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Artigo

Biocarvo (Biochar) e Sequestro de Carbono

Rezende, E. I. P.; Angelo, L. C.; dos Santos, S. S.; Mangrich, A. S.*

Rev. Virtual Quim., 2011, 3 (5), 426-433. Data de publicao na Web: 17 de novembro de 2011

http://www.uff.br/rvq

Biochar & Carbon Sequestration

Abstract: The traditional answer to the question of controlling the growth of global warming involves reducing emissions of greenhouse gases like CO2. However, developed and developing countries have difficulty in adopting measures to reduce use of fossil fuels in the short or medium term. The world is currently exceeding the rate of greenhouse gas emissions. Consequently, it is urgently necessary to remove carbon dioxide from the atmosphere. Extensive research efforts in science and technology are underway to develop approaches to capture and sequester carbon. In this work we deal with the different processes proposed, but with great emphasis on the process of biochar production by pyrolysis of biomass which copies the methodology of Terra Preta de ndios da Amazonia.

Keywords: Carbon sequestration; Biochar; Indian black earth; Global warming.

Resumo

A resposta tradicional para a questo do controle do crescimento do aquecimento global envolve a reduo das emisses de gases de efeito estufa como o CO2. No entanto, os pases desenvolvidos e os em desenvolvimento tm dificuldades em adotar medidas para reduzir o uso de combustveis fsseis no curto ou no mdio prazo. Atualmente a concentrao de gs carbnico na atmosfera j ultrapassou o nvel de segurana calculado. Por isso, urgente a necessidade de remover dixido de carbono da atmosfera. Esforos de pesquisa de cincia e tecnologia esto em andamento para desenvolver abordagens adequadas para a captura e sequestro de carbono. Neste trabalho apresentamos diferentes processos propostos para esse fim, porm daremos grande nfase ao processo de produo de biocarvo por pirlise de biomassa, que copia a metodologia da Terra Preta de ndios da Amaznia.

Palavras-chave: Sequestro de carbono; Biochar; Terra preta de ndios; Aquecimento global.

* Universidade Federal do Paran, Departamento de Qumica, Centro Politcnico, 81531-980, Curitiba-PR, Brasil.

mangrich@ufpr.br DOI: 10.5935/1984-6835.20110046

Volume 3, Nmero 5

Revista Virtual de Qumica

ISSN 1984-6835

Novembro 2011

427 Rev. Virtual Quim. |Vol 3| |No. 5| |426-433|

Biocarvo (Biochar) e Sequestro de Carbono

Edivaltrys I. P. Rezende, Lilian C. Angelo, Sailer S. dos Santos, Antonio S. Mangrich*

Universidade Federal do Paran, Departamento de Qumica, Centro Politcnico, 81531-980, Curitiba-PR, Brasil.

*mangrich@ufpr.br

Recebido em 9 de setembro de 2011. Aceito para publicao em 22 de outubro de 2011

1. Introduo

2. Estratgias para a diminuio do aquecimento global

3. As Terras Pretas de ndios da Amaznia

4. A produo de biocarvo (biochar)

5. Concluses

1. Introduo

Apreenses com o aquecimento global

As apreenses com o aquecimento global comearam a ser relatadas pela comunidade cientfica internacional, com mais nfase, por volta de 1988, devido rapidez com que as condies do clima comearam a mudar. Segundo um cenrio catastrfico do Painel Internacional de Mudanas Climticas (IPCC), 350 ppm seria a concentrao segura de CO2 atmosfrico, entretanto a concentrao atual j est se aproximando dos 400 ppm.1 A velocidade mdia anual de crescimento da massa de CO2 na atmosfera foi de 3,2 0,1 Gt/ano (Gt = 109 toneladas) nos anos de 1990, e de 4,1 0,1 Gt/ano de 2000 a 2005.2 Os combustveis fsseis, grandes causadores do aumento da concentrao de gases de efeito estufa na atmosfera, so a principal fonte primria global de fornecimento de energia, e provavelmente continue assim at o final do sculo. Representam mais de 85% de toda a energia comercial utilizada, o resto composto de energia nuclear, energia hidroeltrica, e energia renovvel (biocombustveis, energia elica, energia geotrmica e energia solar).3 O aquecimento global continua com tendncia ascendente, enquanto as polticas para

