Grupo de Economia da Energia

Por que as primeiras plantas comerciais de etanol 2G são quase experimentais?

In biocombustíveis, etanol on 19/10/2016 at 12:14

Por José Vitor Bomtempo e Gustavo Soares (*)

vitor102016Numa postagem anterior, “A chegada do etanol 2G, um passo importante para a inovação em bioeconomia”, destacamos o início de operação das primeiras plantas comerciais. Quase 2 anos depois, essa primeira geração de plantas ainda enfrenta dificuldades operacionais importantes. Tem sido difícil para os pioneiros estabilizar a produção e operar regularmente.

Nesta postagem, examinamos essa situação e tentamos entender porque as primeiras plantas comerciais de etanol 2G são quase experimentais. Achamos que uma clara compreensão do problema é importante em diversos aspectos. Permite que as estratégias tecnológicas das empresas e as políticas públicas de financiamento à inovação se alinhem. Além disso, do ponto de vista da construção da bioeconomia, pode nos ajudar a entender a complexidade do projeto de utilização da biomassa como matéria-prima para a produção de bioenergia, bioprodutos e materiais.

Este texto discute, com base nos princípios da economia da inovação, a natureza dos problemas enfrentados pelas primeiras plantas comerciais da chamada nova indústria biobased e em particular examina o caso do etanol 2G. O argumento desenvolvido traz como conclusão a visão de que, em alguns casos, as primeiras plantas em indústrias emergentes devem ser vistas como um estágio avançado do próprio processo de desenvolvimento. Assim, a primeira geração das plantas de etanol 2G, inauguradas nos últimos três anos, são efetivamente estágios experimentais que exigem ainda esforços específicos de P&D para atingirem estágios operacionais regulares.

Inovações são processos iterativos, como explicaram Kline and Rosenberg no clássico artigo de 1986, Overview of Innovation. Nesse artigo, Kline and Rosenberg discutem as limitações de uma visão linear e propõem o chamado modelo chain linked. O modelo procura dar conta de algumas dimensões críticas do processo de inovação que o modelo linear não valorizava devidamente. Um aspecto central  do modelo chain linked é a sua dimensão iterativa, que envolve, em feedbacks e loop,  as diversas etapas do processo de desenvolvimento de uma inovação. O modelo valoriza ainda uma dimensão crítica muito importante do processo que é a presença de obstáculos sucessivos. Esses obstáculos somente se tornam claros e bem definidos à medida que os obstáculos anteriores vão sendo superados. São portanto dificilmente antecipados nas primeiras etapas do ciclo de P&D.

Quando o processo ou o produto estão desenvolvidos e se tornam comerciais, o ciclo de P & D, em tese, terminaria. Mas são conhecidos inúmeros casos de produtos que não conseguiram responder às expectativas e fracassaram. As razões podem ser tecnológicas ou comerciais.

Da mesma forma, novos processos, dados como desenvolvidos, também podem fracassar ou enfrentar longos e complexos pderíodos de ajustes durante os quais novos esforços de P&D, não antecipados nas etapas anteriores de desenvolvimento, podem ser necessários.

As primeiras plantas – flagship plants or first-of-a-kind – têm o desafio de  estruturar uma cadeia de valor capaz de operar em escala economicamente viável. Recentemente a Europa lançou um programa de PPP para o desenvolvimento de biorrefinarias que tinha como alvo a construção de flagship plants numa visão implícita de que seria uma fase de testes para se avançar e se tornar inteiramente operacional, definindo assim os conceitos  que poderiam ser multiplicados. As primeiras plantas de uma nova família de tecnologia são de certa forma estágios avançados de experimentação em escala comercial. Alguns conceitos, ainda não consolidados nas unidades de demonstração, podem ser confirmados ou modificados. E ainda, o que pode ser particularmente relevante, essas plantas podem enfrentar novos problemas, não antecipados nas etapas anteriores. Por isso, o período de startup pode ser bastante desafiador.

No caso de tecnologias similares a versões já difundidas, os problemas podem ser resolvidos acessando competências que, se não existem na empresa, existem há bastante tempo e são disponíveis no mercado. São conhecimentos que foram estruturados ao longo da história da indústria. No caso de novas tecnologias, em que a planta é efetivamente a primeira da espécie – first-of-a-kind – não existem esses conhecimentos no mercado. Os problemas são novos para a empresa, novos para o setor industrial e, em boa medida, novos para o mundo.

Grau de maturidade das tecnologias para etanol 2G

Existe um critério bastante difundido e reconhecido, atribuído originalmente à NASA – o TRL technology readiness level , que mede, numa escala de 1 a 9, o grau de maturidade de uma dada tecnologia. Cada nível de TRL corresponde ao atendimento de certo número de requisitos, sendo 1 o nível mais rudimentar (estágio de pesquisa básica) e 9 o nível de tecnologias prontas para serem utilizadas comercialmente.

Qual o TRL das principais tecnologias utilizadas na produção de etanol a partir de materiais lignocelulósicos? Algumas referências podem ser encontradas na literatura. Por exemplo: Jungmeier, 2014 e E4tech, RE-CORD and WUR, 2015.

A produção de E2G deve cumprir algumas etapas principais: pré-tratamento do material lignocelulósico para separar lignina, celulose e hemicelulose, hidrólise da celulose e hemicelulose para obter os açúcares simples de 5 e 6 carbonos, fermentação desses açúcares e destilação do etanol. A última etapa em nada difere da produção convencional de etanol e não representa desafio tecnológico próprio do E2G.

