Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
Pablo de Freitas Hernandez
Estimação de primeira ordem dos custos da
descarbonização atmosférica e a contribuição da
cana-energia brasileira para a mitigação das
mudanças climáticas
Campinas
2019
Pablo de Freitas Hernandez
Estimação de primeira ordem dos custos da
descarbonização atmosférica e a contribuição da
cana-energia brasileira para a mitigação das
mudanças climáticas
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, na Área de Telecomunicações e Telemática.
Orientador: Dalton Soares Arantes
Este trabalho corresponde à versão final da dissertação defendida pelo aluno Pablo de Freitas Hernandez e orientada pelo Prof. Dr. Dalton Soares Arantes.
Campinas
2019
COMISSÃO JULGADORA – DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Candidato: Pablo de Freitas Hernandez - RA: 190751 Data da Defesa: 29 de julho de 2019
Título da Dissertação: “Estimação de primeira ordem dos custos da
descarbonização atmosférica e a contribuição da cana-energia brasileira para a mitigação das mudanças climáticas”
Prof. Dr. Dalton Soares Arantes (Presidente, FEEC/UNICAMP) Dr. Leandro Vieira dos Santos (CTBE/CNPEM)
Prof. Dr. Luiz Carlos Kretly (FEEC/UNICAMP)
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão Julgadora, encontra-se no SIGA (Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese) e na Secretaria de Pós-Graduação da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
Dedico este trabalho a Laís Castro de Carvalho, Kayol Soares Mayer e Jonathan Aguiar Soares,
amigos e colegas que me ajudaram
decisivamente para que esta dissertação se tornasse realidade. Dedico-o também às pessoas que sempre estiveram ao meu lado: meus pais Hugo Enrique Hernandez Figueroa e Marli de Freitas Gomes Hernandez, minha irmã Aline de Freitas Hernandez e Jonatas Coghetto, por toda paciência, compreensão e apoio.
AGRADECIMENTOS
Agradeço inicialmente aos amigos e colegas que me apoiaram no desenvolvimento desta dissertação, com inestimáveis conselhos, críticas e incentivos que me ajudaram em meu crescimento pessoal e profissional.
Aos meus pais, irmã e ao Jonatas Coghetto, pelo amor, incentivo е apoio incondicional que favoreceram a progressão da minha jornada no programa de mestrado, assim como nos momentos mais críticos de minha vida.
Ao meu orientador e amigo, Prof. Dr. Dalton Soares Arantes, por todo apoio e paciência ao longo da elaboração desta dissertação.
Ao Dr. Leandro Vieira dos Santos, Prof. Dr. Luiz Carlos Kretly, Profa. Dra. Cecília Sosa Arias Peixoto e Prof. Dr. Yuzo Iano pela participação na banca examinadora e pelas excelentes sugestões para o aprimoramento da versão final desta dissertação.
Ao Departamento de Telecomunicações e à FEEC-UNICAMP, por terem acreditado em meu trabalho e me apoiado no desenvolvimento desta dissertação.
À Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP, pela grande oportunidade em realizar este curso de mestrado.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
RESUMO
Apresenta-se aqui uma estimação de primeira ordem dos custos da remoção do excesso de carbono atmosférico terrestre, quer seja usando as recentes máquinas artificiais de captura de CO2 ou a fotossíntese no cultivo da cana energia. Enfatiza-se a expressiva contribuição que o Brasil pode oferecer para a mitigação das mudanças climáticas, visto que o país ocupa uma posição singular e invejável no cenário mundial, por já apresentar um histórico de sucesso econômico e social no desenvolvimento do bioetanol, da bioeletricidade e de outros importantes derivados da cana de açúcar. O desenvolvimento de alternativas economicamente e ambientalmente sustentáveis, em relação aos combustíveis fósseis, vem se tornando irreversível no cenário internacional, impulsionando o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e de menor impacto ao meio ambiente. Nesse contexto, o bioetanol produzido em grande escala no Brasil desde 1975, impulsionado pelo Programa do Proálcool, foi ressignificado nos últimos anos por se enquadrar como fonte de energia limpa, sustentável, renovável, ambientalmente correta, economicamente viável e socialmente impactante. Além disso, a quebra de paradigmas tecnológicos na indústria automobilística, recentemente rejuvenescida com a produção de carros flexíveis híbridos, elétricos e movidos por células a combustível, pode levar o Brasil a liderar um novo ciclo de expansão nessa área. Por exemplo, o estímulo ao uso da propulsão híbrida flexível em máquinas agrícolas e em veículos de transporte pesado, pode levar a ganhos econômicos expressivos e colaborar para baixar ainda mais a pegada de carbono dos derivados da cana de açúcar, levando-a a valores próximos de zero. Considerando essas grandes janelas de oportunidades para o país, enfatiza-se aqui a importância do planejamento estratégico da cadeia produtiva da bioenergia a partir da cana de açúcar, demostrando o potencial de crescimento deste segmento e sua eficácia na geração de energia e no combate ao aquecimento global.
Palavras-chave: Mudanças climáticas; Sequestro de carbono; Energia Limpa; Etanol;
ABSTRACT
This dissertation addresses a first-order cost estimation procedure for removing the excess of the atmospheric carbon dioxide, either by means of artificial machines for carbon capture or by means of photosynthesis from energy cane cultivation. Also emphasized is the significant contribution that Brazil can offer to mitigate climate changes, since the country occupies an outstanding position in the global scenario for its technology assets on bioethanol, bioelectricity and other important sugarcane derivatives. The development of economically and environmentally sustainable alternatives, in comparison with fossil fuels, have become irreversible in the international scenario, boosting the development of technologies with increased efficiency and minimum impact to the environment. In this context, the Brazilian bioethanol, produced in large scale since 1975, has been reframed in the last years in view of its efficient use as an energy source which is sustainable, renewable, and socially impacting. Besides, a technological paradigm shift in the automotive industry, which has recently been renewed by the production of flex hybrid, electric and e-bio cell fuel powered cars, may further contribute to the Brazilian leadership in a novel expansion cycle in flex hybrid vehicles. For instance, the use of flex hybrid propulsion in agricultural machines and in heavy transportation vehicles may lead to significant economic gains and help to further decrease the carbon footprint of sugar-cane derivatives. Considering this remarkable window of opportunity for the country, it is emphasized here the importance of the strategic planning in the whole sugar-cane bioenergy segment, not only as an efficient energy source but also in its role in global warming mitigation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Regiões inundadas no sul da Ásia devido ao aumento dos períodos de monções .... 17
Figura 2: Aumento da temperatura global desde o período pré-industrial.. ... 18
Figura 3: Mapa da ONU dos países participantes do protocolo de Kyoto no ano de 2010: os países em verde e branco são os participantes e os não participantes, respectivamente ... 21
Figura 4: Mapa dos países participantes do acordo de Paris ... 22
Figura 5: Máquina DAC em operação ... 25
Figura 6: Processo físico-químico das máquinas DACs ... 26
Figura 7: Performance das DACs ... 26
Figura 8: Processo de uma máquina CCS...27
Figura 9: Caricatura didática de uma máquina CCS. ... 28
Figura 10: Motor com pistão-livre desenvolvido pela Toyota Central R&D Labs Inc ... 31
Figura 11: Vista em corte de uma microturbina. ... 32
Figura 12: Diagrama do processo do SOFC ... 33
Figura 13: Fases do Proálcool 1972-2015 ... 37
Figura 14: Cana de açúcar tradicional (centro) e variedades de cana energia ... 43
Figura 15: Comparação da cana energia e da cana-de-açúcar convencional ... 47
Figura 16: Produtividade da cana energia em relação a cana convencional. ... 48
Figura 17: Estimativa do aumento da produtividade da cana energia até 2030. ... 49
Figura 18: Diagrama sobre o potencial disruptivo dos ganhos em cada segmento do setor sucroenergético. ... 51
ÍNDICE
Capítulo 1: Introdução...11
Capítulo 2: Políticas de combate ao aquecimento Global...15
Capítulo 3: Propostas para frear o aquecimento global...24
3.1. Máquinas DAC e CCS...25
3.2. Veículos Elétricos...28
3.3. Motores Híbridos...29
3.4. Motores a Pistão Livre...30
3.5. Motores a Microturbina...31
3.6. Células a Combustível e-bio...32
3.7. Aumento da Autonomia de Veículos Elétricos...33
Capítulo 4: Contexto brasileiro de sustentabilidade...35
4.1. Contexto histórico brasileiro...36
4.2. Tecnologias em Logística...40
4.3. Sistemas de Inovação...42
Capítulo 5: A cana-de-açúcar na produção de energia...45
5.1. Biomassa...45
5.2. Cana energia...47
5.3. Bioetanol………...49
Capítulo 6: Custos energético e financeiro da descarbonização...52
6.1. Reescrevendo as equações de balanço do carbono...52
6.2. Definindo a Brazilian Thermal Unit (BrTU)………...54
6.3. Custo energético para a descarbonização da atmosfera...57
6.4. Custo financeiro para a descarbonização da atmosfera...58
Capítulo 7: Conclusões...61
Referências...65
Apêndice A: Trabalho apresentado na conferência ICCC-2019...76
Capítulo 1
Introdução
As mudanças climáticas e o correspondente aumento da temperatura global (i.e., aquecimento global) têm sido observados, de uma forma mais cuidadosa, desde os anos 60, quando cientistas detectaram e mediram pela primeira vez o aumento da temperatura na superfície e na atmosfera do planeta Vênus (BANISTER, 2009; DEPARTMENT OF EDUCATION AND SKILLS, 2014; GENERAL SECRETARIAT FOR DEVELOPMENT PLANNING, 2009; SUSTAINABLE CANADA DIALOGUES, 2016; UNESCO, 2010). Antes dessas observações sobre a temperatura em Vênus, porém, os gases que provocam o chamado efeito estufa já haviam sido observados em erupções vulcânicas (MACCRACKEN, 2005). Conforme as mudanças climáticas causam severas degradações ambientais no ar, continentes, oceanos e nas calotas polares, fica difícil de entender por que soluções para se reverter esses graves problemas ainda não foram definitivamente implementadas. Abordagens eficientes para esses problemas não dependem apenas dos líderes, políticos e pesquisadores pelo mundo, mas também do apoio da sociedade. De fato, esses problemas são tão urgentes que sempre deveriam estar presentes nas mentes das pessoas preocupadas com o assunto, ao redor do mundo (CHOY; LAN, [s.d.]; ELLISON; GREAVES; HENSHER, 2012).
