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How to cite this paperAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Caracterização da madeira e da casca de Sclerolobium paniculatum, Dalbergia miscolobium e Pterodon pubescens para uso energético
Ailton Teixeira do ValeI; Maria Aparecida Mourão BrasilII; Alcides Lopes LeãoII
IDepartamento de Engenharia Florestal, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília,70.910-900, Brasília, DF, tel.: (061) 273 6026, fax: (061) 347 5458
IIDepartamento de Recursos Naturais Renováveis, Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade do Estado de São Paulo, Campus de Botucatu, CEP: 18603-970, Botucatu, SP, faz: (014) 8213438, CP.:237
RESUMO
Com o objetivo de caracterizar três espécies de cerrado com vistas à produção energética, estudou-se uma faixa de cerrado sensu stricto da Fazenda Água Limpa, em Brasília-DF. Foram determinadas a biomassa aérea e as características da madeira e da casca de Sclerolobium paniculatum (carvoeiro), Dalbergia miscolobium (jacarandá do cerrado) e Pterodon pubescens (sucupira branca) de uma área total de 63,56 ha. Em dez parcelas, de 20 m x 50 m cada uma, todas as árvores com diâmetro acima de 5cm, tomado a 30 cm de altura do solo, foram identificadas tendo seus diâmetros anotados. Foram derrubadas, após casualização, três árvores para cada espécie estudada em sete classes diametrais pré-estabelecidas. No campo foram coletados os dados da massa verde do tronco e dos ramos (com diâmetro mínimo de três cm), por espécie. Em laboratório, a partir de seções transversais de madeira com casca do tronco e dos ramos, foram obtidos os teores de umidade, a massa específica básica, o poder calorífico superior, o teor de carbono fixo e o teor de matérias voláteis da madeira e da casca, em base seca. Pôde-se, também, estimar a massa seca da madeira e da casca por árvore, por espécie e por hectare, bem como a quantidade de calor disponibilizada por essas espécies, que foi caracterizada estruturalmente pelo índice de valor de cobertura. As três espécies apresentaram madeira de excelentes qualidades para produção de energia na forma de calor, com poderes caloríficos e massas específicas elevados. O número de árvores por hectare e a biomassa seca por árvore foram variáveis decisivas na produção estimada de calor. A maior produção energética estimada de madeira e casca na área estudada foi de 58.870,34 MJ/ha, apresentada pela espécie Sclerolobium paniculatum (carvoeiro), cuja produção individual foi de 1.279,72 MJ/árvore, tendo a casca uma participação em torno de 22,00%. A espécie Dalbergia miscolobium apresentou o maior número de indivíduos por hectare (84), porém com uma produção energética individual, de madeira e casca, estimada de 336,06 MJ/árvore teve, por área, menos da metade da produção energética estimada para o carvoeiro, ou seja, 28.229,04 MJ/ha, tendo a casca uma participação em torno de 25%. A espécie Pterodon pubescens apresentou a maior produção individual estimada de calor, com 1.982,86 MJ/árvore, mas devido ao baixo número de indivíduos/ha (14), apresentou a menor produção por área: 27.760,04 MJ/ha, tendo a casca uma participação em torno de 19,63%.
Palavras-chave: Energia de biomassa, madeira, casca, cerrado.
ABSTRACT
A stretch of stricto sensu cerrado scrubland at Água Limpa farm in Brasilia (Federal District, Brazil) was studied to characterise three cerrado species for the purpose of producing energy. The aerial biomass and the characteristics of the wood and bark of Sclerolobium paniculatum, Dalbergia miscolobium and Pterodon pubescens were determined in a total area of 63.56 ha. In ten plots of land, each measuring 20m x 50m, all the trees with a diameter equal to or larger than 5 cm, measured 30 cm above ground, were identified and their diameters recorded. Three specimens of each specie were felled at random in seven pre-established diameter categories. In the field, data on the green mass of trunk and branches (minimum diameter 3 cm) were gathered per specie. In the laboratory, cross-sections of wood with bark from the trunk and branches were examined to obtain moisture content, specific gravity, heat combustion, fixed carbon content and volatile materials content of the wood and bark per tree, per specie and per hectare, as well as the quantity of heat these species make available, structurally characterised by the Cover Value Index. The three species have excellent quality wood for the production of energy in the form of heat, with great heat combustion and high specific gravity. The number of trees per hectare and dry biomass per tree were decisive variables in the estimated production of heat. The highest estimated energy production of wood and bark in the area studied was 58,870.14 MJ/ha presented by the Sclerolobium paniculatum specie, whose individual production was 1,279.78 MJ/tree, the bark accounting for about 22%. The Dalbergia miscolobium specie had the largest number of specimens per hectare (84). With an individual energy production for wood and bark estimated at 335.96 MJ/tree, however, less than half that of the Sclerolobium paniculatum (i.e. 28,221.34 MJ/ha), the bark accounting for about 25%. The Pterodon pubescens specie produced the largest estimated individual heat (1,982.91 MJ/tree) but, owing to the low number of individuals/ha (14), had the lowest production per area: 27,760.71 MJ/ha, the bark accounting for 19.63% of that figure.
