A produção sustentável de bioenergia derivada da cana de açúcar no Brasil: A importância da fixação biológica de nitrogênio

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1 A produção sustentável de bioenergia derivada da cana de açúcar no Brasil: A importância da fixação biológica de nitrogênio Segundo Urquiaga Bruno Alves. Luis H. Soares Veronica Reis Robert Boddey Pesq. Embrapa Agrobiologia, Clique para editar o estilo do subtítulo mestre Prof. Depto. Solos e Fitotecnia, UFRRJ CPAC, DF 24 agosto, 21

2 Cidade antiga. Madagascar Terraços andinos O desenvolvimento da humanidade foi baseado na disponibilidade de solos férteis, água e biomassa energética.

3 Evolução da matriz energética do mundo 1 Biomassa moderna e H2 9 Biomassa (Lenha) 8 Nuclear Hidro Solar 7 Gás Natural 6 Solar Petróleo Carvão 2 1 Outros Fonte: Nakícenovic, Grübler and MaConald,

4 Emissões de gases de efeito estufa no mundo CO2 de fontes fósseis IPCC Quarto Relatório (AR4) - 27

5 -1 Consumo global de N-fertilizante (Tg año ) Consumo global anual de N-fertilizante de 196 a 22 Consumo global de Nfertilizante (Tg ano-1) Años Anos Fonte: FAO. (http/

6 Consumo de fertilizantes nitrogenados no Brasil 3 Consumo de N (Gg) Anos (IFA, 24)

7 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 1 kg/ha N ~ 45 kg/ha CO2 N2 N2 1 kg/ha N ~ 1 kg N2O ~ 5 kg/ha CO2 Assumindo-se uma eficiência de uso do fertilizante de 5%, e que 25% do N aplicado passa a formar a matéria orgânica do solo Adub o Nitro gênio N2 N2O NH4+ 1 kg/ha N ~ 11 kg/ha CO2 NO3- C-MOS

8 A sustentabilidade dos programas energéticos depende de: Balanço energético positivo: energia produzida > energia investida. Balanço de gases de efeito estufa: gerar menos gases de efeito estufa do que a fonte energética convencional.

9 A FBN e o balanço energético A. Processo Industrial Energia fóssil N2 + 3H NH3 (78% Ar) Gás Natural 45 oc (Fertilizante) 2 atm. Processo Haber-Bosch (~2 Mcal/kg N-Fertil.) B. FBN (bactéria diazotrófica) Fotossínteses N2 + 6H NH3 (Nitrogenase) ATP

10 A CULTURA DE CANA DE AÇÚCAR NO BRASIL: PRODUÇÃO SUSTENTÁVEL DE ÁLCOOL E A PROTEÇÃO DO MEIO AMBIENTE A experiência brasileira!!!!

11 Cana-de-açúcar no Brasil Ciclo de 6 anos Área plantada 28-9,4 Mha plantada. Área colhida 28-8,2 Mha. Produção de 24,5 bilhões de litros de etanol. Fertilização com 57 kg N ha-1, aplicação de 8 m3 vinhaça e 1 toneladas torta filtro por ha. 6% da área com queima Rendimento médio - 79,5 ton./ha Produção do etanol por ha - 65 litros

12 Balanço energético da cana-de-açúcar Operação A. No Campo Óleo diesel Màquinas Insumos e aplicação Transporte da cana para usina Aplicação da vinhaça Colheita (6% queimada, 4% crua) Total B. Na Usina Insumos Construções e máquinas MJ/ha/ano Total 2611 Total energia fóssil Energia total do etanol produzido em 1 ha de cana (79,5 ton. cana, 6.5 Litros etanol) Balanço energético 9,35 (Boddey et al., 1995; Urquiaga et al., 25; Macedo et al, 28; Soares et al., 29)

13 A FBN e a nutrição nitrogenada de gramíneas -N Pensacola -N Batatais (Dobereiner & Day, 1959)

14 1 Mg de colmos/ ha : 2 kg N ha-1 (cana planta) 12 a 18 kg N ha-1 (socarias) Orlando Filho et al., 198 Colmo exportado para usina Alta extração de N Queima da palha Cana de Açúcar Baixas aplicações de N 8 kg ha-1 socarias 3 kg ha-1 cana-planta Rápido esgotamento da reserva de N no solo?? Sistema de reposição natural de N (Salcedo et al., 1988)