O dióxido de carbono, comparado aos outros gases do efeito estufa, é o principal vilão do aquecimento global, devido a sua alta concentração na atmosfera (BANISTER, 2009; DIAS; TCHEPEL; ANTUNES, 2016; FAO; UNESCO, 2003; MARCOVITCH, 2007). Atualmente, a quantidade total de dióxido de carbono (CO2) contido na atmosfera é de aproximadamente 3.178 GtCO2 (Giga toneladas métricas de CO2), que representa 458 GtCO2 acima do nível de
segurança, que é estimado em 2.720 GtCO2 (BANISTER, 2009; MALINA; FISCHER, 2015;
OJIMA, 2012). Além disso, uma quantidade adicional de CO2, em torno de 20 GtCO2, é lançada na atmosfera anualmente. Portanto, a quantidade de CO2 na atmosfera está aumentando à taxa
alarmante de 20 GtCO2/ano (BANISTER, 2009). Pior ainda, há evidências de que o aumento
da temperatura global está provocando o derretimento irreversível das geleiras nas calotas polares, com a consequente produção incontrolável de gás metano devido a decomposição de matéria orgânica, antes confinada ao permafrost. Infelizmente, essas consequências assustadoras têm sido pouco divulgadas em trabalhos científicos e na mídia em geral.
Frente ao cenário internacional, discutem-se no âmbito científico e político novas alternativas com menor impacto ambiental, tanto para reduzir os efeitos do aquecimento global,
quanto para melhorar a qualidade de vida das pessoas que vivem em meios urbanos com altos níveis de poluição no ar (WILBERFORCE et al., 2017; WOLFF; PERRY, 2010). Para isto, são apresentados argumentos sólidos que conectam as causas e consequências do aquecimento global às atividades antropogênicas (BALINT et al., 2017). Estas relações de causalidade, e não apenas de correlação, são importantes para convencer os céticos ou mal informados de que o aquecimento global provocado pelos humanos é uma realidade. Para se atingir esse objetivo, porém, os resultados científicos devem ser apresentados de uma forma clara, convincente e compreensível, visando convencer os céticos e as lideranças políticas, empresariais e formadores de opinião (em geral leigos) do perigo que nos aflige. Em particular, deve-se enfatizar a distinção entre Tempo e Clima e entre Média e Variância nas medições de temperatura, pois não é apenas a temperatura média na terra que importa. Por exemplo, constata-se frequentemente uma crescente variabilidade nos extremos de temperatura em diversas regiões do planeta, com verões e invernos muito atípicos. Além dessa variabilidade na média e na variância da temperatura terrestre, uma variabilidade nos índices de precipitação de chuvas vem sendo também observada em grande intensidade, com secas intensas e chuvas torrenciais em várias regiões do planeta
A alta concentração atual de dióxido de carbono na atmosfera é causada, principalmente, pelas altas emissões desse gás oriundas da queima de combustíveis fósseis (WOLFF; PERRY, 2010). As técnicas que podem ser aplicadas para mitigar, ou ao menos manter os níveis atuais
de CO2 na atmosfera do planeta, podem ser resumidas em apenas duas formas. Uma delas é
baseada na fotossíntese das plantas, que produz biomassa rica em carbono, e a outra é por meio do uso de máquinas de captura direta de CO2 do ar (Direct Air Capture – DAC) ou de captura e armazenamento de carbono (Carbon Capture and Storage – CCS) (BLACKSTOCK, 2011; FERREIRA et al., 2015; GSMA ASSOCIATION, 2014). No que diz respeito à eficiência, quando se compara a fotossíntese das plantas com as máquinas DAC/CCS, os resultados de primeira ordem aqui apresentados indicam que os custos do sequestro de CO2 com cana energia (i.e., uma variedade de cana-de-açúcar submetida a melhoramentos genéticos) podem atingir valores muito baixos, de cerca de duas ordens de magnitude inferiores aos custos obtidos com as máquinas DAC/CCS (FERREIRA et al., 2015; GSMA ASSOCIATION, 2014) (BLACKSTOCK, 2011).
Diante dessas considerações, é importante enfatizar a inestimável riqueza natural brasileira e as condições favoráveis para o desenvolvimento de meios renováveis de produção energética, assim como o progresso relevante nas questões produtivas do agronegócio, que são características que colocam o Brasil em uma posição de destaque no contexto mundial da
sustentabilidade (ANSANELLI et al., 2017; CERQUEIRA LEITE et al., 2008; FOUNDATION et al., 2014).
O grande potencial da biomassa da cana energia e seu papel fundamental por ser uma das maneiras mais eficientes (se não a mais eficiente) de sequestrar carbono da atmosfera, precisa ser propriamente enfatizado. A alta produtividade das mais recentes variedades de cana energia, superior a 200 ton/ha/ano (toneladas de cana campo por hectare por ano), bem como a grande disponibilidade de terras para plantio no Brasil, que hoje são usadas em grande parte como pastagens degradadas (aproximadamente 50 milhões de hectares) (GERSHENFELD; KRIKORIAN; COHEN, 2004; HOLMAN; HARRISON; QUEROL, 2015), poderia suprir toda a demanda brasileira de combustível e ainda gerar um excedente para exportação.
Tecnologias já plenamente consagradas no Brasil, como os biocombustíveis desenvolvidos a partir da cana-de-açúcar desde os anos 70 (CORTEZ, 2016; SCHUTTE; BARROS, 2010), apresentam-se como uma das melhores soluções alternativas para a redução do uso dos combustíveis tradicionais que trazem fortes impactos ambientais, como os derivados do petróleo (“Brasil sustentável: Perspectivas dos mercados de petróleo, etanol e gás”, 2010; CERQUEIRA LEITE et al., 2008).
O Brasil vem demonstrando que os avanços em pesquisa e desenvolvimento tecnológico podem levar o etanol a uma posição ainda mais privilegiada, com potencial de substituir plenamente os combustíveis fósseis (ANSANELLI et al., 2017; SCHUTTE; BARROS, 2010; SOCCOL et al., 2005). A interação entre empresas agrícolas, indústria, universidades, centros de pesquisa e governo vem mostrando que o etanol da cana-de-açúcar é uma das melhores alternativas para a produção de biocombustíveis, sem contar que ainda há um grande potencial de redução no custo de produção (LEAL; HORTA NOGUEIRA; CORTEZ, 2013; SOUZA et al., 2018).
