Combustível ou plástico: Avaliação ambiental de diferentes usos de etanol

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1 Combustível ou plástico: Avaliação ambiental de diferentes usos de etanol Alvarenga, R.A.F 1,2,3,4 ; Souza Júnior, H.R.A. 1,2 ; Zanghelini, G.M. 1,3 ; Cherubini, E. 1,3 ; Galindro, B.M. 3 ; Soares, S.R. 1 ; Dewulf, J. 5 1 Programa de Pós-graduação em Engenharia Ambiental (PPGEA) Grupo de Pesquisa em Avaliação do Ciclo de Vida (Ciclog). Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. Centro Tecnológico Campus Universitário Trindade. Caixa Postal 476. CEP Florianópolis, Brasil 2 Departametno de Engenharia Ambiental. Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Agroveterinárias. Av. Luiz de Camões, 2090, Conta Dinheiro, CEP Lages, Brasil. 3 EnCiclo Soluções Sustentáveis. Avenida das Águias, 231, Ed. Corporate Center, sala 110, Cidade Criativa Pedra Branca. CEP Palhoça/SC (Grande Florianópolis). Brasil. 4 Bolsista Jovem Talento do Programa Ciência sem Fronteiras (CAPES) 5 Department of Sustainable Organic Chemistry and Technology. Faculty of Bioscience Engineering. Ghent University. Coupure Links 653, 9000-Ghent, Bélgica O etanol é utilizado como biocombustível no Brasil há mais de trinta anos, porém recentemente um novo mercado de produtos de base biótica, como bioplásticos, tem se expandido. Conhecendo as vantagens ambientais do etanol brasileiro, pode-se questionar qual uso deste produto pode gerar mais ganhos ao meio ambiente. Nesse sentido fezse a avaliação do ciclo de vida de diferentes produtos de etanol: (1) Combustível; (2) Etileno para plásticos com curta vida útil (até 1 ano); e (3) Etileno para plásticos com longa vida útil (40 anos). Em todos os cenários avaliouse o saldo ambiental entre utilizar o produto de origem biótica e evitar o uso do produto tradicional (gasolina ou etileno fóssil). Este estudo focou nas categorias Mudanças Climáticas (MC) e Consumo de Recursos Fósseis (CRF). Para MC utilizou-se o método IPCC 2007 (100a) e atualizações nos fatores de caracterização para emissão de dióxido de carbono biótico, baseado em Cherubini et al (2011) e Guest et al (2012). Para MC o cenário (3) apresentou melhor resultado (valores até -2,51 kgco2eq/kg etanol), seguido do cenário (2) e por último o cenário (1). Para CRF os cenários (2) e (3) tiveram o mesmo resultado (-36,49 MJ), enquanto que o cenário (1) teve o menor ganho ambiental. Este estudo demonstrou que o etanol apresenta vantagens ambientais em MC e CRF quando comparados com seus produtos concorrentes, porém estas vantagens podem ser ainda maiores quando o etanol é utilizado na produção de bioplásticos com longa vida útil. Palavras-chave: Etanol, bioplástico, ACV, bioetileno 1. Introdução Etanol pode ser produzido a partir de diversas fontes de biomassa, mas no Brasil ele é produzido principalmente a partir da cana-de-açúcar. A indústria da cana-de-açúcar e etanol no Brasil já demonstrou bons resultados, obtendo uma relação de energia produzida sobre energia consumida fóssil de 9,3 (Macedo et al., 2008), i.e., pra cada 1 MJ de energia fóssil consumida,

2 9,3 MJ de bioenergia foi produzida. Etanol é a principal fonte de biocombustíveis no Brasil desde os anos 1970 (Goldemberg et al., 2008), tanto como único combustível, etanol hidratado (E100), ou misturado à gasolina, neste caso o etanol anidro. A composição de etanol anidro misturado à gasolina variou ao longo dos anos, entre 20% e 25% em volume (E20 e E25). Nos últimos anos o etanol vem sendo considerado (novamente) como uma alternativa para produção de plásticos renováveis, por exemplo, a produção de bioetileno, usado como matéria-prima na produção de diversos plásticos, como polietileno (PE) (Braskem - o policloreto de vinila (PVC) (Solvay - e o politereftalato de etileno (PET) (Coca-cola - O etanol tem diversas outras aplicações (e.g. uso farmacêutico), mas considerando o mercado já estabelecido de biocombustíveis no Brasil e o potencial de crescimento no mercado de bioplásticos (Reisch, 2012), estes dois usos do etanol são os mais promissores para este setor. Quando o etanol hidratado (com 96 