CompetiçÃo entre o etanol de segunda geraçÃo e a bioeletricidade pelo uso do bagaço de cana de açÚcar

COMPETIÇÃO ENTRE O ETANOL DE SEGUNDA GERAÇÃO E A BIOELETRICIDADE PELO USO DO BAGAÇO DE CANA DE AÇÚCAR^*
Gabriel Maluf ⁺

Angelo Costa Gurgel⁺⁺
Resumo

A produção de etanol de segunda geração e a produção de bioeletricidade (cogeração), ambos a partir do bagaço, são importantes tecnologias com capacidade de crescimento que demandam o mesmo insumo para suas continuidades. O presente estudo investiga a possível competição entre essas tecnologias pelo recurso comum às duas no Brasil, que é o bagaço da cana-de-açúcar. Para tal, utiliza-se um modelo computável de equilíbrio geral multiregional, aprimorado para representar as tecnologias em foco. O modelo é capaz de projetar cenários de crescimento da economia brasileira e mundial, considerando a produção, consumo e comércio internacional dos diferentes setores econômicos, em particular, nos setores agropecuários e energéticos. Os resultados indicam que haverá considerável competição entre as duas tecnologias pelo uso do bagaço, com predomínio do uso desse recurso, antes abundante, para a produção de combustíveis líquidos.

Palavras-chave: cogeração, etanol de segunda geração, bagaço, equilíbrio geral computável.
Abstract

The production of second generation ethanol and bioelectricity (cogeneration), both from sugar-cane bagasse, are important technologies capable to experience growth in the next years and that require the same input. This paper investigates the competition between these two technologies for the common resource they use in Brazil, the sugar-cane bagasse. To this end, we use a multiregional computable general equilibrium model improved to represent the technologies on spot. The model is capable to project scenarios of growth of Brazilian and world economies, considering the production, consumption and international trade in different economic sectors, in particular in the agricultural and energy sectors. The results indicate that there will be considerable competition between the two technologies to use the bagasse, with a predominance of the use of this resource, previously plentiful, for the production of liquid fuels.
Key words: cogeneration, second generation ethanol, bagasse, computable general equilibrium
Área 11 – Economia Agrícola e do Meio Ambiente
Classificação no JEL: Q13, Q16, Q42

1. Introdução

Os produtos energéticos da cana-de-açúcar, etanol e energia elétrica, podem ser um caminho para ajudar na redução de emissões de gases do efeito estufa e redução da dependência de fontes fósseis, pois ambos são capazes de substituir outras fontes de energia que utilizam alternativas fósseis para sua produção.

O setor sucroenergético no Brasil é responsável por 1,15 milhão de postos de trabalho, tendo auferido uma receita de US$ 36 bilhões na safra 2012/2013. O país é o maior exportador mundial de açúcar, sendo responsável por 23% da produção global e 48% das exportações e o segundo maior produtor de etanol, com 22% da produção mundial e 34% das exportações. Tais exportações geraram divisas externas de US$ 15 bilhões na safra 2012/2013 (UNICA, 2013).

A bioeletricidade - eletricidade gerada a partir da queima do bagaço nas caldeiras - mantém o funcionamento das usinas de cana-de-açúcar, sendo que hoje existe a autossuficiência nas cerca de 400 usinas do Brasil. Em 2012, além da energia consumida pelas usinas, foi exportado 1.381 MW médios, o que corresponde a um volume de energia de, aproximadamente, 2% do consumo total brasileiro.

