à luz da descoberta de que a RuBisCO de algas vermelhas é muito melhor que a RuBisCO vegetal nesse sentido.
A produção de bio-hidrogênio, que atualmente emprega hidrogenases ligadas ao lado redutor do fotossistema I, só será capaz de competir com células fotovoltaicas seguidas pela eletrólise da água se o fotossistema II, que separa a água, puder ser manipulado de forma a produzir hidrogênio diretamente, seja por si mesmo ou por meio de um aceitador intermediário de elétrons com potencial de redução-oxidação (redox) apropriado. A produção de hidrogênio pelo fotossistema II reduziria em mais de 50% o número de fótons necessários. No entanto, essa tarefa de manipulação genética da proteína parece intransponível no presente.
As microalgas foram anunciadas como as candidatas ideais para a produção de biocombustíveis. Muito se alega, infundadamente, sobre a eficiência delas, alegações estas que às vezes excedem os próprios limites teóricos de eficiência fotossintética. Admito que as microalgas possam ser melhores do que as plantas terrestres, devido à ausência de células não fotossintéticas e à disponibilidade contínua de água. Contudo, as vantagens das microalgas serão limitadas pela existência de fotoinibição e uma RuBisCO ruim, juntamente com suas demandas para produção e coleta.
Visões
O aprimoramento da fotossíntese, embora seja meta da maior importância para alcançar segurança alimentar, não pode modificar a superioridade da combinação células fotovoltaicas/bateria elétrica/motor elétrico. A maior limitação deste sistema reside na baixa capacidade de armazenamento das baterias elétricas atuais. Foi com satisfação que li nesta revista um artigo sobre uma bateria de polímero de íon-lítio-enxofre-estanho com capacidade de armazenamento de energia 10 vezes maior do que a das baterias de íon-lítio existentes.[1] Se for possível desenvolver essas baterias em condições de mercado, poder-se-á construir carros com a mesma autonomia dos veículos à base de combustível–motor a combustão disponíveis atualmente. Ao mesmo tempo, tais baterias ajudarão a armazenar energia elétrica. Numa perspectiva visionária, o armazenamento de energia elétrica não seria necessário se cabos de eletricidade supercondutores estivessem disponíveis. Neste caso, um determinado número de campos fotovoltaicos presentes em variados fusos horários pelo mundo – digamos, um no norte da África ou no Kalahari, um na Austrália ou no leste da Ásia, e um no México – conectados por tais cabos e ao consumidor, forneceriam um abastecimento contínuo de energia elétrica.
Recomendações
Devido à baixa eficiência fotossintética e à competição por terra agrícola entre culturas energéticas e culturas alimentares, não devemos cultivar plantas para a produção de biocombustíveis. O cultivo de tais plantas energéticas levará, indubitavelmente, a um aumento nos preços da comida, causando impacto principalmente na população mais pobre. O melhor uso para a biomassa reside na sua conversão em valiosos blocos de construção para a síntese química. O uso da biomassa disponível para fins de calefação ou para geração de eletricidade em estações de energia, substituindo assim aos combustíveis fósseis, é preferível à produção de biocombustíveis.
Os combustíveis poupados podem ser usados para fins de transporte. A derrubada e conversão de florestas tropicais em plantações de palma de óleo é perigosíssima, porque as camadas subjacentes de turfa são oxidadas, e muito mais CO2 é liberado pela oxidação dos materiais orgânicos do solo do que as palmas conseguem fixar. As florestas tropicais têm um papel importante para o clima e constituem um recurso valioso para a obtenção de novos compostos para a descoberta de drogas. Em relação à pegada de carbono, seria ainda melhor reflorestar a terra que é usada para cultivar plantas energéticas, pois com uma eficiência fotossintética de 1%, as árvores em crescimento fixariam em torno de 2,7 kg de CO2 por metro quadrado, enquanto os biocombustíveis, produzidos a uma eficiência líquida de 0,1%, iriam apenas substituir os combustíveis fósseis que liberariam aproximadamente 0,31 kg de CO2 na combustão!
O futuro do nosso transporte individual tem de ser elétrico!
* Este texto foi originalmente publicado como editorial da edição do mês de março da revista científica Angewandte Chemie International Edition: Michel, H. (2012), Editorial: The Nonsense of Biofuels. Link. Angew. Chem. Int. Ed., 51: 2516–2518. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduzido sob permissão.
O prof. Dr. Hartmut Michel é diretor do Instituto Max Planck de Biofísica. Junto com outros dois colegas, ele foi laureado em 1988 com o Prêmio Nobel de Química por sua contribuição em pesquisas relacionadas ao processo de fotossíntese.
[1] J. Hassoun, B. Scrosati, Angew. Chem. 2010, 122, 2421 – 2424; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2371 – 2374