A cooperação entre esses diversos agentes é um dos principais fatores para o sucesso do etanol no Brasil (FILHO, 2017). Mediante diversas pesquisas em universidades e centros de pesquisa, foi possível a redução dos custos de produção do etanol, que hoje é considerado o menor do mundo. (ANSANELLI et al., 2017; CORTEZ, 2010a; FILHO, 2017). Não obstante o sucesso do etanol da cana de açúcar no Brasil, o milho, por exemplo, que aparentemente necessita de mais tempo de fermentação para quebrar suas longas cadeias de amido (SOUSA; SCUR; SOUZA, 2012), recentemente vem demonstrando competitividade, pois já há casos de sucesso na implantação de usinas de etanol a partir do milho, tirando proveito da sazonalidade e da superprodução desse cereal no Centro-Oeste brasileiro.
referentes à concentração de carbono na atmosfera, bem como os estudos comparativos que demonstram a capacidade da cana-de-açúcar como importante aliada ao combate do aquecimento global, são ações fundamentais para descrever a real magnitude desse problema e a busca por soluções definitivas e mensuráveis. Nesse contexto, há que se enfatizar a quebra de paradigmas tecnológicos que vem ocorrendo na indústria automobilística, recentemente rejuvenescida com a produção de carros flexíveis híbridos, elétricos e movidos por células a combustível, que podem levar o Brasil a liderar um novo ciclo de expansão nessa área. Por exemplo, o estímulo ao uso da propulsão híbrida flexível em máquinas agrícolas e em veículos de transporte pesado, pode resultar em ganhos econômicos expressivos e colaborar para baixar ainda mais a pegada de carbono dos derivados da cana de açúcar, levando-a a valores próximos de zero.
Além dos grandes benefícios dos motores abastecidos a bioetanol, tais como os movidos a célula combustível e-bio, os motores a pistão-livre e a microturbina, bem como o seu uso para aumentar a autonomia de veículos elétricos, usando os chamados range extenders, (CORAZZA, 1996; CORAZZA; FRACALANZA; BONACELLI, 2015; GALLOP, 2003; SACHS, 2007), essas tecnologias podem ser utilizadas para reduzir as emissões de CO2 por um fator de mais de 16 vezes se comparado aos veículos abastecidos a gasolina. Essas tecnologias de motores também podem ser implementadas em veículos de transporte pesado, por meio do uso eficiente de powertrains elétricos acoplados a range extenders (CHRISTENSEN, 1997; NOWOTNY, 2003; PITTA; MENDONÇA, 2010; SILVA et al., 2013).
A fim de demonstrar que a implementação de tecnologias renováveis, somada ao uso da biomassa, é uma solução viável e ambiciosa no combate às mudanças climáticas, esta dissertações discorre sobre questões muito relevantes ao contexto brasileiro, abordando impactos positivos tanto no plano nacional quanto internacional (CERQUEIRA LEITE et al., 2008; SOUZA et al., 2018).
Capítulo 2
Políticas de combate ao aquecimento global
O planeta Terra, desde sua formação há mais de 4,5 bilhões de anos, apresenta ciclos naturais lentos de aquecimento e resfriamento de sua atmosfera (S. BRATERMAN, 2019). Esse processo cíclico ocorre devido a diversos fatores naturais, tais como os ciclos lentos de atividades solares e até mesmo a erupções vulcânicas, que elevam a quantidade dos gases causadores do efeito estufa (MACCRACKEN, 2005). Porém, conforme diversos estudos apontam, os fatores antropogênicos aceleram o aquecimento global terrestre pela emissão exacerbada desses gases (IPCC, 2008; MATUŠTÍK; KOČÍ, 2019). Os principais gases do efeito estufa (greenhouse gases – GHGs) são o dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), clorofluorcarbonetos (CFCs), perfluorcarbonetos (PFCs), hidrofluorcarbonetos (HFCs) e hexafluoreto de enxofre (SF6), sendo o CO2 considerado o maior vilão devido a alta concentração na atmosfera (IPCC, 2008; MACCRACKEN, 2005).
De acordo com evidências apontadas pela Agência Espacial Americana (America’s
Space Agency – NASA), as atividades de caráter antropogênico, desde o surgimento da
indústria moderna (i.e., primeira revolução industrial), têm causado mudanças climáticas significativas no planeta (IPCC, 2007a). Dentre as principais ações humanas que estão resultando neste cenário climático alarmante, o uso de recursos não-renováveis é considerado o contribuinte mais significativo. O uso intensivo desses recursos não-renováveis para produção de energia, desde a sua extração, transporte, tratamento, uso e descarte de resíduos, liberam poluentes e, como citado anteriormente, provocam mudanças climáticas que contribuem com enchentes, tempestades, secas e dezenas de outros desastres ambientais (CHIBA et al., 2018; LI; WANG; HO, 2011; PANT; CHA, 2019; SCHEWE; LEVERMANN; MEINSHAUSEN, 2011; SUSTAINABLE CANADA DIALOGUES, 2016).
Em conjunto com o desenvolvimento tecnológico, científico e industrial, muito se tem estudado sobre as mudanças climáticas, impactos ambientais e suas possíveis relações com o ritmo acelerado de crescimento da sociedade. Nos últimos 150 anos, o crescimento populacional e as atividades industriais aumentaram, com isso a concentração de CO2 na atmosfera, que outrora era de 280 ppm (partes por milhão), ampliou em mais de 40%,
DEVELOPMENT PLANNING, 2009; IPCC, 2008; LE QUÉRÉ et al., 2018; SCHNEIDER; KAUL; PRESSEL, 2019; TONG et al., 2018).
O aquecimento global, de uma forma geral, impacta negativamente a existência da vida no planeta Terra. Diversos estudos apontam que o aumento da temperatura média no mundo afeta diretamente o ecossistema, contribuindo para o desequilíbrio ambiental e a extinção de espécies vulneráveis da fauna e flora, assim como em outras mudanças irreversíveis no meio ambiente (IPCC, 2007a, 2008; LUDERER et al., 2018; MASSON-DELMOTTE et al., 2018; WARREN et al., 2018). O descontrole do ciclo ecológico pode desencadear um efeito dominó no aumento de epidemias de doenças já conhecidas (e.g., aumento da população de vetores de doenças, como o aedes aegypti), inclusive com ameaças desconhecidas, se consideradas as bactérias e vírus que podem estar adormecidos em regiões congeladas do planeta e que agora podem voltar em decorrência do degelo dessas regiões (derretimento da permafrost) (IPCC, 2007; MASSON-DELMOTTE et al., 2018). Ademais, o aumento desenfreado de emissão de dióxido de carbono está intrinsicamente relacionado à frequência mais elevada de tsunamis, erosões, alagamentos, enchentes, incêndios, períodos de seca, chuvas intensas e irregulares, aumento da mortalidade relacionada a exposição ao calor e ao frio intensos, desnutrição, poluição do ar, incêndios, queimadas, danos irreversíveis à agricultura, solo e atividades de pesca, migração em massa, redução da capacidade física de trabalho, danos a infraestruturas de indústrias, perdas econômicas, entre outros, que estão se tornando cada vez mais comuns (ARUNA B. VENKAT, 2017; FERREIRA et al., 2015; GASPER; BLOHM; RUTH, 2011; GEBREMESKEL et al., 2019; GENERAL SECRETARIAT FOR DEVELOPMENT PLANNING, 2009; JIA et al., 2018; LUDERER et al., 2018; MIKA et al., 2018; MUDD et al., 2014a; OJIMA, 2012; PANT; CHA, 2019; REZAIE NARIMISA, MOHAMMAD; REZAIE NARIMISA, 2018).
Dentre as catástrofes climáticas ocorridas nos últimos anos, há o aumento dos períodos de monções no sul da Ásia, grandes secas nas regiões do leste da África, furacões de alta intensidade na América Central e do Norte, entre outras. As crescentes monções no sul da Ásia intensificaram consideravelmente os volumes de chuva, aumentando a precipitação desde então (SIDDIQUE, 2017). Este aumento já causou enchentes que afetaram mais de 40 milhões de habitantes. Segundo algumas estimativas, ocorreram mais de 1.200 mortes em pequenas comunidades de Bangladesh, Índia e Nepal. (HSU et al., 2012; SCHEWE; LEVERMANN; MEINSHAUSEN, 2011; SIDDIQUE, 2017). A Figura 1 apresenta um mapa das inundações ocorridas no sul da Ásia.
Figura 1: Regiões inundadas no sul da Ásia devido ao aumento dos períodos de monções. Fonte: (SIDDIQUE, 2017).