O pré-tratamento reúne provavelmente os maiores desafios a serem ainda enfrentados para a consolidação da produção.  Existem diversos processos sendo utilizados, todos com graus de maturidade, segundo a literatura, ainda bem abaixo de 9. Os desafios do desenvolvimento dos pré tratamentos seriam, em primeiro lugar, resolver os problemas específicos de cada matéria-prima e, se possível,  buscar idealmente pré tratamentos flexíveis que poderiam operar com diferentes matérias-primas.

Note-se que não só existem numerosos processos de pré-tratamento em desenvolvimento como entre os pioneiros são diversos os processos adotados. Mesmo no caso de ácido diluído, existem versões diferentes, em um ou dois estágios. Aparentemente, no atual estágio da indústria, cada produtor desenvolve o pré-tratamento que lhe parece mais adequado para a sua matéria-prima.

No que se refere às etapas bioquímicas do processo, incluindo a hidrólise enzimática e a fermentação, o TRL é mais próximo de 9. Note-se que, embora em estágio mais avançado e convergente do que na etapa de pré-tratamento, ainda assim as tecnologias não são identificadas como completamente desenvolvidas. Na hidrólise enzimática dos materiais lignocelulósicos mais explorados como bagaço, palhas e resíduos agrícolas o TRL é 8 (sistema incorporado num projeto). Já na etapa de fermentação, os açúcares  C5 ainda dependem de desenvolvimentos e apresentam TRL avaliado em 7 (sistema demonstrado em piloto).

Comparando os principais projetos de E2G

O quadro abaixo compara os principais projetos – Raizen, POet/DSM, Granbio, Abengoa, Dupont, Betarenewables e Enerkem –  ditos em escala comercial e em início de operação. A diversidade dos projetos é notável nas dimensões críticas do processo.

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Em primeiro lugar, utilizam diferentes materiais lignocelulósicos. Nas indústrias de energia e química, a matéria-prima tem papel estruturante. Assim, inovações de matéria-prima são particularmente críticas.

A estruturação da própria oferta não está dada no mercado e o produtor deve desenvolver a cadeia de suprimento para que a matéria-prima atenda um conjunto bastante rígido de condições: custo, disponibilidade, confiabilidade e sustentabilidade. As diferenças de estruturação da cadeia para atendimento dessas condições têm grande efeito na competitividade do etanol E2G, segundo estudo da Lux Research, citado pelo site NovaCana.

Para a estruturação dessa oferta surgiram empresas especializadas que passaram a oferecer o pacote logístico para o produtor de etanol. Mas em alguns casos, o próprio produtor teve grande envolvimento nessa estruturação e, como no caso da DuPont, desenvolveu um knowhow que pretende oferecer como serviço aos próximos entrantes.

Os diferentes materiais acarretam ainda, como já mencionado, o uso de diferentes processos de pré-tratamento. Isso dificulta, ou pelo menos limita, uma eventual troca de conhecimento entre as empresas para resolver problemas comuns.

Um ponto adicional na utilização dos materiais lignocelulósicos, que dificulta a utilização dos conhecimentos existentes, é o fato de serem sólidos.  As indústrias estabelecidas, com conhecimentos amplamente difundidos na comunidade de engenharia e operação, lidam para a produção de combustíveis e químicos com fluidos, isto é líquidos ou gases. A necessidade de tratar sólidos como palhas, bagaços, resíduos agrícolas e urbanos etc não tem experiência estabelecida nessa indústria e gera dificuldades particulares que são dificilmente antecipadas nos estágios piloto e demonstração.

Assim, apesar de existirem 7 plantas em estágio dito comercial, as disparidades entre elas reforçam a ideia de que cada uma delas é na verdade  first-of-a-kind.

Concluindo:

As plantas foram construídas com processos com grau de maturidade tecnológica ainda abaixo do pleno desenvolvimento, principalmente no caso do pré-tratamento. As soluções para os problemas encontrados tendem a ser específicas de cada produtor e podem exigir novos esforços de P&D..

Duas razões compõem essa tendência: os materiais lignocelulósicos são diferentes assim como os processos de pré-tratamento adotados

Assim, as plantas hoje em início de operação podem ser vistas como plantas first-of-a-kind que têm dificuldades de encontrar  competências e apoio no mercado para solução dos problemas de startup não antecipados. Isso quer dizer que cabe aos produtores estruturar e coordenar esse processo e eventualmente realizar esforços de pesquisa e desenvolvimento para vencer os desafios colocados.

Cabe ainda destacar que o etanol 2G é uma passagem estratégica para a indústria baseada em biomassa e para a utilização eficiente dos recursos renováveis disponíveis. Além de aumentar expressivamente a produtividade de etanol por hectare e, por seu desempenho ambiental ser decisivo para o atendimento das metas da COP21, a capacidade de produzir eficientemente etanol 2G é também a capacidade de produzir os chamados açúcares de segunda geração derivados da celulose e da hemicelulose – os açúcares simples e fermentáveis C6 e C5. Esses açúcares são o ponto de partida dos produtos que a bioeconomia vislumbra como parte essencial da exploração eficiente da biomassa, incluindo biocombustíveis, bioenergia, bioquímicos e biomateriais.

(*) Mestre em Economia pela UFRJ.

Leia outros textos de José Vitor Bomtempo no Blog Infopetro

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