15 RB

16 Presença de bactérias diazotróficas e funcionamento da nitrogenase em plantas de cana-de-açúcar. (James & Olivares, 1998; Urquiaga et al, 25)

17 Contribuição da FBN em cana-de-açúcar no Brasil Usina Cruangi Pernambuco Usina Jatiboca OP Destilaria Atenas S/A Fornecedores Minas Gerais Usina Santa Cruz S/A Usina Barcelos S/A Campus Leonel Miranda Rio de Janeiro Usina São José OP Usina Santa Cruz OP Usina Iracema S/A São Paulo

18 Contribuição da FBN (%) na cultura da cana-deaçúcar em diferentes regiões do Brasil. Técnica de abundância natural de 15N ( 15N). 37,9% ( 7%). Boddey et al. (21) 31,% (3 76%). Yoneyama et al. (1997)

19 Krakatau Chunne SP DAP Em variedades de cana eficientes para FBN, este fenômeno pode contribuir com mais de 6% da demanda de nitrogênio pela cultura

20 KRAKATAU

21 Contribuição da fixação biológica de nitrogênio (FBN) em 1 var. de canae-açúcar em 15 anos de cultivo (13 cortes), estimado pelo balanço de N otal do sistema solo-planta. Planossolo (-6cm). N no Solo Variedades de cana FBN Balanço de N Inicial % N na P. Aérea Final N-Total acumulado kg de N ha-1 CB ab 465 ab* a 472 a 1318 cd CB45-3 b -21 b 5522 a 4254 a 1246 cd KRAKATAU 67 a 1513 a 5353 a 497 a 1896 a SP ab 157 ab 5374 a 4774 a 1657 ab SP a 1182 a 587 a 57 a 1199 d SP ab 639 ab 521 a 4675 a 1175 de SP a 12 a 4475 a 4188 a 1487 bc SP ab 66 ab 4967 a 4251 a 1323 cd CHUNNEE b -217 c 4971 a 3852 a 91 ef RBcoluna os valores seguidos 8 a pela mesma 576letra ab não diferem 4273entre a ssi pelo 45teste a Tukey (p=.5) 843 f Em cada CV (Urquiaga 15 et al. em preparação) 9

22 Contribuição da fixação biológica de nitrogênio (FBN) em 1 variedades de cana e açúcar em 9 anos de cultivo, estimado pelo balanço de N total no sistema olo-planta na profundidade de -2cm Seropédica. FBN % Balanço de N Variedades de cana Solo Inicial Planta N-Total Parte aérea Final 1ª fase 2ª fase Total kg ha-1 de N KRAKATAU SP * / SP a 462 ab a 346 b 329 b 675 bc 37 abc 232 bcd a 29 bcd 266 bc 556 cd SP * / RB abc 276 bcd a 316 bc 239 bc 555 cd SP ab 425 ab a 454 a 39 bc 763 b RB ab 386 abc a 463 a 291 bc 754 b RB * / RB bc 64 cd a 185 d 23 c 388 d CHUNNEE 5c 16 d a 23 cd 65 d 295 e CB 45-3* / RB abc 255 bcd a 268 bcd 318 bc 586 bc SP a 644 a a 463 a 482 a 945 a RB ab 337 abcd a 371 ab 216 bc 587 bc CV Em cada coluna os valores seguidos pela mesma letra não diferem entre si pelo teste Tukey (p=,5)

23 Potencial para seleção por mudas 21 Crosses rated 6 August 21 Number of Crosses Crosses out of 35, with a rating of 6 or higher. (19 %) As mudas mostram uma variação de coloração, abrindo a possibilidade de seleção. A cor verde indica o potencial de FBN. É uma característica altamente herdável em cana-de-açúcar. Colour Rating Variedades comerciais Potencial para novas variedades Reghenzani, 27. Austrália

24 Inoculante para cana de açúcar 5 pacotes contendo 125 g de turfa + bactéria = mistura com água

25 1. Inoculação Detalhe do processo de inoculação à sombra

26 2. Semeadura Detalhe das parcelas e das bolsas contendo as canas-sementes inoculadas

27 Usina Maravilla cana-planta - 28 RB92579 não inoculada Rend. médio: 156 t/ha RB92579 inoculada Rendimento médio: 165 t/ha