As grandes secas nas regiões do leste da África estão aumentando a taxas alarmantes nos últimos anos. Países como Quênia, Uganda, Tanzânia, Etiópia, Eritreia, Djibouti, Somália, Sudão, Sudão do Sul, Ruanda e Burundi vêm enfrentando diversos problemas de escassez de alimentos e recursos hídricos, devido a degradação e desmatamento natural na região (GEBREMESKEL et al., 2019; MASSON-DELMOTTE et al., 2018). Um dos principais causadores do agravamento desses períodos de seca é o fenômeno climático de escala global El Niño-Oscilação Sul (ENOS) que provoca uma redução drástica na quantidade de chuvas nas regiões do leste da África (CAMBERLIM; JANICOT; POCCARD, 2001; LE QUÉRÉ et al., 2018; LYON, 2014).
De acordo com estudos recentes, o aumento da ocorrência de furacões de alta intensidade na América Central e do Norte está diretamente ligado com a intensificação da velocidade dos ventos na região (LI; WANG; HO, 2011; MUDD et al., 2014a; PANT; CHA, 2019). Conforme os dados apresentados, o aquecimento global pode ser o principal agente que vem potencializando o El Niño que, por sua vez, influencia as correntes de ar e marítimas, gerando ciclos de convecção mais intensos que causam maior quantidade de furacões na região do Golfo do México (ROSENBERG et al., 2010; STENHOUSE et al., 2014).
Devido aos problemas gerados pelo aquecimento global, diversas complicações sociais, como a redução da disponibilidade de água potável, escassez de energia e alimentos, pessoas desabrigadas, aumento da incidência de doenças físicas e psicológicas, entre outras, podem ser observadas ao redor do mundo, principalmente em regiões mais pobres do planeta, onde crianças e idosos são os mais afetados (FUNK et al., 2008; GEBREMESKEL et al., 2019; RIAHI et al., 2017).
Há grandes evidências de que as causas antropogênicas do aquecimento global se iniciaram com a era industrial, conforme constatado em diversos trabalhos (CHIBA et al., 2018; DAUVERGNE, 2018; IPCC, 2007a; TONG et al., 2018). O industrialismo, que ocorreu em meados do século 19, baseou-se na expansão desenfreada dos meios de produção para conseguir um maior acúmulo de capital (CORAZZA; FRACALANZA; BONACELLI, 2015; S. JAJDA, ASHWINI; P.V., KHANDVE; L. GULHANE, 2011). Nesse período, os processos de produção artesanal começaram a ser deixados de lado, devido a sua baixa produtividade, abrindo espaço para que a produção industrial em larga escala se tornasse no principal modelo do sistema capitalista (SCHUMPETER, 1942). A Figura 2 apresenta o aumento da temperatura no planeta após o período pré-industrial. O que está mostrado em pontos com diferentes tons de rosa indicam o histograma de aquecimento estimado, que aumentou bastante em períodos de calor, em relação ao clima entre 1850 a 1900 e entre 2006 a 2015. Os pontos de densidade indicam a população em 2010. Os dados mostrados em tons de cinza indicam a desempenho das nações em relação ao desenvolvimento sustentável (SDG) (ALLEN et al., 2017).
Atualmente, os modelos de produção ainda são extremamente agressivos, além de que pouco se mudou nos processos de produção e uso de energia. Para garantir o máximo de retorno, investimentos ocorrem apenas quando é encontrada alguma ameaça externa que possa afetar a saúde financeira da empresa. Dessa forma, para se conseguir mudanças mais significativas no combate ao aquecimento global, os governos deveriam criar iniciativas que envolvam a participação do ramo empresarial (CARLSSON et al., 2002; DOSI, 1982; KAHOULI-BRAHMI, 2008; MALERBA; ORSENIGO, 1996).
No âmbito do modelo capitalista, as formas de produção devem ser reguladas por entidades governamentais cujo objetivo, além de regular a economia, deva também permitir a inovação nas estruturas concorrenciais e incentivar as inovações técnicas que reduzam a emissão de poluentes, mediante novas tecnologias que permitam a redução do impacto ambiental (BALINT et al., 2017).
Nos últimos anos, com a crescente preocupação em relação aos problemas ambientais de origem antropogênica, governos do mundo inteiro decidiram se reunir para criar estratégias que visem a redução do impacto humano no planeta. O primeiro documento criado para estabelecer essas medidas de controle foi o protocolo de Kyoto, no ano de 1997, que firmou o comprometimento dos países com maior poderio econômico em reduzir as emissões de GHGs. A ratificação do protocolo de Kyoto foi feita em 1999, por 55 países, que juntos eram responsáveis por mais da metade das emissões de GHGs. No ano de 2004, após a ratificação da Rússia, o tratado entrou em vigor, determinando que países industrializados ou desenvolvidos deveriam reduzir em 5,2% as emissões de GHGs em relação às respectivas emissões no ano de 1990. Para o Japão e a União Europeia, ficaram estabelecidas reduções de 7% a 8%, respectivamente (GODOY, 2013; UN, 1998). Para países em desenvolvimento (e.g., Brasil, China e Índia), não foram estipuladas metas e obrigações de redução de emissões, tornando a participação desses países voluntária (MACCRACKEN, 2005).
Para reduzir as emissões desses GHGs, foram propostas algumas metas, tais como: reformar o setor energético e o setor de transporte, implementar o uso de fontes renováveis de energia, combater o desmatamento, aplicar técnicas sustentáveis de agricultura e cooperar tecnologicamente para compartilhar informações que visem mitigar os impactos humanos no meio ambiente (BOOGAARD et al., 2012).
O protocolo de Kyoto foi um passo importante para o desenvolvimento de mecanismos regulatórios que objetivam o controle das emissões de CO2 por meio de incentivos a alternativas
produzido pelos países que ratificaram o documento. Com o intuito de facilitar a adesão dos países com maiores emissões de CO2, nos artigos 12 e 17 do Protocolo de Kyoto, foi descrita a possibilidade de transferência de carbono emitido para outros países com menores emissões de CO2 na atmosfera, na forma de cap-and-trade de crédito de carbono (PAULO; PAULO, 2012). A base do crédito de carbono é formada por um instrumento financeiro, em que cada unidade de crédito de carbono representa uma tonelada de dióxido de carbono equivalente não emitida para a atmosfera (BALINT et al., 2017; FANKHAUSER; HEPBURN, 2010a, 2010b; GILBERTSON, TAMRA; REYES, 2009).
Mediante o protocolo de Kyoto, o mercado de carbono foi apresentado como um mecanismo para introduzir soluções intermediárias no processo de desenvolvimento de novos meios sustentáveis de produção energética (GILBERTSON, TAMRA; REYES, 2009). Muitos dos países com economias fortemente dependentes da indústria, utilizam-se deste mercado de carbono como meio de reduzir os impactos nos processos altamente poluentes de suas tecnologias defasadas (FANKHAUSER; HEPBURN, 2010a).
O sistema de cap-and-trade, utilizado no mercado de carbono, é baseado em uma permissão de subsídio distribuída pelos países integrantes do protocolo de Kyoto para os principais ramos industriais (FANKHAUSER; HEPBURN, 2010a, 2010b). Este mecanismo comercial faz parte de um mercado paralelo, em que as empresas compram e vendem subsídios de permissões de emissão de CO2 pelo valor estipulado de oferta e demanda. Com isso, espera-se que essas empresas poupem recursos, reduzindo as emissões de CO2 da forma mais eficaz possível (FOUNDATION et al., 2014; INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2011; PAULO; PAULO, 2012; VOLUME, 2012). Entretanto, este sistema apresenta resultados mistos, uma vez que os Estados Unidos, por exemplo, não se submeteu ao protocolo de Kyoto e não entregou nenhum plano de redução de emissões de GHGs (IPCC, 2007b). Mesmo assim, a indústria da energia limpa foi impulsionada pelos negociantes de crédito de carbono e recebeu investimentos deste acordo que, de certa forma, trouxe benefícios indiretos até para os países que não aceitaram os requisitos de redução de CO2 (FOUNDATION et al., 2014). A Figura 3 apresenta o mapa da Organização das Nações Unidas (ONU) dos países participantes do protocolo de Kyoto no ano de 2010.