Verifica-se ser uma tendência, com os mandatos atuais e com as políticas desenhadas pelos governos em vários países, o aumento da mistura de etanol na gasolina, assim como vem ocorrendo no Brasil, bem como o aumento da mistura do biodiesel no diesel. Em alguns estados americanos, é obrigatória a mistura de 10% de etanol à gasolina, sendo que, em 2009, o consumo de etanol foi de 8,5% do mercado de combustíveis para veículos com ciclo Otto. Na União Europeia, o mandato atual de biocombustíveis é de 5,75% com meta de se atingir 10% de energia renovável até o ano de 2020. A tendência de elevação da internacionalização do etanol para utilização como combustível pode ser verificada em vários países e deverá alterar a matriz energética mundial nos próximos anos, conferindo maior participação ao combustível renovável (UNICA, 2010). Sob o ponto de vista ambiental, a substituição da gasolina pelo etanol vem sendo muito importante, dado que o etanol produzido pela cana-de-açúcar emite 90% menos dióxido de carbono quando comparado com a gasolina (MACEDO, 2008), sendo, portanto, um substituto direto da gasolina e trazendo impacto positivo de redução em emissões de gases do efeito estufa.

O aumento de produção futura do etanol para atender à demanda mundial pelo produto, além de se dar pelo desenvolvimento de novas fronteiras, crescimento de áreas produtivas, aumento das eficiências agrícola e industrial, e da criação de novas unidades produtoras, terá também novas tecnologias aplicadas, como é o caso do etanol de segunda geração. Em paralelo, espera-se o aumento da demanda, que conforme já visto, é uma tendência mundial como combustível, e também poderá ser aplicado a novas utilizações, seja para a indústria alcoolquímica, seja como combustível de aviação ou para outras tecnologias em desenvolvimento.

Se por um lado há previsão de maior necessidade de volume de biomassa para cogeração, por outro lado existe a possibilidade de viabilização econômica das novas tecnologias de produção de etanol de segunda geração (etanol 2G), tecnologias estas que se utilizam dessa mesma biomassa para produção de etanol. Portanto, há a previsão do interesse na biomassa tanto para produção de energia elétrica quanto para a produção de combustível. Haverá insumo suficiente para acomodar o desenvolvimento das duas tecnologias? Deve-se esperar a competição de ambas pela biomassa residual da cana-de-açúcar e o predomínio de uma das duas formas de geração de energia, ou as duas coexistirão em larga escala? Sob quais condições tende-se a observar o predomínio de uma das duas?

O objetivo do presente trabalho é investigar a possível competição futura entre o etanol de segunda geração e a produção de eletricidade pelo uso do bagaço, que é o recurso comum às duas tecnologias. Mais especificamente o presente estudo pretende verificar se haverá bagaço suficiente para atender às demandas dos dois processos produtivos e, havendo competição entre eles, estudar qual das tecnologias teria maior utilização do insumo e como se desenvolverão tais processos produtivos no Brasil. Também tem o objetivo de estudar se há alteração nos comportamentos das demandas dos produtos no país, se ocorre alteração nas produções das tecnologias e se há impacto sobre o PIB. Para isso, foi adaptado um modelo quantitativo dinâmico para representar as duas tecnologias como possíveis usuárias da biomassa residual da cana-de-açúcar, contribuindo para o avanço das projeções e de suas análises.

Foram simulados quatro cenários no modelo contemplando a produção de etanol e de bioeletricidade, sendo um cenário de referência onde o etanol 2G não é viabilizado no período estudado, um cenário em que a produção do etanol 2G apresenta custo de produção 20% mais elevado em relação ao etanol de primeira geração, um cenário de produção do etanol 2G com custo reduzido em relação ao cenário anterior e o quarto cenário que assume a possibilidade de aumentos na exportação brasileira de etanol.

Dessa forma, o presente estudo pretende contribuir com uma visão sobre as trajetórias futuras possíveis do desenvolvimento da produção de energia renovável no Brasil, considerando o país no contexto global. Para tal, utiliza-se um modelo dinâmico computacional de equilíbrio geral capaz de considerar as relações entre agentes econômicos domésticos e internacionais, e ao mesmo tempo representar o setor de energia e de uso da terra e projetar trajetórias possíveis do comportamento mundial nos próximos anos, respondendo assim às questões formuladas para o período dos próximos 35 anos.