diminu-lo falharam. Os encontros de Copenhague em 2009 (COP 15) e de Cancun em 2010 (COP 16) mostraram-se incapazes de produzir um acordo internacional para aps 2012, quando termina o perodo de compromisso acertado no Protocolo de Kyoto. Embora os pases tenham concordado em limitar o aquecimento global a 2 C acima do nvel pr-industrial, os fatos indicam que as emisses de CO2 continuam a crescer rapidamente, conforme citado acima. No ritmo atual, deve-se alcanar o nvel de aumento de 2 C at 2050.4 A reduo de CO2 na atmosfera alternativa importante, continuando-se com o uso de combustveis fsseis e de biocombustveis, e pode ser obtida por: (i) aumento da eficincia energtica dos combustveis; (ii) uso de combustvel de baixo teor de carbono e (iii); captura e sequestro de carbono.

2. Algumas estratgias para a diminuio do aquecimento global

Alm das tentativas de conteno das emisses de CO2 da indstria de cimento, dos combustveis fsseis e de outras, vrios processos para a diminuio do aquecimento global esto sendo propostos.

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Fox e Chapman (2011),5 em artigo de reviso, analisaram a viabilidade tcnica de diferentes processos como estratgias para a diminuio do aquecimento global. Foram consideradas viveis as seguintes propostas em ordem decrescente de facilidade de implementao: (A) intensificao das prticas de florestamento/reflorestamento; (B) refletores solares espaciais (Figura 1-1); (C) formao de aerossis na estratosfera (Figura 1-2); (D)

sequestro de carbono marinho por fertilizao dos oceanos; (E) sequestro geolgico por injeo de gs carbnico sob presso em espaos subterrneos (como minas e poos de petrleo desativados); (F) aumento da alcalinidade dos oceanos; (G) produo e disperso nos solos de biocarvo (biochar); (H) gesto do albedo (Figura 1-3); (I) criao de algas em edifcios (Figura 2).

Figura 1. Trs sugestes para a reduo da temperatura na Terra: 1. Refletores solares, 2. Aerossis atmosfricos, 3. Modificao do albedo, que a relao entre a quantidade de luz refletida pela superfcie

terrestre e a quantidade de luz recebida do Sol. (http://www.bbc.co.uk/portuguese/ciencia/2009/11/091130_engenharia_copenhague.shtml).

A Figura 2 mostra o projeto piloto de criao de algas em edifcios, vendo-se o foto-bioreator do Ncleo de Energia Auto-sustentvel, do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade Federal do Paran (UFPR). Dentro da estrutura do edifcio so vistos os tubos de plstico transparentes contendo as algas em crescimento suportadas em soluo aquosa nutriente. So 3 km de tubos com dimetro interno de 50 mm. O CO2 consumido retirado do ar atmosfrico, que injetado no sistema. Alm de alimentar a soluo nutriente com CO2, a injeo de ar tambm atua para agitar a soluo nutriente, provocando leve desequilbrio na energia potencial do sistema, suficiente para promover a circulao do lquido por toda a tubulao.

Dentre os processos descritos acima, as proposies (B), (C), (D) e (F) so menos exequveis porque necessitam de acordos internacionais, geralmente complicados, para viabilizar suas implementaes. Assim, aps os processos de florestamento/reflorestamento e sequestro

geolgico, o processo de pirlise de biomassa e disperso do biocarvo produzido no solo o mais vivel tecnicamente, segundo aqueles autores. O biocarvo obtido por pirlise de biomassa a temperaturas de 300 a 600 C tem um maior potencial de mitigao das alteraes climticas como perodos de chuvas excessivas ou de secas. Esse material termicamente alterado se degrada muito mais lentamente, criando um grande estoque de carbono no solo de longo prazo. cerca de 1500 a 2000 vezes mais estvel do que a matria orgnica no pirolisada, tendo assim tempos de residncia no solo de vrias centenas a milhares de anos. A presena de estruturas orgnicas internas semelhantes a do grafite contribui para que o biocarvo tenha sua recalcitrncia mantida por um maior perodo de tempo, caracterizando um sistema de sequestro de carbono negativo mais eficiente. O biocarvo resultado do trabalho de pesquisadores, no Brasil e no exterior, que estudaram a produo de um fertilizante orgnico condicionador de solo similar s terras pretas de ndios da Amaznia.

