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2ª Conferência da REDE de Língua Portuguesa de Avaliação de Impactos 1° Congresso Brasileiro de Avaliação de Impacto

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Associação Brasileira de Avaliação de Impacto

1 Este trabalho foi recebido pela Comissão Cientifica e pertence aos anais do Congresso.

O conteúdo do trabalho é de inteira responsabilidade do autor.

AVALIAÇÃO DO IMPACTO AMBIENTAL DO CICLO DE VIDA DO BIODIESEL

PRODUZIDO POR DIFERENTES PROCESSOS

Thaís Baêta Costa Barbosa1, Camila Costa de Amorim2

1 - Especialista em Saneamento e Meio Ambiente – Controle Ambiental na Indústria. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais. E-mail: [email protected].

2 - Professora Adjunta. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais. Av. Antônio Carlos, 6627 – Pampulha – BH-MG. 31.270-901. E-mail: [email protected]; Tel: +55 31 3409-3677; Fax: +55 31 3409-1879.

RESUMO

A Análise do Ciclo de Vida (ACV) é uma importante ferramenta utilizada para análise de impactos ambientais de um produto, serviço ou processo. Essa análise é feita levando em consideração os limites do sistema definidos pela metodologia do estudo, podendo este ser desde a extração da matéria-prima até a disposição final do produto. O Biodiesel é um biocombustível renovável, não tóxico e praticamente livre de compostos aromáticos e de enxofre. Ele representa hoje uma alternativa energética sustentável quando comparado aos combustíveis fósseis. No Brasil, já existem leis que obrigam a adição de 5 a 20 % de biodiesel ao diesel de petróleo, com forte tendência de aumento dessa dosagem. Neste trabalho foi realizada uma análise comparativa do impacto ambiental da produção do biodiesel por diferentes processos, através de dados obtidos em ACV realizadas com a utilização de óleos vegetais virgens e usados, diferentes solventes (metanol e etanol) e diferentes catalisadores (ácidos e alcalinos). O objetivo dessa pesquisa foi avaliar qual processo produtivo representa o menor impacto ambiental em todo ciclo de vida desse biocombustível. Foram consideradas quatro categorias de impacto: saúde humana, qualidade do ecossistema, mudanças climáticas e recursos naturais. Os resultados encontrados demonstraram que o metanol é o álcool mais utilizado na produção de biodiesel por ser mais barato, porém observou-se que os processos produtivos que usaram esse solvente geraram maiores impactos ambientais do que os processos que utilizaram o etanol. Dentre os diferentes catalisadores usados, o processo que demonstrou os menores impactos ambientais a partir de óleos virgens foi o de catálise alcalina com NaOH. Já entre os óleos usados, o processo de metanol supercrítico usando propano como co-solvente foi o melhor no aspecto ambiental.

Palavras-Chave: Biodiesel, Avaliação de Impactos Ambientais, Análise de Ciclo de Vida. ABSTRACT

Life Cycle Assessment (LCA) is used for evaluate the environmental impacts of a product, a service or a process. This analysis is made taking into account the system limits defined by the methodology of the study, which may be from the extraction of raw materials to the final disposal of the product. Biodiesel is a biofuel renewable, non-toxic and substantially free of aromatics and sulfur. It is an alternative ofsustainable energy when compared to fossil fuels. In Brazil, there are laws that require the addition of 5 to 20% of biodiesel to petroleum diesel, and the tendency is to increase this dosage. This study made a comparative analysis of the environmental impact of the production of biodiesel using different processes, with data obtained in other studies of LCA using vegetable oil and waste cooking oil, different solvents (methanol and ethanol) and different catalysts (acidic and alkaline). The aim of this study was to evaluate the production process which represents the lowest environmental impact

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throughout the life cycle of this biofuel. Were considered four categories of impact: human health, ecosystem quality, climate change and resources. The results showed that methanol is most used in biodiesel production because is cheaper, but it was observed that the production processes that used this solvent generated more environmental impacts than the processes that used ethanol. Among the different catalysts, the process that demonstrated the lowest environmental impacts from virgin oils was the alkaline catalysis with NaOH. Evaluating the process from waste cooking oils, the supercritical methanol using propane as co-solvent was the process with lowest environmental impacts.