2. Revisão de Literatura

Vários estudos recentes incorporaram os biocombustíveis na modelagem dos mercados de energia, a maioria buscando mensurar impactos econômicos associados à sua expansão. Reilly e Paltsev (2007) estimaram o potencial de produção de bioenergia para os próximos 50 anos, enquanto Gurgel, Reilly e Paltsev (2007) expandiram o trabalho de Reilly e Paltsev, considerando a modelagem formal de mudanças no uso da terra e incluindo a presença de ecossistemas naturais. Foram considerados nestes dois estudos, porém, somente biocombustíveis de origem celulósica, sem que fossem analisados os impactos dos combustíveis produzidos a partir de outros insumos, tais como a cana-de-açúcar.

Já Msangi et al. (2007) explora o cenário de crescimento de utilização da biomassa utilizando um modelo de equilíbrio parcial. Porém, apesar de todas as representações de oferta e demanda dos distintos produtos agricultáveis, o modelo utilizado desconsidera os mercados de energia e suas relações com os mercados agrícolas.

Scaramucci (2006), por outro lado, buscou estudar o mercado de energia utilizando um modelo EGC e seu objetivo foi verificar a penetração possível da energia elétrica gerada a partir do bagaço. Seu estudo concluiu que a cogeração a partir do bagaço é uma importante fonte de energia para o Brasil podendo atenuar crises de falta de energia no país. Esse estudo, porém, estava focado na possível escassez de oferta de energia elétrica no país, motivada pela crise energética ocorrida entre os anos de 2001 e 2002.

Os estudos de Hertel, Tyner e Birur (2008) e Birur, Hertel e Tyner (2008) verificam como as políticas mandatórias de produção de biocombustíveis pelos diferentes países impactam o uso da terra. Para tal, incorporam a produção de biocombustíveis da chamada primeira geração (etanol de milho, trigo e cana-de-açúcar, bem como biodiesel de diferentes plantas oleaginosas) no modelo GTAP.

Já Nagavaparu (2008) procura avaliar o desenvolvimento regional e o meio ambiente no Brasil com os impactos da expansão do etanol, representando explicitamente a produção desse combustível no seu modelo de equilíbrio geral. Esse autor, contudo, não considera os possíveis usos do bagaço para a produção de energia elétrica via cogeração.

Nesse sentido, a representação de resíduos e coprodutos da produção de biocombustíveis é um importante avanço na literatura. Taheripour et al. (2010) estudou os biocombustíveis considerando seus coprodutos utilizados na indústria de alimentação, aperfeiçoando, para isso, o modelo GTAP. Concluiu que há menor necessidade de uso da terra com o etanol produzido a partir de cereais quando da incorporação dos coprodutos no modelo, dado que os mesmos têm importante papel na oferta de insumos para a indústria alimentar. Ainda, observaram uma significativa redução nos preços dos alimentos quando é considerado o cenário com coprodutos. Contudo, os autores não representaram os resíduos da cana-de-açúcar nem seus múltiplos usos, uma vez que focaram sua análise na indústria do etanol de milho.

O aprofundamento do estudo do comércio internacional de biocombustíveis é outro aspecto importante no desenvolvimento recente da modelagem quantitativa de bioenergia. Mais recentemente, Golub, Hertel e Lee (2012), também considerando coprodutos no modelo GTAP, estudam os impactos dos biocombustíveis na mudança de uso da terra levando em conta o comércio internacional dos biocombustíveis e sua capacidade de substituir combustíveis fósseis. Nesse estudo é verificado que, para responder sobre os rendimentos do milho nos EUA são necessários mais estudos sobre rendimentos de outras culturas em outras regiões. Esse estudo também tem foco nos biocombustíveis do milho dos EUA, sem que fossem representadas as possíveis utilizações dos resíduos da cana-de-açúcar do Brasil.