28 Efeito da inoculação com bactérias diazotróficas no rendimento de cana de açúcar, var. RB , durante três cortes. Usina Santa Cruz. Campos dos Goytacazes, Rio de Janeiro. (Reis, Urquiaga, Shultz, Butke, Moraes. Em preparação). Tratamentos 1º corte (27) 2º corte 3º corte (29) Rendimento (28 medio t ha-1 kg Nha-1 t ha-1 t ha-1 t g ha-1 Testigo Inoculação no plantio 133b 143a 137c 162b 82b 122a 52b 83a 89b 111a Inoculação na planta micropropagada e re-inoculada 153a 188a 19a 8a 114a 12 kg Nha-1 CV (%) 158a 15 2a a 25 88a a Em cada coluna, os valores seguidos pela mesma letra não são significativamente diferentes entre si (Tukey, p=,5). O inoculante foi constituído pelas estirpes: Pal5T,Gluconacetobacter diazotrophicus; CBamc, Azospirillum amazonense; HRC54, Herbaspirillum seropedicae; HCC13, H. rubrisubalbicans y PPe8T de Burkholderia tropica.

29 ADUBAÇÃO VERDE Crotalaria spectabilis crescendo em pre-plantio de cana-deaçúcar (Conteúdo de N total: 12 kg N/ha) Usina Coruripe. Maceió, Alagoas.

30 Aquecimento Global CO2 Fotossíntese Slide cortesia de Brigitte Feigl, CENA, USP

31 Impacto da cultura de cana na preservação do solo e o meio-ambiente Influencia da cultura no conteúdo de matéria orgânica do solo e emissão de gases de efeito estufa. 1. Importância das raízes ( 7 a 1 t/ha ano, base seca). 2. Manejo : Queima vs. Não queima 3. O etanol de cana e a mitigação do efeito estufa.

32 Fontes de contribuição de energia fóssil e de GEE na produção de etanol de cana de açúcar Em todas as etapas da produção de cana-de-açúcar e seu processamento para produzir etanol se utilizam fontes fósseis de energia (diesel, carvão mineral ou gás natural) Fabricação de fertilizantes (gás natural), transporte e aplicação (óleo diesel). Óleo diesel para práticas culturais, colheita e transporte da cana do campo para a usina. Construção das usinas (cimento, aço etc), fabricação das máquinas do campo (tratores, arados, colheitadeiras) e o maquinário da usina.

33 Efeito estufa pelos três gases Efeitos específicos (Relação massa) CO2 = 1 CH4 = 25 N2O = 296

34 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 1 kg/ha N ~ 45 kg/ha CO2 N2 N2 1 kg/ha N ~ 1 kg N2O ~ 5 kg/ha CO2 Adub o Nitro gênio N2 N2O Assumindo-se uma eficiência de uso do fertilizante de 5%, e que 25% do N aplicado passa a formar a matéria orgânica do solo NH4+ NO3-1 kg/ha N ~ 11 kg/ha CO2 (28 kg C/há) C-MOS

35 Produção de Metano (CH4) cada molécula equivale a 25 moléculas de CO2 Produzido com a queima, ou em condições redutoras extremas 2,16 kg CH4/ ton MS Queimada para colheita,2% do C solúvel é emitido como CH4 Vinhaça

36 6oC 52oC 25oC 37oC

37

38 Emissões de N2O da vinhaça aplicada no canavial

39 Manejo da cultura de cana de açúcar Variação no estoque de C do solo 6% 4% Estudos em áreas sob cana de açúcar nos Estados de Pernambuco e Espírito Santo indicam que a manutenção da palha (não queima) contribui pouco no incremento do conteúdo de C no solo.

40 Usina Alcon, Conceição da Barra, ES Região de Mata Atlântica Argissolo Estoque de C num Argissolo sob vegetação nativa, pastagem de Brachiaria humidicola e cana de açúcar, cultivados por 22 anos após a deforestação. Campos et al, 23

41 Usina Alcon Conceição da Barra, RJ Representação dos tratamentos Vegetação nativa (Floresta) Solo não perturbado Native vegetation (Forest) Pastagem (1 anos) 19 8 Vegetação nativa (Floresta) Cana de açúcar (12 anos) Pastagem (22 anos) Vegetação nativa Cana de açúcar Pastagem (Brachiaria)