Key-Words: Biodiesel, Environmental Impact Assessment, Life Cycle Assessment. INTRODUÇÃO

A maior parte de toda a energia consumida no mundo provém do petróleo, uma fonte limitada, finita e não renovável. A cada ano que passa, aumenta o consumo de combustíveis derivados do petróleo e, consequentemente, aumentam os impactos ambientais associados à utilização de fontes de energia não renováveis (FERRARI et al., 2005; OLIVEIRA et al., 2008 apud SANTOS & PINTO, 2009). Cada vez mais se têm buscado soluções para minimização desses impactos e nesse contexto surgiram os biocombustíveis.

Os biocombustíveis são combustíveis obtidos a partir de energias renováveis e tem sido cada vem mais destacado na discussão mundial sobre recursos energéticos, como é o caso do biodiesel. Definido pela Lei 11.097/05 (BRASIL, 2005), o biodiesel é um “Biocombustível derivado de biomassa renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil”.

A produção do biodiesel como qualquer outro processo produtivo gera impactos no meio ambiente, porém existem processos que são menos impactantes que outros. O processo produtivo do biodiesel é comumente feito através da transesterificação (Figura 1). Esse processo consiste em uma reação entre um triglicerídeo com um álcool na presença de um catalisador, formando o biodiesel propriamente dito que é um éster alquílico e o glicerol (ou glicerina). Essa reação reduz a alta viscosidade dos óleos vegetais, impedindo a formação de incrustações nos motores quando se utiliza o biodiesel, permitindo assim, que esse biocombustível formado possa ser usado em motores diesel sem prejudicar o sistema (KNOTHE, et al., 2006).

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FIGURA 1 Reação de Transesterificação Fonte: Adaptado de KNOTHE et al., 2006.

O triglicerídeo usado na transesterificação pode ser de origem vegetal, a partir de óleos vegetais; ou de origem animal como sebo bovino, banha de porco e gordura de frango, além de óleos de peixes; e até mesmo a partir de resíduos oleosos compostos de óleos usados de fritura (VARANDA, et al., 2011). Segundo Phan & Phan (2008), o preço do óleo vegetal virgem pode inviabilizar o uso do mesmo na produção de biodiesel, já que este aumenta o valor da produção em até 1,5 vezes quando comparado com a produção de diesel de petróleo. Por isso é comum o uso de óleos usados de fritura na produção do biodiesel, que além de reduzir os gastos no processo, ainda é ecologicamente mais viável, pois reduz os óleos que seriam tratados como resíduos.

Uma desvantagem dos óleos usados de fritura é que possuem muitos ácidos graxos livres (AGL). Esses AGL, em contato com catalisadores alcalinos reagem formando sabão e água. Além dessa reação consumir o catalisador, também forma uma emulsão que torna ainda mais difícil a recuperação e purificação do biodiesel. Uma solução para esse problema é o pré-tratamento ácido que pode ser feito com o óleo usado para redução dos AGL. Em contato com o catalisador ácido esses AGL são convertidos em ésteres metílicos (MORAIS,

et al., 2010).

O álcool usado na reação de transesterificação também pode variar. Os mais usados são o metanol e o etanol. Normalmente o metanol tem vantagens sobe o etanol por ser mais barato, dependendo da disponibilidade desse insumo, além de que o etanol exige uma maior temperatura para que ocorra a reação, o que pode implicar em maiores gastos e inviabilização do projeto (KNOTHE et al., 2006).