GL) é usado em carros no Brasil (ou seja, o E100), evita-se o uso de gasolina, que inclui valores entre 20% e 25% de etanol anidro (com 99.7 GL) (Lei n de 2001). Ao mesmo tempo, quando o etanol hidratado é usado para produzir o bioetileno, evita-se o uso de etileno de fonte fóssil. Neste sentido, pode-se levantar a pergunta de qual destes dois usos pode trazer mais ganhos ambientais para o meio ambiente. Este estudo foi feito por Alvarenga e Dewulf (2013), porém não foram consideradas novas abordagens referentes à pegada de carbono para produtos bióticos (Cherubini et al., 2011; Guest et al., 2012), e não se considerou diferenças do tempo de vida de bioplásticos. Assim, o objetivo deste trabalho foi de avaliar qual das duas opções de uso de etanol hidratado (como combustível ou como um monômero na indústria química) poderia trazer mais benefícios à sociedade, através do uso de avaliação do ciclo de vida (ACV). Criaram-se três cenários: (1) utilizando o etanol hidratado para uso como combustível, (2) utilizando o etanol hidratado como matéria-prima para bioplástico com curto tempo de vida (e.g. sacolas plásticas de supermercado) e (3) utilizando o etanol hidratado como matéria-prima para bioplástico com longo tempo de vida (e.g. tubos de encanamento). Como a grande maioria dos estudos que compararam biocombustíveis (e bioplásticos) com suas referências de origem fóssil apontaram que a contribuição está principalmente na redução de gases de efeito estufa (GEE) e consumo de recursos fósseis (CRF) (Liptow and Tillman, 2012; Alvarenga et al., 2013; Cavalett et al., 2012), a ACV feita neste trabalho focou-se apenas nestas duas categorias de impacto ambiental. 2. Metodologia Para fazer esta análise ambiental utilizou-se a abordagem atribucional de ACV. Porém, diferentemente dos estudos mais tradicionais de ACV, que avaliam produtos com mesmas funções, neste estudo avaliou-se três produtos com funções diferentes, mas que têm a mesma matéria-prima (etanol hidratado). Desta forma, para se poder ter resultados comparáveis entre estas três possibilidades de uso do etanol hidratado como matéria-prima, subtraiu-se dos resultados obtidos o valor de impacto ambiental dos produtos alternativos que podem ser usados

3 no Brasil, i.e., o etileno de origem fóssil e a mistura de gasolina E22 (gasolina com adição de etanol anidro), obtendo assim uma espécie de saldo ambiental. Esta é uma abordagem não muito convencional para estudos de ACV, e pode ser melhor compreendida através da Figura 1. A unidade funcional (UF) considerada neste estudo foi de 1 kg de etanol hidratado. Figura 1: Fluxograma simplificado das duas rotas de uso para etanol hidratado considerados neste estudo (combustível ou monômero para a indústria química), sendo que a rota monômero apresenta ainda uma subdivisão entre uso do etanol em bioplástico sem estocagem de carbono (e.g. sacolas plásticas) e bioplástico com estocagem de carbono (e.g. tubos de encanamento) Considerou-se os mesmo processos de produção de cana-de-açúcar e etanol para as duas rotas, baseados em dados de Cavalett et al. (2012), onde 1000 kg de cana-de-açúcar produzem 69,3 kg de etanol hidratado, com co-geração de eletricidade. Neste trabalho utilizou-se expansão do sistema com substituição (para evitar alocação) com a eletricidade da rede brasileira, baseada em dados do ecoinvent (ecoinvent, 2010). Na rota de combustível (cenário 1), foi considerado que o etanol seria usado em um carro flex (Palio fire 1.0), com consumo de combustível médio de 10L/100km (rendimento de 10km/L) para etanol hidratado e de 7,04L/100km (rendimento de 14,2km/L) para gasolina (com 22% de etanol anidro). Portanto, para a UF considerada, o fluxo de referência deste cenário é 12,7 km. Para a produção de gasolina foi considerado o processo Petrol, low-sulfur, at refinery/rer da base de dados do ecoinvent. Para a produção de etanol anidro, considerou-se os dados de Cavalett et al. (2012). Para as emissões atmosféricas devido ao uso deste combustível nos carros, foram considerados os valores publicados pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB) (CETESB, 2004).