42 Distribuição de raízes de cana de açúcar no perfil de um Argissolo (Typic Hapludult) 2 cm 4 6 Variedade de cana: RB Ciclo: 3a soca (4.5 anos). Usina Santa Cruz, Campos dos Goytacazes, RJ. Clique para editar o estilo do subtítulo mestre 8 11

43 Abundancia natural de 13C do perfil do solo sob vegetação nativa, cana de açúcar e 1 pastagem de B. humidicola δ 13C Campos et al, 23

44 Usina Cruangi-PE. Pesquisas de kg C/ha ano, 72 Mg C/16anos

45 2-4cm 4-6cm Estoque de C-total no solo após 16 anos de cultivo Resende et al (25)

46 Impacto da mudança do manejo de queima para não queima em cana. Expto. 16 anos. Usina Cruangi, Timbauba, PE* Incremento no conteúdo de C do solo pelo manejo de cana crua = ~3 kg C ha-1 ano-1 em 16 anos Clique para editar o formato do texto da estrutura de tópicos 2º Nível da estrutura de Clique para editar o tópicos formato do texto da 3º Nível da estrutura de tópicos estrutura de 2º tópicos Nível da estrutura de 4º Nível da Resende et al., 26, Plant Soil 281:

47 Emissões gases de efeito estufa, GEE (CO2, N2O e CH 4) durante as etapas de produção de bio-etanol Etapa de produção Gás efeito estufa emitido (por ha) a CH4 N2 O CO 2 CO2 eq g de CH4 ou N2O ha ano kg ha ano Plantio da cana +9 Manejo da cultura +3 Colheita Produção de etanol * Ψ Distribuição do etanol Clique para editar o formato do texto da estrutura de tópicos Emissão total de GEE fóssil * Ψ º Nível da estrutura de Clique para editar o tópicos formato do texto da 3º Nível da estrutura de tópicos estrutura de 2º tópicos Nível da estrutura de 4º Nível da Metano produzido na queima da palha Metano produzido pela vinhaça N2O do N fertilizante e nos resíduos + 719

48 Comparação das emissões de gases efeito estufa nos sistemas de colheita manual da cana queimada e da colheita mecanizada da cana crua Colheita manual cana queimada Fonte da emissão 1. A queima da cana 2. Mão de obra e transporte TOTAL CH4 (g ha-1) N2O (g ha-1) Emissão CO2 fóssil (kg ha-1) , ,5 Colheita mecanizada cana crua 1. Combustível colheitadeira GEEs embutido na colheitadeira 3. Mão de obra 4. Mineralização dos resíduos TOTAL Clique para editar o formato do texto da estrutura de tópicos Total (kg CO2 eq. ha-1) ,6 2192,7 2º Nível da estrutura de Clique para editar o tópicos formato do texto da 3º Nível da estrutura de tópicos estrutura de 2º tópicos Nível da estrutura de 4º Nível da ,4 151, ,8

49 Impacto do etanol nas emissões de CO2 No total, 1 L etanol após uso emitiu para a atmosfera,5 kg CO2eq (Soares et al., 29 CNPAB circular técnica 27)

50 Impacto da gasolina nas emissões de GEE (CO2eq) No total, 1 L gasolina após uso emitiu para a atmosfera 3,65 kg CO2eq Antes de ser queimado como combustível, 1 L gasolina emite,51 kg CO2eq (Soares et al., 29 CNPAB circular técnica 27)

51 Impacto nas emissões de GEE pela produção de etanol de cana de açúcar 1 ha de cana de açúcar produz ~6.5 Litros de etanol, o qual serviria para que uma camioneta cabina dupla de 2,4 L motor Flex percorra aproximadamente 46.8 km. Para essa mesma distancia o mesmo carro requerera de 4.5 L de gasolina pura. A emissão total de GEE (N2O, CH4 & fóssil CO2) pelo uso de 6.5 L de etanol é = kg CO2eq. A emissão total de GEE pelo uso de 4.5 L de gasolina pura = kg CO2eq. Assim, o total de emissões evitadas ( Seqüestro de carbono ) de 1 ha de cana de açúcar empregada na produção de bioetanol = 13,2 kg CO2 ha-1 (3.6 Mg C ha-1) ano-1. Mitigação = 8%