Os catalisadores variam podendo ser ácidos, alcalinos, enzimáticos ou heterogêneos. Os catalisadores alcalinos, mais utilizados na indústria, operam em baixas temperaturas e tem um tempo de reação menor que os catalisadores ácidos. Os mais utilizados são o KOH (hidróxido de potássio) e o NaOH (hidróxido de sódio). Uma desvantagem desses catalisadores é que eles fazem com que a reação fique sensível ao conteúdo de AGL e água, uma vez que a presença desses leva à formação de sabão.

Diferente dos alcalinos, os catalisadores ácidos não apresentam o risco de geração de sabão na presença de água. Quando comparada com a catálise alcalina, a catálise ácida requer maior concentração de reagentes e catalisadores, além de maiores temperaturas. Outra desvantagem desses catalisadores é o seu resíduo, que corrói metais, tendo que ser removido completamente do produto final. Os mais utilizados são H2SO4 (ácido sulfúrico) e

HCl (ácido clorídrico).

A reação de transesterificação também pode ocorrer sem a presença de um catalisador. A vantagem é não ter que adicionar nem remover o mesmo, eliminando uma etapa de lavagem. Porém a temperatura, pressão e concentração dos reagentes tem que ser muito alta, tornando difícil esse processo em escala industrial (KNOTHE, et al., 2006). É comum

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também, quando acontece a transesterificação sem a presença de um catalisador, adicionar um co-solvente à reação. Os co-solventes aceleram a velocidade da reação, uma vez que aumentam a solubilidade dos álcoois no óleo vegetal. Um co-solvente muito utilizado é o propano (MORAIS et al., 2010).

O Brasil se destaca no mercado mundial de biodiesel, pois além de ser o segundo maior produtor do mundo (perdendo apenas para a Alemanha), em 2011, foi o principal mercado consumidor de biodiesel. Esse fato ocorreu em função do crescimento da demanda doméstica e da pequena redução do consumo de biodiesel na Alemanha. De acordo com o boletim de fevereiro de 2012 (ANP, 2012), atualmente existem 65 usinas produtoras de biodiesel autorizadas pela própria ANP para operação no país, correspondendo a uma capacidade total autorizada de 19.397,95 m3/dia de biodiesel.

Para a análise dos impactos ambientais dos diferentes processos produtivos de biodiesel no presente estudo, escolheu-se usar a ferramenta Análise de Ciclo de Vida (ACV). De acordo com Chehebe (1997), os primeiros estudos sobre ACV surgiram no final da década de 60 durante a primeira crise do petróleo que causou uma crise econômica mundial e gerou uma preocupação de buscar por novas fontes de energia. O precursor da ACV foi o REPA (Resource and Environmental Profile Analysis) que, em 1965, avaliou os diferentes tipos de embalagens de refrigerante usados na época. Com o resultado desse estudo, esperava-se encontrar a embalagem com os índices mais adequados de emissão para o meio ambiente e melhor desempenho quanto aos recursos naturais. Mas só em 1991, surgiu a Análise do Ciclo de Vida (ACV) propriamente dita, ou em inglês, Life Cycle Assessment (LCA); termo que, de acordo com Hunt & Franklin (1996) apud Ferreira (2004), foi utilizado primeiramente nos Estados Unidos da América (EUA) em 1990.

Em 2009, no Brasil, criou-se a norma NBR ISO 14040/2009 (ABNT, 2009) que define a ACV como uma técnica para avaliar aspectos ambientais e impactos potenciais associados a um produto ao longo de sua vida (isto é, do “berço ao túmulo”), desde a aquisição da matéria-prima, passando por produção, uso e disposição. As categorias gerais de impactos ambientais que necessitam ser consideradas incluem o uso de recursos naturais, a saúde humana e as consequências ecológicas. A metodologia de uma ACV resume-se em: compilação de um inventário de entradas e saídas pertinentes de um sistema de produto, processo ou serviço; avaliação dos impactos ambientais potenciais associados a essas entradas e saídas e interpretação dos resultados das fases de análise de inventário e de avaliação de impactos em relação aos objetivos dos estudos.