Figura 3: Mapa da ONU dos países participantes do protocolo de Kyoto no ano de 2010: os países em verde e branco são os participantes e os não participantes, respectivamente. Fonte:
https://unstats.un.org/unsd/ENVIRONMENT/Participation_ClimateChangeAgree.htm
Na tentativa de contornar os problemas do protocolo de Kyoto, no final de 2015, a 21ª Conferência das Partes (Conference of the Parties 21 – COP21) reuniu 196 líderes de estado para negociarem os termos do Acordo de Paris (LUDERER et al., 2018). Este novo acordo apresentou novos estudos que salientam possíveis consequências, a nível global, caso o aumento da temperatura média do planeta ultrapasse 2ºC (ALLEN et al., 2017; MASSON-DELMOTTE et al., 2018). A Conferência das Partes, que focou na redução das emissões de GHGs, já conta com 55 países que ratificaram esse acordo com o compromisso de reduzirem suas emissões em 55% (ALLEN et al., 2017). Unindo-se a esses países, o Brasil também ratificou o acordo em setembro de 2016, propondo-se a reduzir suas emissões em até 43% (em comparação a 2005) no ano de 2030. Porém, o Acordo de Paris enfrenta os mesmos problemas do protocolo de Kyoto, tendo em vista que países como os EUA, o segundo maior emissor de
CO2 do mundo, vem se comportando como no protocolo de Kyoto, mostrando a intenção de
sair do acordo (UNFCCC, 2015). A Figura 4 apresenta um mapa dos países participantes do acordo de Paris em 2017. Em escuro estão os países que ratificaram o acordo; em azul-claro estão os países que assinaram o acordo; em vermelho estão os países que não ratificaram o acordo; e em branco está a Groelândia, que não é incluida devido ao acordo da Dinamarca.
Figura 4: Mapa dos países participantes do Acordo de Paris. Fonte: https://www.businessinsider.com/195-countries-that-signed-paris-climate-agreement-accord-deal-2017-5
É irrefutável que a questão do aquecimento global tende a ser responsabilidade não só do setor privado, mas também dos modelos políticos que incentivam o desenvolvimento de novas tecnologias. Dentre essas novas tecnologias, os biocombustíveis vêm possibilitando o desenvolvimento das soluções mais eficientes e com maior potencial para reduzir os impactos ambientais dos combustíveis fósseis (CORTEZ, 2010a). A importância dos governos no processo de desenvolvimento tecnológico pode ser exemplificada pelo caso brasileiro do bioetanol, que evoluiu significativamente e se tornou uma alternativa altamente promissora frente aos combustíveis fósseis (CORTEZ, 2016; CRUZ et al., 2015).
As principais tecnologias de fontes renováveis de energia, com foco em desenvolvimento sustentável e inovação, permitem que países emergentes ganhem espaço no estudo de alternativas energéticas mais limpas, aumentando sua participação na economia mundial (ANSANELLI et al., 2017). Por outro lado, as empresas tradicionais que atuam na produção, refino e comercialização de combustíveis fósseis, principalmente no setor de petróleo e gás, vêm tentando encontrar soluções tecnológicas que minimizem os efeitos deletérios da queima desses combustíveis. Uma dessas tecnologias procura viabilizar a captura e armazenamento do carbono, daí o nome Carbon Capture and Storage – CCS. Essa tecnologia é apresentada como o melhor método para contornar as externalidades criadas pelos setores mais tradicionais da indústria (UNRUH, 2002; UNRUH; CARRILLO-HERMOSILLA, 2006)Essa tecnologia é apresentada como o melhor método para contornar as criadas pelos setores mais tradicionais da indústria (UNRUH, 2002; UNRUH; CARRILLO-HERMOSILLA, 2006). A longo prazo, o uso de CCS não é considerado a forma mais eficiente para reduzir os impactos das emissões de carbono na atmosfera. Entretanto, essa é a solução atual encontrada
para amenizar os efeitos nocivos das atividades das grandes corporações, principalmente as relacionadas à indústria do petróleo (ANSANELLI et al., 2017).
As tecnologias de fontes de energia limpa vêm sendo largamente aplicadas e aprimoradas nas últimas décadas (ÅHMAN, 2006; ANSANELLI et al., 2017; BEKHET; OTHMAN, 2018; OECD, 2006). Grande parte do crescimento dessas tecnologias resulta de incentivos governamentais que impulsionam esses segmentos em alguns países, como o incentivo no uso de energia eólica nos países baixos (BELLO; SOLARIN; YEN, 2018; BUEN, 2006; CHOY; LAN, [s.d.]; MUDD et al., 2014b; PETERS et al., 2012; RU et al., 2012). As fontes de energia que são consideradas, em sua totalidade, como energias limpas são a eólica, a solar e a de biomassa (IEA, 2018a).
Muitas dessas tecnologias são desenvolvidas de acordo com as curvas de aprendizado formadas ao longo do tempo, por meio de um processo de desenvolvimento bottom-up (KAHOULI-BRAHMI, 2008). Essa estratégia tem um crescimento progressivo de acordo com as necessidades do setor. Um exemplo de desenvolvimento bottom-up foi o que ocorreu na Dinamarca em que, com o desenvolvimento incremental de sistemas de moinho, criado por engenheiros de cooperativas locais, o sistema de turbinas eólicas para produção de energia se tornou estratégico, desempenhando forte presença no mercado interno e de exportação (KAHOULI-BRAHMI, 2008).
Evidentemente, para que haja progresso no desenvolvimento de alternativas frente ao uso de fontes não renováveis, deve-se tomar consciência de que os recursos naturais do planeta são limitados e medidas urgentes são imprescindíveis. Dessa forma, a implementação de novas tecnologias de caráter sustentável, diretamente relacionadas com agentes-chave, como governos e empresas de grande porte, requerem mudanças mais incisivas e corajosas, pois avanços tecnológicos e políticas apenas incrementais podem não ser suficientes para reduzir a emissão de gases de efeito estufa, antes que se atinja uma condição climática irreversível.
Capítulo 3
Propostas para frear o aquecimento global
Conforme já enfatizado, a alta concentração atual de dióxido de carbono na atmosfera é causada, principalmente, pelas altas emissões de CO2 oriundas da queima de combustíveis fósseis (S. JAJDA, ASHWINI; P.V., KHANDVE; L. GULHANE, 2011). As técnicas que podem ser aplicadas para sequestrar o CO2 da atmosfera terrestre, podem ser resumidas em apenas duas formas. Uma delas é baseada na fotossíntese das plantas, que produz biomassa rica em carbono, e a outra é por meio do uso de máquinas de captura direta do ar (DAC) e de captura e armazenamento de carbono (CCS) (KEITH; HEIDEL; CHERRY, 2010). No que diz respeito a eficiência, quando se compara a fotossíntese das plantas com as máquinas DAC/CCS, resultados preliminares indicam que os custos de sequestro de CO2 com cana energia podem atingir valores bem inferiores aos custos das máquinas DAC/CCS (BLACKSTOCK, 2011; KEITH et al., 2018).
Obviamente, reduzir o consumo de derivados de petróleo é uma medida concomitante ao sequestro do carbono já emitido. Nesse aspecto, a indústria automotiva tem um importante papel a desempenhar, desenvolvendo veículos movidos a biocombustíveis e com maior eficiência em termos de quilômetros rodados por litro de combustível consumido. Uma das grandes conquistas nessa direção, foi o desenvolvimento dos motores Flex no Brasil, capazes de rodar movidos a gasolina ou etanol. Atualmente, uma nova gama de motores abastecidos por bioetanol, tais como o de célula a combustível e-bio, os motores a pistão-livre e a microturbina, estão sendo desenvolvidos pela indústria automotiva, prometendo eficiências bem superiores às dos motores Flex. Além de aumentar a autonomia de veículos elétricos e híbridos (Eberle e Helmolt, von, 2010; Kosaka et al., 2014; Tan et al., 2017; Wilberforce et al., 2017), essas tecnologias podem ser utilizadas para reduzir as emissões de CO2 por um fator de mais de 16 vezes se comparadas aos veículos abastecidos a gasolina. Melhor ainda, esses motores podem também ser implementadas em veículos de transporte pesado, usando-se powertrains elétricos (ÅHMAN, 2006).
3.1. Máquinas DAC e CCS
As máquinas DAC/CCS se destinam ao sequestro de gás carbônico de forma artificial, porém exibem alguns problemas a serem questionados como, por exemplo, a baixa economia de escala devido ao alto custo unitário e de operação. A Figura 6 apresenta uma máquina DAC em operação.
Figura 5: Máquina DAC em operação. Fonte: https://www.greenbiz.com/article/case-investing-direct-air-capture-just-got-clearer/
Em sua capacidade máxima, esse equipamento pode retirar da atmosfera até 0,98 MtCO2/ano e estocar 1,46 MtCO2/ano. Os 0,48MtCO2/ano excedentes (KEITH; HEIDEL; CHERRY, 2010), são resultados da emissão de CO2 pela queima de gás natural para gerar energia térmica para o equipamento. Esta queima de gás natural é contabilizada no saldo final de gás carbônico sequestrado.