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Figura 2. Algas em edifcio. Edifcio experimental de criao de algas do Ncleo de Energia Auto-Sustentvel, Departamento de Engenharia Mecnica - UFPR. (http://npdeas.blogspot.com/)

3. As Terras Pretas de ndios da Amaznia

Naturalistas e gelogos que viajaram pela Amaznia, a partir da dcada de 1870, observaram manchas profundas de solo escuro, muito frtil, diferentes do solo pobre existente em quase toda a regio. O solo amaznico comum em geral arenoso ou argiloso, tem poucos nutrientes e exibe apenas uma fina camada superficial de hmus produzida pela floresta.6 So solos altamente intemperizados (velhos), cidos, com baixa capacidade de troca catinica (CTC), baixa fertilidade e, consequentemente, com baixo potencial de produo das culturas quando as florestas so eliminadas. A retirada da floresta leva a extino da camada de hmus e a formao de verdadeiros desertos. A fertilidade do solo o fator limitante para o desenvolvimento da agricultura sustentvel na regio.

As manchas de solo escuro, ao contrrio, so ricas em carbono, contendo, em mdia, at cinco vezes o teor de carbono dos solos comuns vizinhos. Esto em geral associadas a antigas ocupaes indgenas, identificadas por fragmentos de cermica, ossos e outros vestgios, por isso ganharam o nome de terras pretas de ndio da Amaznia (Figura 3). Cientistas de diversos pases esto estudando esses solos da

Amaznia devido sua fertilidade e capacidade de sequestrar carbono.

A atividade humana no passado pr-colombiano resultou no acmulo de resduos vegetais e animais, assim como grandes quantidades de cinzas e carves e de diversos elementos qumicos, tais como: P, Mg, Zn, Cu, Ca, Sr e Ba, que representam a assinatura geoqumica da ocupao humana.7 O tema Terras Pretas de ndio tem despertado tamanho interesse na comunidade cientfica internacional que nos ltimos anos diversos artigos e cartas da Nature e da Science foram dedicados ao assunto.8-18

Alm disso, grupos de pesquisa vm sendo criados para estudar esses solos e encontros cientficos so realizados para debater o tema. Em 2006, por exemplo, a reunio anual da Associao Americana para o Avano da Cincia (AAAS, na sigla em ingls), dedicou um simpsio a essa questo de ttulo: Amazonian Dark Earths: New Discoveries (Terras Pretas da Amaznia: Novas Descobertas). Calcula-se que esses solos escuros ocupem 1% (63 mil km2) de toda a rea de floresta na Amaznia, mas outras estimativas prevem at 10 %. As terras pretas de ndios foram produzidas por povos pr-colombianos, embora no esteja claro se foi um processo intencional de melhoria do solo ou um subproduto das atividades agrcolas e de habitao desses povos.

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Figura 3. Contraste entre as terra pretas de ndios e solos adjacentes da Regio Amaznica7

4. A produo de biocarvo (biochar)

O entusiasmo e toro do tea terras pretas de ndios levou riao de ua assoiao udial que a Iniciativa Internacional do Biocarvo (IBI, sigla do nome em ingls). A IBI (http://www.biochar-international.org/) realiza congressos a cada dois anos. O ltimo ocorreu no Rio de Janeiro, de 12 a 15 de setembro de 2010, com a presena de mais de 200 pesquisadores do tema, vindos de 30 pases de todos os continentes. A industrializao de produtos de origem vegetal gera rejeitos que, de um lado podem ser aproveitados como insumos para a agricultura e de outro podem ser potenciais passivos ambientais. Uma alternativa a produo de biocarvo para atuar no sequestro de carbono e como condicionador orgnico de solo. O bom biocarvo apresenta estrutura interna inerte, semelhante a grafite, que faz preservar (sequestrar) o carbono no solo por centenas e at milhares de anos, e estrutura perifrica (externa) reativa (funcionalizada) para atuar como a matria orgnica natural do ambiente. Dessas funes destacam-se, a promoo da estruturao do solo com ligaes qumicas entre o biocarvo e estruturas macromoleculares inorgnicas, evitando desmoronamentos de terrenos durante os perodos chuvosos, retendo gua da chuva e de irrigao para

liber-la durante perodos secos, retendo e liberando os ons H+ e OH- na ao de controle do pH do solo, e retendo ons metlicos nutrientes de plantas como Ca, Fe, Cu, ou txico para elas como, por exemplo, o Al (Figura 4). Desse modo, busca-se desenvolver um produto que solucione problemas ambientais e viabilize terras infrteis para a agricultura.