DESENVOLVIMENTO

Para a realização dessa pesquisa foram selecionados trabalhos em que se avaliou o ciclo de vida do biodiesel produzido através de diferentes processos com diferentes matérias-primas, solventes e catalisadores, com foco na avaliação do impacto ambiental. Para análise dos resultados foram utilizados dois estudos de ACV realizados em Portugal (Varanda et al., 2011, Morais et al., 2010) onde foram comparados as seguintes matérias-primas e insumos: óleo de palma e óleo de fritura usado, metanol e etanol e catalisadores ácidos e alcalinos. Os processos escolhidos para esta análise são descritos na tabela a seguir (Tabela 1).

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Os processos produtivos estudados pelos autores Varanda, et al. (2011) estão representados neste estudo por algarismos romanos (I, II, III, IV. V e VI). Já os processos produtivos estudados pelos autores Morais, et al. (2010) estão representados por algarismos arábicos (1, 2 e 3). Essa diferenciação ocorre apenas para melhor visualização dos dados dos processos produtivos e consequente otimização do estudo. Esses processos foram simulados pelos autores utilizando um programa de simulação de reatores químicos, chamado ASPEN Plus. Os dados de inventário para energias, material de produção, transporte e tratamento de resíduos foram obtidos do banco de dados do site Ecoinvent, assumindo o cenário europeu.

O limite do sistema para a realização dessa ACV foi o processo produtivo e as diferentes matérias-primas utilizadas. Não foram consideradas etapas como a construção da usina, a distribuição e o uso do biodiesel, além das emissões de poluentes do seu uso (Figura 2).

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Figura 2 - Fluxograma do ciclo de vida do biodiesel e o limite da ACV considerada neste

estudo

A análise dos resultados do inventário do ciclo de vida, etapa posterior à coleta dos dados foi feita utilizando a metodologia de avaliação de impacto IMPACT 2002+ (JOLLIET, et al., 2003). De acordo com essa metodologia os resultados do inventário do ciclo de vida são agrupados em categorias de impacto em nível de ponto médio, também chamada de categorias de ponto médio. Essas categorias são caracterizadas por impactos ambientais que contribuem para a mesma categoria de dano (ou categoria de impacto). A seguir, na Figura 3, é apresentado um esquema com as categorias de impacto avaliadas nessa metodologia.

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Fig 3 Categorias de impactos de acordo com a metodologia Impact 2002+. Fonte: Adaptado de JOLLIET, et al, 2003.

Para a avaliação do impacto ambiental devido a utilização de diferentes solventes (metanol ou etanol) e catalisadores (NaOH e KOH) na produção do biodiesel com óleos vegetais virgens, os processos de números I a IV (Tabela 1) foram comparados. Na simulação destes processos a mesma quantidade de eletricidade (2.138 kW) foi utilizada. Os dados do inventário são apresentados nas tabelas a seguir (Tabela 2 e 3).

Tabela 2 – Dados dos processos de transesterificação alcalina utilizando NaOH como

catalisador

Fonte: Dados de VARANDA, et al., 2011

Tabela 3 – Dados dos processos de transesterificação alcalina utilizando KOH como

catalisador

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Pode-se observar que quando o NaOH é utilizado como catalisador, existe um subproduto, o fosfato de sódio (Na3PO4), que é considerado resíduo por não poder ser reaproveitado após

o processo de produção do biodiesel, com uma geração de 3.832 kg/h o que representa 0,41 a 0,43% do total de biodiesel produzido, considerando a utilização do etanol ou do metanol, apesar de não haver diferença na quantidade gerada desse resíduo quando há mudança no solvente utilizado. Entretanto, a diferença no percentual se dá pela diferença na quantidade de biodiesel produzido que é maior no caso da utilização do etanol. Entre os processos que utilizam o catalisador KOH, apesar do fosfato de sódio não ser produzido, existe a produção de um subproduto, o fosfato de potássio (K3PO4), que pode ser

reaproveitado como fertilizante e por isso não foi considerado resíduo, no estudo utilizado como referência.