No artigo publicado em 2011 pela empresa desenvolvedora da tecnologia DAC
(BLACKSTOCK, 2011) menciona-se que a operação de sequestro de CO2 da atmosfera é feita
de forma mecânica, aspirando ar para dentro da máquina e, em seguida, por meio da reação química desse ar capturado com hidróxido de potássio (KOH), tem-se como resultado o carbono sequestrado na forma de carbonato de potássio (K2CO3) (BLACKSTOCK, 2011).
O diagrama mostrado na Figura 6 apresenta o processo químico envolvido nas DACs, dividido em três partes: na primeira ocorre o sequestro de CO2 do ar por intermédio de uma solução aquosa ionizada (CO2(g) +2KOH(aq) → H2O(l) + K2CO3(aq) ), para que em um
segundo momento a solução aquosa solidifique o gás carbônico (K2CO3(aq) +Ca(OH)2(s) → 2KOH(aq)+ CaCO3(s)). Na terceira etapa, o gás carbônico é liberado e armazenado em forma gasosa (CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)). A água liberada na primeira reação se torna um reagente para que o CaO(s) retorne ao ciclo em forma de Ca(OH)2(s) (KEITH et al., 2018).
Figura 6: Processo físico-químico das máquinas DACs. Fonte: (KEITH et al., 2018).
Com base nos dados apresentados na Figura 7, o custo de operação deste equipamento pode ser estimado entre 94 a 232 US$/tCO2, onde é levado em consideração o sequestro de carbono com uso de 8,81 GJ de gás natural, ou o uso de 5,25 GJ de gás e 366 kWhr de eletricidade por tonelada de gás carbônico sequestrado. Em uma visão mais ampla do custeio do equipamento, a base estimada pode variar de 50 a 400 US$/tCO2, sendo US$ 190.00 o valor mais provável (KEITH et al., 2018; KEITH; HEIDEL; CHERRY, 2010).
A taxa média de captura de gás carbônico das DACs é de 1 MtCO2/ano (KEITH et al., 2018). Essa baixa taxa de captura de CO2, aliada a um alto de custo de funcionamento, praticamente inviabilizam o uso dessa tecnologia em larga escala. Por exemplo, para capturar o excedente de 458GtCO2 da atmosfera, em um intervalo de um ano, seriam necessárias 458.000 máquinas DAC, que gerariam um custo entre US$ 43 trilhões a US$ 183 trilhões, sendo US$ 87 trilhões o valor mais provável. Para se ter uma noção desse montante de dinheiro, isso é aproximadamente o produto interno bruto mundial (Gross World Product - GWP) de US$ 80 trilhões no ano de 2018.
Os processos das máquinas CCS consistem em três etapas: captura de dióxido de carbono; transporte de dióxido de carbono; e armazenamento seguro do dióxido de carbono. A etapa de captura de CO2 permite a separação do dióxido de carbono dos gases produzidos na geração de energia elétrica ou algum outro processo industrial. Essa separação pode ser feita por meio de três métodos diferentes: captura na pré-combustão; captura na pós-combustão; e em combustão oxi-combustível. Após a captura por um dos três métodos, o CO2 é transportado por tubulações ou por navios para um armazenamento seguro, normalmente em formações rochosas geologicamente selecionadas, campos exauridos de óleo e gás ou formações profundas de aquíferos salinos (KEITH et al., 2018; KEITH; HEIDEL; CHERRY, 2010). A Figura 8 apresenta o processo de uma máquina CCS.
A Figura 9 apresenta uma representação pictórica interessante de uma máquina CCS.
Figura 9: Caricatura didática de uma máquina CCS. Fonte: (Pilita Clark, September 9, 2015 - Financial Times -
https://www.ft.com/content/88c187b4-5619-11e5-a28b-50226830d644).
3.2. Veículos Elétricos
Diversos países integrantes do Acordo de Paris definiram uma data de validade para a produção de carros movidos a combustíveis fósseis, oficializando que mudanças no setor automobilístico são necessárias (ROSEN; GUENTHER, 2016). O poder político é importante para definir essas mudanças (BURKE; STEPHENS, 2018) e países como a Alemanha, Noruega, Índia, França, Reino Unido, Holanda, China, Brasil e o estado da Califórnia, nos Estados Unidos, já declararam a extinção do uso de combustíveis fósseis nos próximos anos (BURKE; STEPHENS, 2018).
As modificações tecnológicas são importantes para definir as mudanças de paradigmas que possuem grande importância para a dinâmica da inovação. Assim sendo, as retóricas existentes nos conceitos da teoria econômica, introduzidos por Joseph Schumpeter, predeterminam a importância de mudanças estruturais mediante quebras paradigmáticas que representam o fim de ciclos e a criação de outros que redefinem novas indústrias (DOSI, 1982; FREEMAN, 1994; SCHUMPETER, 1942).
Os discursos na teoria econômica mostram perspectivas mais amplas sobre a importância das mudanças estruturais na indústria. Em segmentos de maior complexidade tecnológica, tanto o produto como o processo são inseridos em um contexto de concorrência baseada nas inovações tecnológicas, que sempre redefinem as estruturas do setor de modo geral (CHRISTENSEN, 1997; UTTERBACK; MÄLARDALEN, 2006).
Joseph Schumpeter, um dos economistas e cientistas políticos austríacos mais importantes do século 19, discorreu sobre o progresso da inovação pela concorrência (SCHUMPETER, 1940, 1934), por meio de duas definições de modelos de inovação (MALERBA; ORSENIGO, 1996). A primeira, definida como a “destruição criadora” (SCHUMPETER, 1934), é conhecida por mudanças radicais na indústria e que pode remodelar o setor como um todo, além de promover a oportunidade da entrada de novos agentes, com modelos de empreendimento diferenciados, ou mesmo com tecnologias promissoras. A segunda, definida como “acumulação criadora” (SCHUMPETER, 1940), se aplica a indústrias com grandes firmas bem estabelecidas que, em uma concorrência acirrada, determinam as regras do mercado de forma a ampliar a dificuldade para que novos empreendimentos se estabeleçam.
Nesses parâmetros, as mudanças tecnológicas definidas no setor automobilístico estão ingressando em um novo ciclo que redefine a estrutura base de inovação (OECD, 2006). Depois de longos períodos, com mudanças incrementais acumulativas, houve um ponto de inflexão tecnológica que possibilitou a formação de inovações mais incisivas, abalando o modelo tradicional do setor. Nesta perspectiva, ressalta-se o papel dos carros elétricos como uma quebra de paradigma no setor, ampliando as margens para novos empreendimentos e a sua completa reestruturação. Uma empresa que está na vanguarda desse movimento é a americana de automóveis elétricos, a Tesla (BBC, 2017), que tem à sua frente o visionário investidor Elon Musk.
3.3. Motores Híbridos
Atualmente, existem dois modelos dominantes de motores híbridos: os de forma direta e os de forma indireta. O motor híbrido direto consiste em um motor elétrico que se integra diretamente ao motor de combustão, normalmente presente junto à caixa de transmissão do carro (SUBRAMANIYAM; KUMAR; SUBRAMANIAN, 2018). Por outro lado, o motor considerado indireto é caracterizado por ser formado por dois motores, um elétrico e outro à
combustão de ciclo Otto, agindo independentemente sob demanda, de acordo com a velocidade
ou torque necessário (GONCA, 2016; KUHTZ-BUSCHBECK et al., 2018;
SUBRAMANIYAM; KUMAR; SUBRAMANIAN, 2018).
Ambos os sistemas apresentam desvantagens: o de sistema direto, geralmente possui um motor elétrico que não apresenta muita potência, gerando em média 20 CV (cavalo vapor de potência) e tem como intuito apenas reduzir o consumo do motor a combustão de ciclo Otto. A desvantagem principal deste sistema de motor híbrido consiste na maior necessidade de espaço para o motor e por agregar mais peso ao veículo (SUBRAMANIYAM; KUMAR; SUBRAMANIAN, 2018). Já no de sistema indireto, o motor predominante é o motor a combustão, não se diferenciando muito de um veículo tradicional de ciclo Otto. O motor elétrico é de baixa capacidade, para não acrescer muito o peso do veículo, apenas funcionando como um sistema auxiliar de partida e também em momentos específicos de baixa velocidade, principalmente em conjunto ao motor a combustão na maior parte do tempo (SUBRAMANIYAM; KUMAR; SUBRAMANIAN, 2018). Não obstante essas dificuldades, o primeiro veículo Híbrido Flex do mundo, o Toyota Corolla Hybrid/Flex 2020, acaba de ser lançado no Brasil. Quando abastecido a etanol, estima-se que este é o veículo com menor emissão de CO2 por quilometro rodado, entre todos os outros, inclusive os elétricos. Trata-se, portanto, de uma quebra de paradigma que pode nortear os rumos da indústria automobilística.