As possíveis alterações que o mandato americano de etanol pode causar no equilíbrio do comércio internacional do produto é um assunto relevante a ser considerando nas projeções de oferta mundial dos biocombustíveis. Keeney (2009) estuda mudanças no uso da terra conforme são considerados choques de demanda de etanol nos EUA com a alteração do seu mandato, simulando cenários de oferta do produto pelo próprio país. Ele considera também no estudo o comércio internacional do produto, demonstrando a necessidade de produção de biocombustíveis e de grãos em outros países quando há aumento na demanda de etanol no país. Seu estudo, porém, não representa a possibilidade da tecnologia do etanol 2G, que pode alterar a oferta mundial do produto, e nem os impactos que essa tecnologia pode gerar na matriz energética.

Os estudos relativos ao carbono armazenado na natureza têm importância pela mensuração dos gases de efeito estufa produzidos mundialmente e retirados via fotossíntese e também pela sua sensibilidade quanto ao impacto da utilização de biocombustíveis, suas emissões e a disponibilidade de terras conforme política ambiental adotada para sua produção. Nesse sentido, Gurgel et al. (2011) utilizam o modelo EPPA para estudar o impacto de políticas climáticas de impostos sobre as emissões de gases de efeito estufa e sobre o uso da terra, concluindo que, com a implantação de uma precificação do CO2 via imposto às emissões de gases de efeito estufa haveria crescimento na demanda por biocombustíveis. Já Reilly et al. (2012) investigam a utilização da terra para mitigação das mudanças climáticas com o modelo EPPA concluindo que a biomassa tem um papel importante no fornecimento de combustíveis líquidos e que o melhor cenário para a diminuição da temperatura da terra é a combinação de uma política de preços de carbono concomitante com a produção de biocombustíveis. Os dois trabalhos ressaltam a forte correlação existente entre biocombustíveis, uso da terra e o clima. Contudo, esses estudos não representam o etanol de modo separado dos demais biocombustíveis e também não abordam os resíduos da cana-de-açúcar nem suas possíveis utilizações.

As políticas climáticas adotadas pelos países podem alterar o uso da terra e, consequentemente, a oferta futura dos biocombustíveis no mundo e seu comércio internacional. Lima (2011) utilizou um modelo EGC para estudar os impactos de políticas climáticas adotadas em países desenvolvidos e, levando em consideração a inexistência de barreiras comerciais, concluiu que a elevação na produção e na exportação do etanol brasileiro de segunda geração para atender às necessidades de combustíveis renováveis dos países desenvolvidos competiria por recursos produtivos com outros setores da economia, reduzindo sua produção, de modo que o país passaria a depender demasiadamente das importações, levando a um efeito final de menor crescimento do Produto Interno Bruto (PIB) nacional no caso de não haverem barreiras comerciais. O estudo considera, entretanto, a hipótese de substituição perfeita entre o etanol e a gasolina em todos os mercados mundiais, bem como não representa os impactos na cogeração de energia elétrica.

Os veículos flex-fuel da frota brasileira permitem argumentar pela substituição perfeita entre o combustível fóssil e o etanol, onde o consumidor pode optar pela fonte de energia mais barata, porém, a obrigatoriedade da mistura do etanol à gasolina no país determina uma certa complementaridade entre os dois produtos, com isso, a substituição imperfeita entre o etanol e a gasolina do Brasil é um aspecto importante na representação destes mercados. Gurgel (2011b), utilizando substituição imperfeita entre etanol e gasolina, estima os impactos do crescimento da demanda de etanol no Brasil e nos EUA sobre a produção agrícola e o uso da terra, concluindo que a disponibilidade de terras para agricultura no país permitiria acomodar o crescimento da cultura da cana-de-açúcar sem causar impactos de desmatamento das florestas tropicais. O estudo também contribui abordando a produção de etanol de milho e de cana-de-açúcar concomitantemente, não focando em somente uma fonte de produção, além de considerar também o comércio internacional. O estudo, contudo, não considera o uso do bagaço para cogeração e nem o emprego da tecnologia do etanol 2G.