52 Potencial de aumento na mitigação de emissão de GEE pelos produtos derivados da cultura de cana de açúcar Clique para editar o formato do texto da estrutura de tópicos Caso a prática da queima para colheita da cana seja completamente eliminada e toda a colheita seja feita mecanicamente, os valores da redução das emissões de GEE pelo uso de álcool comparado com a gasolina alcançarão 87%. Possibilidade de aumento dos estoques de C do solo (potencial de mitigação ainda maior). Possibilidade de uso da palha na produção de etanol de segunda geração ou co-geração de energia elétrica. 2º Nível da estrutura de Clique para editar o tópicos formato do texto da 3º Nível da estrutura de tópicos estrutura de 2º tópicos Nível da estrutura de 4º Nível da

53 A palha de cana: Fonte adicional de energia, seja como fonte direta (termoelétricas) ou na produção de etanol de segunda geração

54 Efeito direto e indireto da expansão da cultura de cana nas emissões de GEE: Uso e Mudança de uso da terra - Direto: Se a cana expandir sobre pastagem, por exemplo, o que ocorre com as emissões? - Indireto: Se a cana expande sobre pastagem, e para manutenção da área de pastagem ocorrer desmatamento, como ficam as emissões?

55 Impacto nas emissões de GEEs da expansão da área utilizada para a produção de etanol da cana-de-açúcar Duas perguntas: Quais terras estão sendo convertidas para a produção de etanol. Qual é a diferença das emissões de GEEs no uso atual da terra comparado com a substituição da produção de etanol da cana.

56 Mudança do uso da terra no Estado de São Paulo 21 a 27 Cana de açúcar em SP aumentou 1,5 M ha desde 21. Soja+milho encolheu,35 Mha de 25 a 27 IBGE só relata as áreas de pastagens em 1996 e 26, mas os dados indicam que recentemente a área está diminuindo. Os dados sugerem que a expansão da cana ocorreu sobre pastagens e lavouras de grãos, principalmente!

57 Impacto nas emissões de GEE pela mudança no uso da terra para produção de cana Uma pastagem de baixa produtividade (,7 unidades animal, UA ha-1, sob pastejo emite ao redor 2.84 kg CO2eq ha-1 ano-1, principalmente CH4 do rumem e N2O derivado da urina. A cana de açúcar aumenta em 4 kg CO2eq. Na mudança das áreas produtoras de soja/milho para cana de açúcar, a emissão adicional de GEE promovida pela cana de açúcar seria de 1.58 kg CO2eq. Portanto, quando áreas sob pastagens ou produtoras de grãos passam a ser ocupadas por cana, o aumento na emissão de GEE varia ao redor de 1 Mg CO2eq ano-1, o qual é muito menor do que a mitigação (>13 Mg CO2 ha-1 ano-1) promovida pela produção de etanol.

58 Pastagens no Brasil Área total: 217 Mha Gado: 17 2 Mcab. Pastagens degradadas:13mha B. brizantha 4 anos B. brizantha 12 anos

59 Sistema Integração Lavoura-Pecuária 59 dias após a colheita de milho Fonte: Balbino & Vilela

60 A cultura de cana de açúcar e as perdas de solo por erosão

61 Potencial de perdas de solo por erosão: Influência do fator cultura e seu manejo (Fator C) Cobertura/Tratamento Fator C Local Autor Solo descoberto Algodão Mandioca Soja Milho + Feijão Duas arações e gradagem Café Cana Pastagem produtiva Eucalipto Mata 1,,53,53,22 Bacia do rio Ivaí, PR Santos et al. (1999).,29 Caruaru, PE Margolis et al. (1985).,1346,11,1,25,1 Pindorama, SP São Paulo Campinas, SP Aracruz, ES Prochnow et al. (25). De Maria et al. (1994) Donzelli et al. (1992) Martins (25)

62 Desafios da pesquisa Zoneamento agrícola Melhoram. Genético/ Biotecnologia: - Eficiência fotossintética. - Problemas de estresse ambiental e sanidade. - Interação planta- microrganismos (FBN). Aumentar a eficiência agronômica (N-fertilizante). Gerar mais informações sobre produção de gases de efeito estufa (N2O e CH4) Manejo da vinhaça para reduzir emissões de GEEs Aumentar a eficiência industrial da produção de álcool. Otimizar a contribuição da FBN na agricultura (inoculantes).

63 Muito Obrigado!