Considerando a densidade do biodiesel, a 15ºC, como um valor médio de 880 kg/m3 (KNOTHE, 2006), estima-se que para cada 1000L de são necessários, aproximadamente, 172 kg de etanol, tanto para os processos que utilizaram o KOH como catalisador, quanto para os processos que utilizaram o NaOH. No caso do metanol, para a produção de 1000L de biodiesel são necessários, aproximadamente, 125 kg desse álcool. Sendo assim, observa-se que é necessária uma maior quantidade de etanol quando comparado com a quantidade de metanol para produção da mesma quantidade de biodiesel.

A partir desse fato e considerando que o metanol costuma ser mais barato que o etanol, pode-se dizer que, sob o ponto de vista técnico e econômico, a reação via metanol é mais vantajosa que a reação via etanol. Já sob o ponto de vista ambiental, o uso do etanol leva vantagem sobre o uso do metanol, já que esse álcool é produzido a partir de biomassa e o metanol é comumente produzido a partir de combustíveis fósseis além disso, esse insumo é conhecidamente tóxico elevando o impacto ambiental potencial da sua utilização. Porém, segundo Parente (2003), é importante considerar as rotas de produção de metanol a partir de biomassa vegetal, o que pode eliminar essa desvantagem ecológica. Entretanto, vale ressaltar a elevada capacidade do Brasil na produção de etanol o que pode aumentar as vantagens competitivas desse insumo.

Quando se considera as categorias em conjunto de impacto ambientais selecionadas, utilizando a metodologia IMPACT 2002+, o processo que utiliza NaOH e etanol é menos impactante. Os resultados apontaram que os processos podem ser classificados do menos impactante para o mais impactante, da seguinte maneira: processo com etanol e NaOH (processo IV) < processo com metanol e NaOH (processo I) < processo com etanol e KOH (processo III) < processo com metanol e KOH (processo II). Pode-se observar que, entre as categorias de impacto consideradas no estudo, o uso do metanol elevou o potencial de impacto ambiental em comparação com o uso do etanol.

Para avaliar o impacto ambiental da produção do biodiesel a partir de óleos usados de fritura foram analisados os processos 1, 2 e 3 (vide Tabela 1) estudados pelos autores Morais, et

al. (2010). Os dados das entradas e saídas do sistema para efeito de análise de inventário

são apresentados nas tabelas a seguir (Tabela 4), em kg por tonelada de biodiesel produzido.

Tabela 4 - Entradas e Saídas no sistema nos processos de produção de biodiesel a partir de

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Fonte: MORAIS, et al., 2010

Observou-se que, para a mesma quantidade de biodiesel produzido, o processo do metanol supercrítico precisou de menor quantidade de óleo usado e de solvente (metanol), além de não precisar de nenhum catalisador, apenas uma pequena quantidade de propano. Além disso, ele também não gerou nenhum tipo de resíduos líquidos perigosos ou sais. Já os outros dois processos geraram os dois tipos de resíduos, fazendo com que fosse necessária uma etapa de tratamento de efluentes. Outra vantagem do processo de metanol supercrítico, segundo Kiwjaroun, et al. (2009), é que o mesmo não é sensível a presença de água e de AGL, sendo assim, não é necessária uma etapa de pré-tratamento como foi feito no caso do processo 1 (catálise alcalina).

Assim, considerando as categorias de impactos ambientais selecionadas o processo de metanol supercrítico foi o mais indicado, pois embora gaste mais energia que os outros para que ocorra a reação, as etapas de recuperação de metanol e purificação dos produtos são muito mais simples, permitindo uma redução na energia total consumida em comparação com os outros processos.