Keywords: Energy of biomass, wood, bark, "cerrado".
INTRODUÇÃO
Com o esgotamento previsto das energias de origem fóssil, representadas principalmente pelo petróleo, várias fontes de energia renováveis vêm sendo estudadas, tais como, a energia solar, a eólica, a biomassa, etc. com o objetivo de suprir a demanda futura. O Brasil tem grande vantagem sobre outros países, pois possui grandes reservas de recursos renováveis para serem utilizados. Hoje, o país já tem nos energéticos renováveis a maior participação dentro do balanço energético nacional, representado pela energia hidroelétrica e pela biomassa (BRASIL, 1999). A Figura 1 ilustra o comportamento dos energéticos primários (em tonelada equivalente de petróleo – tep) no período de 29 anos, a partir de 1970. Inicialmente sustentado pela lenha, o modelo energético brasileiro modificou-se ao longo dos anos e chegou a 1998 com a oferta das energias renováveis (energia hidráulica mais biomassa) superior aos energéticos fósseis. A partir de 1990, predomina a energia de origem hidráulica, seguida do petróleo. Houve também ligeiro crescimento no consumo de biomassa nos últimos três anos, devido a uma estabilização no consumo de lenha, mas com crescimento dos produtos da cana-de-açúcar. A média de consumo de lenha no Brasil nos últimos 29 anos foi de 9,4 x 107 t/ano, variando de 1,0 x 108 t, em 1970 a 6,9 x 107 t, em 1998 (Brasil, 1999).
A biomassa, dentre as alternativas renováveis existentes, em relação aos combustíveis fósseis, tem despertado maior interesse. O Quadro 1 apresenta os valores percentuais da biomassa (lenha e produtos da cana-de-açúcar) em relação a outros energéticos.
Segundo GRASSI (1994), "a produção sustentada de biomassa, que é a fonte mais versátil de energia renovável, apresenta a possibilidade de prover, de forma permanente, grandes quantidades de combustíveis gasosos, líquidos e eletricidade". A biomassa, constituída em grande parte pela madeira, representou 19,71% de todos os energéticos primários consumidos em 1998 (Quadro 1). Desse total, 9,06% (Quadro 1) foram compostos pela lenha, ou seja, 6,9 x 107 toneladas de madeira foram utilizadas para geração de calor. Do total da lenha consumida, 2,7 x 107 toneladas o foram em forma indireta, principalmente na fabricação de carvão vegetal, e 4,3 x 107 toneladas, em forma direta. Do total consumido em forma direta, 2,0 x 107 toneladas foram queimadas em residências, para cocção de alimentos. GOLDEMBERG (1998) afirma que a lenha é, de fato, a fonte de energia dominante nas áreas rurais, e cozinhar é a atividade mais intensiva energeticamente. A biomassa florestal é um recurso estratégico de baixo custo de produção por caloria em comparação com outros combustíveis e considerando-se o alto custo de distribuição das energias concentradas e a característica dispersa da biomassa, a sua utilização no meio rural e em localidades isoladas seria a solução mais racional do ponto de vista técnico, econômico e político (BRASIL, 1986).
Os ecossistemas naturais são as principais fontes de madeira para a produção de energia no Brasil. A diminuição destes ecossistemas, representados principalmente pelo cerrado e pela mata atlântica, associada à pressão conservacionista e à necessidade anual de mais madeira para energia, tem levado a crescente dificuldade para a obtenção desse recurso a partir de florestas nativas. O uso mais intensivo da madeira como energético está concentrado nas regiões Sul, Sudeste e Nordeste (BRITO e DEGLISE, 1991).
Nas regiões de uso mais intensivo da madeira como fonte de energia, a situação é de penúria. A população que usa a madeira como fonte de energia não tem condições de obter a quantidade mínima necessária (BRITO, 1990).