Os trabalhos citados agregaram, cada qual, avanços na modelagem, seja pela representação de biocombustíveis da primeira e/ou da segunda geração, seja pela consideração de mercados internacionais de biocombustíveis, ou ainda, pela incorporação de coprodutos. Porém, apesar de pioneiros, não foram considerados em nenhum deles e, ao mesmo tempo, algumas especificidades da economia brasileira relacionadas à bioenergia, como a possibilidade da tecnologia do etanol de segunda geração e a produção de energia elétrica, ambos a partir do bagaço da cana–de-açúcar, além das possibilidades de expansão da fronteira agrícola no Brasil. Há, portanto, espaço e necessidade de se evoluir na modelagem para o cenário brasileiro. Não há estudos que reflitam a expansão do etanol de segunda geração analisando sua competição com o etanol de primeira geração e verificando o que ocorre com a matriz energética brasileira quando o etanol de segunda geração compete como o bagaço utilizado para a cogeração de energia elétrica. Por isso, a necessidade de avanços na modelagem que consiga responder aos questionamentos citados anteriormente.

3. Metodologia

Com o objetivo de investigar a possível competição pelo uso do bagaço pelas tecnologias de produção de etanol de segunda geração e de cogeração será utilizado o modelo dinâmico-recursivo de equilíbrio geral computável Emissions Prediction and Policy Analysis – EPPA (PALTSEV et al., 2005), desenvolvido especificamente para o estudo de políticas energéticas e climáticas.

Apresenta-se a seguir uma breve descrição da modelagem de equilíbrio geral e do modelo EPPA, baseadas nos trabalhos de Paltsev et al (2005), Lima (2011) e Gurgel (2011a).

Os modelos de equilíbrio geral computável representam a economia real de um ou vários países e regiões e são úteis em auxiliar na identificação de efeitos de equilíbrio geral causados por mudanças exógenas, que não seriam facilmente identificados a priori por sua complexidade ou por relações inesperadas e pouco óbvias (PIERMARTINI; TEH, 2005). A análise dos resultados dessa classe de modelos permite identificar relações entre setores e agentes econômicos que dificilmente seriam identificadas em modelos teóricos ou analíticos, devido à necessidade de simplificação no número de agentes e de relações econômicas nesses últimos. Os resultados das simulações de modelos de equilíbrio geral computável permitem visualizar as direções e magnitudes relativas de choques exógenos, bem como comparar cenários alternativos.

Os modelos de equilíbrio geral são caracterizados pelas relações entre os diversos agentes que buscam cada qual sua otimização e se relacionam por meio dos mercados de bens e fatores de produção (SHOVEN; WHALLEY, 1998). Obtém-se o equilíbrio neste modelo quando as diversas variáveis endógenas (preços e quantidades) se ajustam de tal forma que os agentes não podem melhorar sua situação alterando seu comportamento. Deste modo, oferta e demanda se igualam em todos os mercados, firmas sob retornos constantes de escala auferem lucros normais e as despesas dos agentes ajustam-se às suas receitas.

É possível representar os modelos de equilíbrio geral pelo fluxo circular de bens e serviços da economia (Figura 1), onde os setores produtivos ofertam bens e serviços aos consumidores enquanto estes ofertam capital e trabalho (fatores primários) aos setores produtivos. É considerado o recebimento de pagamentos (renda) pelos consumidores advindos dos setores produtivos devido ao capital disponibilizado e trabalho fornecido por estes consumidores e, com estes recursos recebidos, os bens e serviços são consumidos através das despesas dos consumidores.

Figura - Fluxo circular de bens e serviços
Fonte: Adaptado de PALTSEV et al., 2005, p.5.

O governo também pode ser explicitado no modelo, mas tem um papel passivo (exógeno) no fluxo circular. As relações comerciais entre diferentes regiões e/ou países podem ser endógenas ou exógenas, o que caracteriza respectivamente modelos multirregionais ou de única região. O equilíbrio no fluxo circular de bens e serviços na economia é representado pela conservação de produto e de valor. A conservação do produto se dá mesmo quando a economia não está em equilíbrio. A conservação de valor reflete o princípio contábil do equilíbrio orçamentário em que, para cada atividade na economia, o valor das despesas deve ser equilibrado pelo valor dos rendimentos. (WING, 2004).