E finalmente, para comparar o uso de óleos vegetais virgens com o uso de óleos usados de fritura foram analisados os processos I, V e VI (vide Tabela 1) dos estudos de Varanda, et

al. (2011). As tabelas a seguir (Tabela 5 e 6) apresentam a quantidade de reagentes,

produtos e resíduos de cada um dos três processos avaliados.

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Fonte: VARANDA, et al., 2011

Tabela 6 - Quantidade de produtos e resíduos gerados pelas reações I, V e VI

Fonte: VARANDA, et al., 2011

A quantidade de biodiesel e glicerol produzidos foi praticamente a mesma nos processos I e VI que tiveram a mesma quantidade de óleos como matéria-prima. Pode-se observar também que o processo V foi o que teve a menor quantidade de resíduo (água + metanol). Quando são utilizados óleos vegetais virgens, os maiores impactos ambientais são na saúde humana, e quando são utilizados os óleos usados de fritura, existe um impacto ambiental positivo sobre a diminuição da depleção dos recursos naturais. O processo menos impactante, dentre os que utilizaram óleos usados como reagentes, foi o processo V, com pré-tratamento ácido e catálise alcalina com NaOH.

É importante destacar a elevada produção de glicerina durante o processo de produção do biodiesel, considerando que esta é produzida em todos os processos de transesterificação, sendo gerada na proporção de aproximadamente 10% do total de biodiesel produzido. No Brasil foram produzidos cerca de 2,4 milhões de m3 de biodiesel em 2010 (ANP, 2012), o que equivale a aproximadamente 2.112 milhões de kg de biodiesel, o que segundo os dados obtidos, pode corresponder a 211,2 milhões de kg de glicerina. Desse modo apesar da variedade de utilização desse subproduto (produção de sabão, tintas, adesivos, produtos farmacêuticos e/ou têxteis); é importante estar atento ao excesso desse insumo no mercado brasileiro e/ou internacional.

CONCLUSÕES

Para uma análise de ciclo de vida eficiente devem-se levar em consideração os limites do sistema e as categorias de impacto avaliadas. Fazendo essa análise, deve-se ainda levar em consideração os aspectos geográficos do local como as condições climáticas e disponibilidade de matérias-primas, além do preço dos reagentes disponíveis para que se possa escolher o melhor processo e as melhores matérias-primas a serem utilizadas.

Utilizando como matéria-prima óleos vegetais virgens, observou-se que o processo no qual foi realizada uma catálise alcalina com NaOH como catalisador, utilizando o etanol como solvente foi o processo com menor impacto ambiental associado considerando as categorias de: saúde humana, qualidade do ecossistema, alterações climáticas e recursos naturais. Já entre os processos que utilizaram óleos usados de fritura, o processo utilizando metanol supercrítico e propano como co-solvente foi o mais eficiente, principalmente nas categorias de impacto de saúde humana e qualidade do ecossistema, entretanto pode ser um processo mais dispendioso, quando comparado com os processos de transesterificação.

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Dentre esses, utilizando óleos de fritura usados, a transesterificação alcalina com pré-tratamento ácido foi o processo que apresentou menor impacto ambiental associado.

Concluiu-se também que os óleos usados de fritura são melhores para o meio ambiente na produção de biodiesel, uma vez que contribuem com a não depleção de recursos naturais e também com a não poluição dos solos e águas já que esses seriam tratados como resíduos, caso não fossem reaproveitados para a produção de biodiesel. Além disso, eles reduzem significantemente o valor do processo produtivo, podendo assim reduzir o preço do biodiesel para consumo. Entretanto é importante lembrar das dificuldades existentes de logística reversa desse resíduo o que pode inviabilizar seu uso como matéria-prima nas grandes usinas produtoras de biodiesel.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Pró-Reitoria de Pesquisa da UFMG e à FAPEMIG pelo apoio financeiro.

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