Quanto ao aspecto social do consumo da madeira como energético GOLDEMBERG (1998), sugeriu que o cultivo da lenha em "fazendas energéticas" e seu manejo seriam particularmente significativos para prover uma base de desenvolvimento rural e a geração de emprego em países em desenvolvimento.
BRITO e BARRICHELO (1978), citando Junge (1975), Arola (1976) e Corder (1976), indicaram o poder calorífico, o teor de umidade, a massa específica e a análise imediata como propriedades importantes da madeira para sua utilização como combustível.
O poder calorífico de um corpo é a quantidade de calor liberada pela combustão de uma unidade de massa desse corpo, e pode ser expresso em calorias por grama ou quilocalorias por quilograma, segundo DOAT (1977), que definiu o poder calorífico superior (PCS) como aquele em que a combustão se efetua a volume constante e no qual a água formada durante a combustão é condensada.
Para BRITO (1986), a variação do poder calorífico superior da madeira está entre 14.651 kJ/kg e 20930 kJ/kg, KOLLMANN e CÔTÉ (1968) relataram que o poder calorífico médio para as madeiras situa-se em torno de 18.837 kJ/kg a 0% de umidade, e que esse valor baixa para 15.906 kJ/kg a 20% de umidade.
A massa específica é um dos principais índices de qualidade da madeira, pois guarda relações com outras propriedades físicas e com as propriedades mecânicas. Se na década de 70 os estudos sobre massa específica básica em folhosas tropicais eram escassos (BRASIL, 1972), hoje já se conhece mais a respeito, principalmente com relação às folhosas da região Amazônica, conforme IBD F/DPq-LPF (1981), IBDF/DPq-LPF (1988) e CUNHA et al. (1989).
Os métodos de determinação da massa específica que se apoiam na massa específica básica, segundo BRASIL (1972), são os que mais satisfatoriamente mede a quantidade de substância madeira por unidade de volume. Para determinação mais rápida da massa específica básica, o método do máximo teor de umidade sugerido por SMITH (1954) e simplificado por FOELKEL, BRASIL e BARRICHELO (1979) é bastante adequado, uma vez que a determinação é feita em relação à massa seca e saturada, não havendo necessidade de determinação do volume.
A amostragem para a determinação da massa específica básica pode ser realizada de várias formas, porém, os trabalhos de JESUS e VITAL (1986) com Eucalyptus grandis, de NOGUEIRA e VALE (1997) com Pinus caribaea var. hondurensis, e de VALE, BRASIL e MARTINS (1999) com Acacia mangium demonstraram que as amostras retiradas a 25% da altura total do tronco guardam alta relação com a massa específica básica média da árvore.
A análise imediata da madeira fornece os teores de carbono fixo, matérias voláteis e cinzas, ou ainda, segundo BRITO e BARRICHELLO (1978), a porcentagem do material residual (cinzas) e dos materiais que se queimam no estado gasoso (material volátil) e no estado sólido (carbono fixo).
Com exceção do carvão vegetal ou do mineral, todos os combustíveis (inclusive a madeira), quando aquecidos a altas temperaturas, antes de se queimarem, sofrem evaporação da maior parte de seus componentes químicos (materiais voláteis), e só após essa evaporação esses constituintes na forma gasosa misturam-se com o oxigênio do ar para as reações de combustão (BRITO e BARRICHELLO, 1982).
BRITO e BARRICHELLO (1982), afirmam, baseado em Smith (1976) que combustíveis com altos teores de substâncias voláteis são mais fáceis e rapidamente queimado.
A utilização da madeira nativa oriunda do cerrado para geração de energia, na forma de calor, seja pela queima direta, seja pela indireta na produção de carvão vegetal, sempre foi feita de maneira indiscriminada. A análise quantitativa e a qualitativa da biomassa produzida pelas diversas espécies do cerrado não têm sido objeto de muitos estudos.
Ocupando praticamente um quarto do território brasileiro, o cerrado talvez seja o maior fornecedor de combustível para o cozimento no meio rural, o que o situa como um dos biomas de grande importância social. Pouco se conhece das espécies do cerrado do ponto de vista energético. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo caracterizar três espécies de cerrado com vistas à produção energética.
MATERIAL E MÉTODO
A coleta de dados de campo foi conduzida em área de 63,56 ha de vegetação do tipo cerrado sensu stricto na Fazenda Água Limpa (FAL), de propriedade da Universidade de Brasília (UnB), Distrito Federal, localizada a 1.100 metros de altitude e a 15°56'14''S e 47°46'08''W.