Estima-se que a quantidade tima de biochar nos solos para agricultura varie entre 1 e 5%. Matovic2 tomou como valor para o estudo que desenvolveu a mdia de 3% de biochar nos primeiros 30 cm de coluna do solo, o que leva a uma dosagem de 13,5 t/ha (1 ha = 10000 m2). Conforme poder ser visto nos dados a seguir, o processo do biochar seria o mais adequado para o caso do Brasil na reduo dos gases de efeito estufa. O carvo presente no solo foi gerado provavelmente por meio da queima de materiais orgnicos em condies especiais (com pouco oxignio disponvel). As altas concentraes de carbono no solo melhoram a absoro de gua, facilitam a penetrao de razes e tornam as plantas mais resistentes. O tipo de carvo encontrado na terra preta de ndio garante a longa reteno do carbono no solo, ao contrrio do que deveria acontecer na regio amaznica, em que a temperatura e a umidade so elevadas, condies nas quais a matria orgnica tende a se degradar rapidamente, gerando gs carbnico.

Terra Preta de ndio Solo da Regio Amaznica

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Figura 4. Esquematizao do biocarvo com estrutura interna inerte e estrutura perifrica funcionalizada (A); estruturando o solo (B); retendo gua (C); coordenando ons metlicos nutrientes ou txicos para as plantas

(D). Ver texto

Atualmente, dentro das atividades do Instituto Nacional de Cincia e Tecnologia de Energia e Ambiente so feitos estudos de laboratrio na produo do biocarvo (Figura 5). Os dados obtidos esto sendo passados para agricultores e para rgos

governamentais como a Empresa de Pesquisa Agropecuria e de Extenso Rural de Santa Catarina (EPAGRI) como prtica de melhoria da fertilidade dos solos e de captura e sequestro de carbono (CCS) (Figura 6).

Figura 5. Esquema representativo para o estudo de produo de biocarvo, bio-leo e biogs em laboratrio, a partir de diferentes tipos de biomassas.19

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Figura 6. Produo industrial de biocarvo por pirlise (ausncia de oxignio) da biomassa (acima) e uso do biocarvo (abaixo).20

5. Concluso

As apreenses com o aquecimento global levam a comunidade cientfica a estudar maneiras adequadas para resolver este srio problema. O biocarvo no surge para competir com outras formas de resolver a sria questo em pauta, mas para ser aplicado aonde for o mais adequado. Conforme pode ser observado no trabalho de Fox e Chapman5 h diferentes processos como estratgias para a diminuio e estabilizao da temperatura na atmosfera. pensamento geral que cada pas deva utilizar as tecnologias mais adequadas para o seu caso especfico (ou seus casos especficos). Dos vrios processos viveis apresentados, conclui-se que os mais adequados para uso imediato no Brasil so as prticas de parar, ou diminuir drasticamente as prticas de desmatamento e praticar intensivamente o florestamento/reflorestamento, adotar a produo de biocarvo, por pirlise dos vrios resduos de biomassa que produzimos, inclusive do lixo das cidades, e disperso nos solos. A criao de algas em edifcios promete ser uma tecnologia vivel a longo prazo. As tecnologias mais exticas como, formao de aerossis na estratosfera, sequestro de carbono marinho por fertilizao dos oceanos, aumento da alcalinidade dos oceanos, gesto do albedo e uso refletores solares espaciais so o que so, meras curiosidades no momento, umas em maior, outras em menor grau.

Temos quase que um compromisso moral com o desenvolvimento da tecnologia do biocarvo. uma consequncia da tecnologia usada por nossos ancestrais pr-colombianos.

O ioarvo perite haroizar a produo de energia e de alimentos com o aumento da fertilidade do solo e o sequestro de carbono. Essas caractersticas fazem dessa tecnologia uma das poucas hoje disponveis com potencial para responder convergncia de questes com as quais o mundo se defronta nesse incio de sculo: degradao dos solos, escassez de alimentos e fertilizantes, competio por biomassa e escalada das emisses de gases do efeito estufa. Talvez estejamos prximos de uma segunda revoluo verde, baseada no aprimoramento de tcnicas antigas, herdadas das populaes pr-colombianas, que permitiro um reaproveitamento sem precedentes de resduos e uma produo agrola tropializada e aietalete eos daosa.6

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Disponvel em: . Acesso em: 17 novembro 2011.

AbstractResumo1. Introduo2. Algumas estratgias para a diminuiodo aquecimento global3. As Terras Pretas de ndios da Amaznia4. A produo de biocarvo (biochar)5. ConclusoReferncias Bibliogrficas