4 Na rota de monômero para a indústria química, o processo de produção de etileno a partir do etanol hidratado foi baseado na base de dados CPM LCA Database (CPM, 2008), onde para cada 1 kg de etanol é produzido 0,588 kg de bioetileno, que é o fluxo de referência dos cenários 2 e 3. Este bioetileno pode ser usado para diversos usos, como produção de PE, PET, e PVC. Por isso, dividiu-se a rota de monômero para a indústria química em dois cenários: (cenário 2) o monômero é usado para produção de plástico com tempo curto de vida, i.e., o carbono estocado neste plástico será lançado para a atmosfera 1 ano após sua produção (e.g. sacolas plásticas incineradas após seu uso); e (cenário 3) o monômero é usado para produção de plástico com longo tempo de vida, i.e., o carbono estocado neste produto será lançado para a atmosfera somente depois de 40 anos (e.g. tubos de encanamento). Para o etileno de fonte fóssil, evitado devido ao uso do bioetileno (tanto no cenário (1) quanto no cenário (2)), utilizou-se valores da base de dados do ecoinvent. Quanto às categorias de impacto, utilizou-se a categoria fóssil do método Cumulative Energy Demand (Hischier et al. 2009), para calcular o CRF de cada produto. Além desta categoria, utilizou-se o método IPCC 2007 (100 anos), para MC, com adaptações de Cherubini et al. (2011) e Guest et al. (2012) para a avaliação de impacto de emissão de carbono biogênico. Esta análise ambiental apresenta diversas incertezas, como a fonte dos dados usados (etapa de inventário de ciclo de vida), incerteza existente nos métodos de AICV utilizados (e.g. Cherubini et al., 2011), além de questões de considerações feitas no estudo, entre elas a (I) eficiência de conversão do etanol hidratado em etileno, que foi considerada como 100%, enquanto que em Alvarenga et al. (2013) há valores em torno de 90%, e (II) a porcentagem de 22% de etanol anidro usada na mistura de gasolina no Brasil (este valor já esteve entre 20% e 25%). Porém, neste artigo não foram consideradas análises de incerteza e sensibilidade. 3. Resultados e discussão A análise dos benefícios ambientais de se substituir fontes fósseis de referência (etileno fóssil para plásticos e gasolina para transporte) está evidenciada na Figura 2. É possível avaliar que todos os cenários (1, 2, e 3) apresentam vantagens em relação às categorias CRF e MC, como já esperado. Porém, pode-se observar que as vantagens podem ser mais significativas para alguns usos que para outros. Quanto ao CRF, os cenários 2 e 3, que consideram a rota do etanol para produção de monômeros na indústria química, apresentam valores iguais, ou seja, não importa o uso final deste plástico, o benefício nesta categoria é o mesmo, i.e., 36,49MJ de energia fóssil são salvas pra cada 1 kg de etanol hidratado utilizado para produção de plásticos. Pode-se observar que este benefício é maior que o benefício do uso de etanol hidratado para transporte (26,49 MJ). Isso se deve principalmente devido a referência fóssil no transporte já ter uma proporção elevada de recursos bióticos (etanol anidro), enquanto que a referência na indústria química seja totalmente fóssil (etileno produzido a partir de petróleo e/ou gás natural).