A área foi dividida em parcelas iguais de 20 m x 50 m, dentre as quais sortearam-se, aleatoriamente, 10 parcelas, totalizando uma amostra de 1,57% da área, seguindo procedimento utilizado por SILVA (1990). Todas as árvores, das três espécies, com diâmetro igual ou superior a cinco centímetros medido a 30 cm de altura do solo foram identificadas, anotando-se os diâmetros e as alturas totais.
Após classificação em sete classes diamétricas: 5-9, 9-13, 13-17, 17-21, 21-25, 25-29 e 29-33 centímetros, sortearam-se, ao acaso, três indivíduos por classe diamétrica e por espécie, que foram cortados para a pesagem, no campo, da biomassa aérea e a retirada de amostras da madeira e da casca.
Padronizou-se amostrar a biomassa do tronco, constituída da madeira e da casca das árvores vivas com 5 cm de diâmetro, medido a 30 cm de altura do solo, e da madeira e da casca dos ramos, das mesmas árvores, com diâmetro da base igual ou superior a 3 cm.
Após pesagem foram recolhidas duas amostras de seções transversais (discos) com aproximadamente 2,50 cm de espessura, ao longo do tronco nas posições correspondentes a 0, 25%, 50%, 75% e 100% da altura do tronco. Foi retirada, também, amostra na base de cada ramo. Em árvores bifurcadas ou com mais de dois ramos principais escolheu-se, ao acaso, um dos ramos para a retirada da amostra. As duas amostras de cada posição, acondicionadas em sacos de polietileno e identificadas, foram encaminhadas ao laboratório para a determinação da umidade, da massa específica básica, do poder calorífico superior, e para análise imediata, respectivamente, da madeira e da casca.
Da amostra obtida a 25% da altura do tronco, a partir da base, destinada à obtenção do teor de umidade para estimativa da massa seca, foi concomitantemente retirada uma subamostra para determinação da massa específica básica da madeira do tronco. Na determinação da massa específica básica da casca do tronco, utilizou-se uma amostra composta, a partir de discos de todas as alturas.
Os discos destinados às análises físicas e imediatas foram separados em madeira e casca. Cada fração foi misturada numa amostra composta por espécie. As amostras compostas, após serem moídas, foram classificadas em peneiras, obtendo-se a fração retida entre 40 e 60 mesh que foi utilizada para a determinação do poder calorífico superior, e a fração abaixo de 40 mesh, para a análise imediata, respectivamente, da madeira e da casca.
Os teores de umidade da madeira do tronco e dos ramos, bem como da casca do tronco e dos ramos, foram determinados para cada indivíduo da espécie, pelo método da estufa, em base seca, segundo VITAL (1997).
A densidade básica da madeira do tronco e da casca foi determinada utilizando-se o método do máximo teor de umidade, conforme FOELKEL et al. (1971) e VITAL, (1984).
Para verificar o comportamento da espécie no âmbito da estrutura da comunidade, utilizou-se do índice de valor de cobertura (IVC), segundo RODRIGUES (1988).
O poder calorífico superior da madeira e da casca por espécie foi determinado segundo norma ABNT NBR (1984) e pelo manual de operações do calorímetro PARR 1201.
A quantidade de calor disponibilizada pela espécie foi obtida pelo produto da massa seca de madeira com o respectivo poder calorífico para cada espécie. De maneira semelhante, obteve-se a quantidade de calor originada pela casca.
A análise imediata da madeira e da casca para determinação dos teores de matérias voláteis, de cinzas e de carbono fixo foi feita segundo a norma ASTM D-1762-64.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 2 apresenta as características físicas e energéticas da madeira e casca de Dalbergia miscolobium, de Pterodon pubescens e de Sclerolobium paniculatum. A área de cerrado sensu stricto, de onde originaram as espécies em estudo, apresenta, segundo VALE (2000) 47 espécies/ha e 673 indivíduos/ha. A espécie Dalbergia miscolobium apresentou uma dominância relativa de 12,48 e uma densidade relativa de 10,89 gerando um índice de valor de cobertura (IVC) de 23,37. Com IVC semelhante ao anterior (23,55) a espécie Sclerolobium paniculatum apresentou-se com uma dominância relativa menor (6,84), em função do menor número de indivíduos por hectare, porém uma maior densidade relativa (16,71), em função de sua maior área basal. Com menor IVC (8,36) ficou a espécie Pterodon pubescens (sucupira branca), com baixa dominância e baixa densidade relativa.