3.4. Motores a Pistão Livre
Essa tecnologia foi introduzida nos anos de 1920 mas, nas últimas duas décadas, um número considerável de pesquisadores tem desenvolvido estudos nessa área. Diferentemente dos motores convencionais, na tecnologia de pistão-livre não há necessidade de um virabrequim, devido ao deslocamento livre do pistão na direção horizontal, que induz forças eletromagnéticas em um gerador linear (HUNG; LIM, 2016; JIA et al., 2018).
Motores com pistão-livre são usualmente configurados de três formas: motores lineares com pistão-único, com pistão-duplo e com pistões-opostos. A arquitetura com pistão-único tem um sistema de controle simples; entretanto, essa configuração é desbalanceada e o uso de contrapesos é necessário. Por outro lado, a estrutura de pistão-duplo é intrinsecamente balanceada quando opera com pistões de mesma massa, no entanto, um processo de sincronização dos pistões é necessário. Os motores lineares com pistões-opostos têm um design compacto, uma maior densidade de potência e eficiência, mas em contrapartida são
desbalanceados e relativamente difíceis de serem controlados (HUNG; LIM, 2016; JIA et al., 2018). A Figura 10 ilustra um modelo esquemático de um motor com pistão-livre desenvolvido pela Toyota Central R&D Labs Inc. (“Free Piston Engine Linear Generator ‘FPEG’”, [s.d.]).
Figura 10: Motor com pistão-livre desenvolvido pela Toyota Central R&D Labs Inc. Fonte: (“Free Piston Engine Linear Generator ‘FPEG’”, [s.d.]).
Usando motores com pistão-livre, a Central R&D Labs Inc. publicou dois artigos sobre seus trabalhos desenvolvidos em um protótipo de um gerador linear (FPEG) de 10 kW para veículos elétricos (GOTO et al., 2014; KOSAKA et al., 2014). Também, em 2016, pesquisadores da Toyota apresentaram um novo método de controle para motores com pistão-livre que garante um movimento flexível e estável do pistão, com uma maior eficiência para geração de potência elétrica. O resultado dessa arquitetura é um motor a combustão com uma eficiência de 40-50% (KOSAKA et al., 2014). Além da Toyota, existe uma lista extensiva de diferentes grupos de pesquisa desenvolvendo motores com pistão-livre, que pode ser encontrada em (BOOGAARD et al., 2012).
3.5. Motores a Microturbina
Baseados em turbinas a gás, os motores com microturbinas podem ser utilizados para gerar uma potência elétrica de saída de 25 kW até 500 kW. Os principais componentes das microturbinas são o compressor, a câmara de combustão e a turbina, tal como uma turbina a gás convencional. A principal diferença está no fato de que as microturbinas têm apenas um conjunto de compressor e pás de turbina, além do tamanho menor (TAN et al., 2017). A Figura 11 apresenta a vista em corte de uma microturbina.
Figura 11: Vista em corte de uma microturbina. Fonte: (TAN et al., 2017).
Quando operando com um sistema combinado de potência e aquecimento, um motor com microturbina pode alcançar 45% de eficiência, resultando em uma redução significativa das emissões de CO2.
3.6. Células a Combustível e-bio
Considerada por muitos pesquisadores como a tecnologia de motores mais promissora para veículos elétricos, com baixa emissão de CO2, a célula a combustível e-bio utiliza bioetanol para gerar energia elétrica por meio de uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC) (STEIL et al., 2017). Como o bioetanol é produzido de plantas com baixa pegada de carbono (e.g., cana-de-açúcar), o processo de conversão de energia pode ser considerado com ciclo neutro de CO2.
A operação do SOFC é dada basicamente em três passos: primeiro, o reformador, alimentado com bioetanol, produz hidrogênio; em seguida, as células do SOFC geram eletricidade pela reação entre o hidrogênio produzido e o oxigênio retirado do ar; e por fim, a eletricidade gerada é temporariamente armazenada em baterias de pequeno porte para alimentar os motores elétricos (STEIL et al., 2017).
As temperaturas de operação dos SOFSs giram em torno de 800ºC a 1000ºC, o que é vantajoso para o aumento da reação cinética química. Por causa desse cenário de altas temperaturas, não é necessária a utilização de um catalisador metálico; porém, as células a combustível atuais ainda precisam de um longo tempo para serem inicializadas e para atingirem a temperatura ótima de operação (aproximadamente 10 minutos). Além disso, é necessário utilizar uma proteção com materiais resistentes a altas temperaturas, a fim de mitigar as perdas térmicas (I. S. PIETA, A. DONAZZI, 2018).
A eficiência de um SOFC é de aproximadamente 60% quando está convertendo combustível em eletricidade. Em contrapartida, se a alta temperatura produzida também for aproveitada, a eficiência energética pode atingir 80% (I. S. PIETA, A. DONAZZI, 2018; STEIL et al., 2017). A Figura 12 apresenta um diagrama esquemático do processo do SOFC.
Figura 12: Diagrama do processo do SOFC. Fonte: (“Nissan developing electric vehicles powered by ethanol-fueled solid oxide fuel cells; commercialization in 2020”, 2016).
3.7. Aumento da Autonomia de Veículos Elétricos
Diferentemente dos motores a combustão convencionais, os motores elétricos possuem uma curva de torque praticamente plana em função da rotação em rpm (rotações por minuto). O motor elétrico, portanto, pode partir do ponto morto com o mesmo torque que é apresentado em altas velocidades. A velocidade é limitada pela potência elétrica disponível e a potência requerida para o deslocamento do veículo.
Um dos maiores problemas dos motores elétricos reside na questão da autonomia. Para garantir uma autonomia significativa, utiliza-se uma bateria grande e cara ou um banco de
baterias. Uma solução alternativa para esse problema é dada pelo uso de um motor extensor de autonomia (range extender), preferencialmente abastecido por algum biocombustível que permite a utilização de baterias menores e maiores distâncias a serem percorridas. Essa estratégia pode ser usada tanto em veículos leves quanto em veículos pesados. Para veículos pesados, como caminhões e ônibus, tecnologias de powertrains elétricos têm sido desenvolvidas amplamente nos últimos anos, como no caso da arquitetura escalável, eletrônica, modular (MESA) (HANNA, 2010), que combina motores elétricos com um gerador baseado em microturbina para aumentar a autonomia. O sistema MESA, quando alimentado a biocombustível, reduz drasticamente as emissões de CO2 se comparado aos extensores de autonomia abastecidos com diesel, comumente usados.
Atualmente, como mencionado pela Associação Brasileira de Engenharia Automotiva (AEA), um veículo híbrido, que utiliza etanol para aumento da autonomia, emite apenas 23 gCO2e/km, sendo possível a redução para 14 gCO2e/km em 2030. Esses veículos híbridos emitem apenas 14% e 17% do CO2 liberado por veículos a gasolina e elétricos (da União Europeia), respectivamente. Além disso, se um motor a etanol utilizado em carros híbridos fosse substituído por uma célula a combustível e-bio, um motor com pistão-livre ou um motor com microturbina, um cenário com emissões de CO2 menores ainda poderia ser obtido. A previsão da AEA, para 2040, é que os carros com célula a combustível e-bio devam emitir apenas 11 gCO2e/km.
Capítulo 4
Contexto brasileiro de sustentabilidade
No cenário internacional, o desenvolvimento de alternativas de produção de energia limpa é crescente e possui forte presença nos sistemas de inovação. Assim, novas tecnologias estão cada vez mais presentes a nível global, movendo grandes fluxos de capital que viabilizam a superação das tecnologias tradicionais menos sustentáveis. Recentemente, em termos de produção elétrica, as maiores referências em tecnologias limpas são as de fontes eólica, fotovoltaica e de biocombustíveis (KEMP; SOETE, 1992).
No cenário industrial, empresas que adotaram a bandeira da sustentabilidade, da energia renovável e do alto conteúdo tecnológico, estão tomando a liderança no mercado. A empresa Tesla, por exemplo, com o desenvolvimento de veículos elétricos, superou em valor de mercado empresas mais tradicionais, como a Ford e a General Motors (GM), chegando a atingir o valor recorde de US$ 50,8 bilhões, cerca de um bilhão a mais do que o valor da GM (BBC, 2017).