O modelo funciona como um sistema de equações simultâneas representando as condições de equilíbrio de mercado. A modelagem computável de equilíbrio geral utiliza a teoria econômica de equilíbrio geral como uma ferramenta operacional para análises de orientação empírica sobre questões relacionadas a economias de mercado, alocação de recursos, fluxos comerciais, mudança tecnológica, efeitos de choques, entre outras. (SADOULET; JANVRY, 1995).

A utilização de modelos computáveis de equilíbrio geral é justificada quando se espera que medidas políticas ou choques exógenos produzam efeitos de equilíbrio geral na economia, como é o caso do choque de introdução de uma nova tecnologia como a de etanol de segunda geração e a sua consequente concorrência por matéria-prima com a cogeração no setor de bioenergia brasileiro, ou, ao crescimento de utilização de etanol no mundo por conta dos mandatos de biocombustíveis e redução nas restrições de comércio internacional, ou ainda, devido às restrições de viabilidade de utilização do petróleo e de necessidade de redução de emissão de dióxido de carbono.

O modelo EPPA (Emissions Prediction and Policy Analysis) é um modelo EGC dinâmico recursivo, ou seja, encontra o equilíbrio econômico para um determinado período de tempo e se utiliza dos resultados deste equilíbrio como condição inicial para o período subsequente, repetindo esta ordem de operações até que se atinja a data final de projeção. O modelo é resolvido em intervalos de cinco anos e o horizonte temporal pode se estender a simulações até o ano 2100. O modelo é também multirregional e multissetorial. Foi desenvolvido pelo (Massachusetts Institute of Technology) MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change e vem sendo aprimorado e amplamente utilizado para o estudo de aspectos ligados à energia, agricultura e políticas climáticas. (PALTSEV et al., 2005).

O modelo foi construído como um problema de complementaridade mista (MCP), uma classe de problemas matemáticos que abrange a otimização (linear e não linear), utilizando a sintaxe do algoritmo Modeling Programing System for General Equilibrium (MPSGE), desenvolvida por Rutherford (1999). O MPSGE consiste em um conjunto de equações algébricas que caracterizam as condições de lucro econômico zero para a produção, equilíbrio entre oferta e demanda nos mercados de bens e fatores de produção e equilíbrio entre renda e despesas dos consumidores. O modelo é implementado na linguagem de programação General Algebraic Modeling System –(GAMS). (BROOKE et al., 1998).

O modelo é alimentado por dados econômicos formados principalmente por matrizes de contabilidade social e de insumo-produto que representam as estruturas das economias das regiões, provenientes do Global Trade Analysis Project (GTAP) (HERTEL, 1997; DIMARANAN; MCDOUGALL, 2002), um banco de dados consistente sobre consumo, produção e fluxos de comércio bilateral, tanto do ponto de vista macroeconômico quanto microeconômico, para um grande conjunto de países e regiões do mundo. Dados sobre produção e uso de energia em unidades físicas são baseados nos balanços da Agência Internacional de Energia. As estatísticas sobre os gases de efeito estufa (dióxido de carbono - CO2, metano - CH4, óxido nitroso - N20, hidrofluorcarbonos – HFCs, perfluorcarbonos – PFCs e hexafluoreto de enxofre - SF6) foram obtidos nos inventários fornecidos pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos. As informações sobre outros poluentes urbanos (dióxido sulfúrico – SO2, óxidos de nitrogênio – NOx, carbono negro – BC, carbono orgânico – OC; amônia – NH3; monóxido de carbono – CO e compostos orgânicos voláteis não metano – VOC) foram obtidas do banco de dados Global EDGAR desenvolvido por Olivier e Berdowski (2001).

Neste estudo, foi utilizada a versão 5 do modelo EPPA, calibrado para o ano base de 2004. As simulações foram realizadas de forma endógena de cinco em cinco anos a partir do ano 2005.