5 Figura 2: Benefício ambiental gerado na categoria de consumo de recursos fósseis (a) e emissão de gases de efeito estufa (b) devido ao uso de etanol hidratado como fonte de matéria-prima para combustíveis no setor de transporte e como monômero na indústria química Com relação a categoria MC, pode-se observar que o benefício ambiental difere entre todos os cenários. O cenário 3, que apresentou um benefício de -2,51 kg CO 2 eq pra cada 1 kg de etanol utilizado na indústria química (evitando assim o uso de etileno fóssil), apresentou o melhor resultado. Isso se deu porque o cenário 3 considera o uso do produto de plástico por 40 anos, que fará com que o carbono biogênico fique estocado naquele produto por um longo tempo, dando maiores benefícios à categoria de MC. O cenário 2 apresentou o segundo melhor resultado (-1,92 kgco 2 eq), sendo o cenário de uso como combustível para transporte o benefício menos simbólico (-1,62 kgco 2 eq). Como descrito anteriormente, a grande vantagem do cenário 3 em relação aos outros cenários se deve principalmente a estocagem de carbono. Tanto o cenário 1 quanto o cenário 2 consideram que a emissão de carbono biogênico ocorria num curto espaço de tempo, ou seja, sem estocagem significativa de carbono. Porém, o cenário 1 apresenta piores resultados que o cenário 2 devido à referência do combustível já considerar uma fração de recursos bióticos (etanol anidro), i.e., uma parte dela já capta CO 2 biogênico; enquanto que no cenário 2 a referência é o etileno fóssil, em que 100% desta matéria-prima é de origem fóssil. 4. Conclusão Com este estudo foi possível avaliar que os benefícios (nas categorias de CRF e MC) da substituição de matéria-prima fóssil por recursos renováveis (etanol de cana-de-açúcar) podem ser mais significantes se esta matéria-prima é aplicada na indústria química, como monômero para produção de plásticos, que como combustível para o setor de transportes. E com relação à categoria de MC, este benefício pode ser ainda maior se este plástico for usado por um longo período de tempo, como tubulações de encanamento. Estas vantagens estão diretamente relacionadas às suas referências tecnológicas, uma vez que no Brasil o etanol hidratado substitui o uso de gasolina que já contém uma fração de recursos bióticos (de 20 a 25% de etanol anidro);

6 enquanto que na indústria química, o etileno tradicional é totalmente produzido a partir de recursos fósseis (petróleo e/ou gás natural). Estes valores devem ser analisados com cuidado, uma vez que para este artigo não foram realizadas análise de incertezas e sensibilidade dos dados, o que poderia alterar tais conclusões. 5. Referências Alvarenga RAF, Dewulf J. Plastic vs. fuel: Which use of the Brazilian ethanol can bring more environmental gains? Renewable Energy 2013, v. 59, p Alvarenga RAF, Dewulf J, De Meester S, Wathelet A, Villers J, Thommeret R, et al. Life cycle assessment of bioethanol-based PVC. Part 1: attributional approach. Biofuels, Bioproducts and Biorefining 2013, v. 7, p Cavalett O, Chagas M, Seabra J, Bonomi A. Comparative LCA of ethanol versus gasoline in Brazil using different LCIA methods. International Journal of Life Cycle Assessment 2012, v. 18, p CETESB. Relatorio de qualidade do ar no Estado de Sao Paulo Sao Paulo, Brazil p Cherubini F, Peters GP, Berntsen T, StrØMman AH, Hertwich E. CO2 emissions from biomass combustion for bioenergy: atmospheric decay and contribution to global warming. GCB Bioenergy 2011, v. 3, p CPM. Center for environmental assessment of product and material systems (CPM) LCA database. CPM Consortium Ecoinvent. Ecoinvent data v2.2. Ecoinvent reports No Dübendorf: Swiss Centre for Life Cycle Inventories Goldemberg J, Coelho ST, Guardabassi P. The sustainability of ethanol production from sugarcane,. Energy Policy 2008, v.36, p Guest G, Cherubini F, Strømman AH. Global Warming Potential of Carbon Dioxide Emissions from Biomass Stored in the Anthroposphere and Used for Bioenergy at End of Life. Journal of Industrial Ecology 2012, v. 17, p Hischier R, Weidema B, Althaus H-J, Doka G, Dones R, Frischknecht R, et al. Implementation of life cycle impact assessment methods: final report ecoinvent v2.1. St. Gallen, Switzerland: Swiss Centre for Life Cycle Inventories; Liptow C, Tillman A-M. A comparative life cycle assessment study of polyethylene based on sugarcane and crude oil. Journal of Industrial Ecology 2012, v. 16, p Macedo IC, Seabra JEA, Silva JEAR. Green house gases emissions in the production and use of ethanol from sugarcane in Brazil: the 2005/2006 averages and a prediction for 2020, Biomass and Bioenergy 2008, v.32, p Reisch MS. Mainstreaming biobased plastics. Chemical Engineering News 2012, v. 90, p