Assim, no cenário brasileiro é importante enfatizar que existem algumas especificidades no modelo de desenvolvimento tecnológico, que podem ser relevantes para a sustentabilidade e que podem abrir novos caminhos para a independência do uso do combustível fóssil. Além do Brasil, o desenvolvimento do etanol é uma realidade em vários outros países, como uma das alternativas de biocombustíveis mais eficientes (ELLIOTT, 2000; SCHUTTE; BARROS, 2010; ZHAO; LI, 2015). Derivado da cana-de-açúcar, que é de fácil cultivo, o etanol mostrou-se uma das principais alternativas para a redução de poluentes e é forte candidato como substituto dos combustíveis fósseis, que é considerado um recurso limitado e que causa fortes impactos ao meio ambiente (SCHUTTE; BARROS, 2010).
O caminho trilhado pelo Brasil para a sustentabilidade já está consolidado há muito tempo, possuindo uma rota tecnológica sólida que, pelos fortes investimentos em pesquisa e desenvolvimento, possibilitou a formação de centros de pesquisa com o objetivo de unir a produção acadêmica com o setor produtivo, transformando em realidade o que hoje é considerado o combustível renovável mais presente no mundo, o etanol com base na cana-de-açúcar (CORTEZ, 2016).
O sucesso brasileiro incentivou alguns movimentos internacionais para o desenvolvimento de políticas que introduzam o etanol como aditivo ou mesmo substitutos dos combustíveis tradicionais (RACHED, 2011; SCHUTTE; BARROS, 2010). Dessa maneira,
existem altas expectativas em relação ao etanol e, em consequência, uma grande necessidade em ampliar a produção desse biocombustível, gerando novas oportunidades econômicas para o Brasil.
4.1. Contexto histórico brasileiro
Inicialmente, a necessidade do desenvolvimento de um biocombustível no Brasil ocorreu a fim de se reduzir a dependência externa ao petróleo. Assim, por meio de investimentos para se alcançar a autonomia nacional na área energética, buscou-se alternativas mais convenientes que tirassem proveito de fatores já presentes no território brasileiro. Esse desenvolvimento foi iniciado com o Proálcool, que foi criado em meados dos anos 70, devido as frequentes crises do petróleo. A partir desse ponto, surgiram diversas propostas para desenvolver alternativas que tirassem proveito das riquezas naturais abundantes no Brasil (BIODISELBR, 2006; CORTEZ, 2016; CRUZ et al., 2015; SILVA et al., 2013).
O desenvolvimento do Proálcool foi incentivado com o decreto Nº 76.593 (CORTEZ, 2010a, 2016). Com esse decreto, a agroindústria da cana-de-açúcar tirou proveito de vários programas científicos, visando o desenvolvimento tecnológico. Isso culminou no maior movimento técnico-industrial em prol de energias renováveis no mundo (ANSANELLI et al., 2017; CORTEZ, 2010a, 2016).
Em 1971, foram criadas as primeiras iniciativas cientificas para a melhoria da cana-de-açúcar, sob o manto do “Plano Nacional de Melhoramento da Cana-de-açúcar” (Planalsucar) (CRUZ et al., 2015). A proposta desse plano era desenvolver novas variedades de cana para ampliar a produtividade canavieira. Sem o desenvolvimento desse programa, a implementação do Proálcool teria sido impossível, devido à baixa produtividade da indústria canavieira na época (CORTEZ, 2016).
No ano de 1973, houve o primeiro choque do petróleo, ocorrido pelo embargo dos países integrantes da OPEP (Organização dos Países Exportadores de Petróleo), elevando o preço do barril do petróleo de US$ 1,90 para US$ 11,20, entre os anos de 1972 a 1974 (CORTEZ, 2016). Os impactos desse aumento de preço para o Brasil foram muito fortes, dado que 80% de todo o consumo nacional de petróleo eram de fontes externas, o que elevou consideravelmente o preço final dos seus derivados para consumo interno (CORTEZ, 2010b). Nesse mesmo período, a indústria açucareira estava em baixa, pois os preços do açúcar no mercado internacional estavam em declínio, despertando a necessidade do setor em se reinventar. Esse cenário abriu
margem para novas oportunidades, como a produção da cana-de-açúcar para fabricação de etanol (CORTEZ, 2016).
Entre 1975 e 1979 se deu a primeira fase do Proálcool, mediante a produção do álcool pelas recém-formadas destilarias agregadas nas usinas de açúcar (CORTEZ, 2016). O etanol gerado era do tipo “anidro” e tinha por finalidade ser misturado à gasolina. A produção do etanol então cresceu exponencialmente, saltando de 600 milhões de litros em 1975 para 3,4 bilhões de litros anuais em 1980, como pode ser visto na Figura 13 (CORTEZ, 2016).
Figura 13: Fases do Proálcool no período 1972-2015. Fonte: (CORTEZ, 2016).
Entretanto, no período de 1985 e 1986, o Brasil foi acusado pela Comissão de Comércio Internacional (International Trade Commission - ITC) de praticar dumping de preços ao exportar etanol para os Estados Unidos com custo reduzido, devido a subsídios governamentais. Para se defender dessas acusações, o governo brasileiro criou o Comitê Especial de Exportação dos Produtores Brasileiros de Álcool, que elaborou ações anti-dumping e de direitos compensatórios. A vitória não foi fácil, porém foi comprovada a ausência de dumping nos preços e, posteriormente, revelado que os danos dos subsídios foram mínimos para os produtores dos EUA (CORTEZ, 2016).
Posteriormente, no ano de 1988 foi criado o Consórcio Internacional para Biotecnologia da Cana-de-Açúcar, também conhecida como ICSB (CORTEZ, 2016), que possibilitou o mapeamento genético da cana-de-açúcar e abriu várias portas para o desenvolvimento de novas espécies da cultura (LEITE, 2008; MARIANO, 2015; OKUNO, 2017).
O fim dos anos 80 foi o ponto de inflexão do desenvolvimento fomentado pelo Proálcool, dada a crise inflacionária que se alastrou pelo Brasil após o governo militar, em 1985 (CORTEZ, 2016, 2010b). A redução de investimentos para a produção de álcool, juntamente com o aumento da produção de veículos movidos a etanol, levou, em 1989, à escassez do combustível no mercado nacional (CORTEZ, 2016). Houve a necessidade de importar metanol como meio de garantir o abastecimento do mercado na falta de etanol, adicionando-o na mistura do combustível (CORTEZ, 2016).
O ano de 1990 foi marcado pela extinção do Instituto do Açúcar e do Álcool (IAA) e do Planalsucar, os precursores do desenvolvimento do etanol no Brasil, pelo presidente Fernando Collor de Mello, com o decreto 99.240 (CORTEZ, 2016).
Nesse contexto, foi criado no ano de 1994 o programa cana do Instituto Agronômico de Campinas (IAC), com o intuito de aprimorar as pesquisas e o desenvolvimento da cana-de-açúcar sob a perspectiva nacional. Nesse período, houve forte progresso no setor em termos de processos produtivos e de combate a pragas, reduzindo-se os riscos naturais no processo de plantio da cana (CORTEZ, 2016; CRUZ et al., 2015; FILHO, 2017; FURTADO; SCANDIFFIO; CORTEZ, 2011).
Após cinco anos, em 1999, foi formado o primeiro fundo setorial da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), juntamente ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), com o codinome de CT-PETRO, que promoveu o desenvolvimento de laboratórios especializados em controle de qualidade do biocombustível (CRUZ et al., 2015). Também foi criada uma entidade de fiscalização pela Agência Nacional do Petróleo (ANP), que marcou o fim do século 20 pela formação instrumental necessária para o desenvolvimento produtivo da cana-de-açúcar (CRUZ et al., 2015). Porém, a década de 1990 também foi conhecida como o período em que os setores relacionados à indústria nacional se mantiveram estagnados, dado o foco da produtividade voltado para o mercado externo (CORTEZ, 2016).
Em contrapartida, o início do século 21 é reconhecido como o período de retomada do desenvolvimento de novas tecnologias mais eficientes para o uso do etanol, dada a introdução dos veículos Flex, conhecidos também como FFV (FURTADO; SCANDIFFIO; CORTEZ, 2011). O FFV foi considerado um novo ponto de partida para o biocombustível nacional, dado que o consumidor brasileiro queria um veículo que funcionasse tanto com o etanol quanto com