O povoamento apresenta um diâmetro médio ponderado de 11,39 cm a 30 cm de altura em relação ao solo e uma altura total média ponderada foi de 4,10 m VALE (2000). As três espécies em estudo apresentaram, respectivamente, para jacarandá do cerrado, sucupira branca e carvoeiro, diâmetro de 9,72; 16,66 e 16,54 cm e altura de 4,97; 5,98 e 6,84 m.
O povoamento apresenta uma produção média de 18,39 kg/árvore e de 12.385,35 kg/ha (VALE, 2000). As massas secas de jacarandá do cerrado, carvoeiro e sucupira branca somadas representam 45,13% do total de massa seca disponibilizada pelo povoamento, portanto do ponto de vista da produção de biomassa seca estas três espécies se destacam uma vez que os outros 54,87 % da massa seca estão distribuídos entre 44 espécies.
Entre as três espécies, o Sclerolobium paniculatum (carvoeiro) é a melhor em produção de biomassa, com o dobro de produção em relação às outras duas, representando 23,20 % da produção total.
Com elevadas massas específicas e elevados poderes caloríficos (Quadro 2), as madeiras apresentam-se com boas características para uso na produção de energia na forma de calor.
As elevadas massas específicas das espécies estudadas, as classificam-nas como madeiras duras (massa específica acima de 0,72 g/cm3)
Valores semelhantes de massa específica foram encontrados por VALE et al. (1992, 1998) trabalhando em outra área de cerrado sensu stricto, a saber: Sclerolobium paniculatum (0,70 ± 0,04 g/cm3), Pterodon pubescens, (0,75 ± 0,04 g/cm3) e Dalbergia miscolobium (0,72 ± 0,05 g/cm3).
Madeiras com maiores massas específicas produzem maiores quantidades de energia por unidade volumétrica.
Dentre as 47 espécies estudadas por VALE (2000), a variação do teor de matérias voláteis da madeira foi de 74,62% a 81,2%; e para casca de 65,2% a 76,95%. O mesmo autor encontrou valor médio em carbono fixo para a madeira de 20,73%; e para a casca de 25,19%.
Das três espécies estudadas, a Dalbergia miscolobium apresenta-se em melhores condições em relação à análise imediata, pois tem o menor teor de material volátil e o maior teor de carbono fixo. As outras duas espécies apresentam-se com valores menores, porém acima da média encontrada por VALE (2000) para a área como um todo.
Os teores de matérias voláteis e carbono fixo na madeira estão de acordo com BRITO e BARRICHELLO (1982), que preconizaram, em termos gerais, teores de matérias voláteis entre 75% a 85% e de carbono fixo entre 15% a 25%. Segundo esses autores, combustíveis com alto índice de carbono fixo devem ter queima mais lenta, implicando maior tempo de residência dentro dos aparelhos de queima, em comparação com outros que tenham menor teor de carbono fixo.
O poder calorífico superior médio para a madeira das espécies encontradas por VALE (2000) na área de estudo foi de 19.940 KJ/kg. As três espécies apresentaram poderes caloríficos superiores elevados e acima do valor médio encontrado para a área.
CASTILLO (1984), encontrou 20.448 kj/kg para Trichilia sexanthera, espécie da Amazônia Peruana e MEIFA e CASTILLO (1992) encontraram 19.695 kj/kg para Ceiba samauma, da mesma região.
Dalbergia miscolobium apresentou o maior poder calorífico superior para a casca. JARA (1989) determinou o poder calorífico da casca de 27 espécies, encontrando variação de 15.998 kj/kg para Eucalyptus grandis com nove anos de idade a 24.433 kj/kg para Paulownia tomentosa (kiri).
Com uma maior produção de biomassa seca, o Sclerolobium paniculatum (carvoeiro) destacou-se na produção de energia na forma de calor, superior à soma da produção alcançada pela Dalbergia miscolobium e Pterodon pubescens. Considerando que VALE (2000) encontrou para a área uma produção total de 251160 Gj, somente o carvoeiro é responsável por praticamente ¼ desta produção total.
CONCLUSÃO
As espécies Sclerolobium paniculatum Pterodon pubescens e Dalbergia miscolobium com boa produção de biomassa seca apresentam, dentro das condições da área de cerrado sensu stricto, madeiras com excelentes qualidades para a produção de energia na forma de calor, com elevados poderes caloríficos, elevadas massas específicas, propiciando uma elevada produção de calor por unidade de volume. Teores de carbono fixo acima da média e teores de matérias voláteis abaixo da média, possibilitando um maior tempo de residência em aparelho de queima.
Sclerolobium paniculatum foi a espécie de maior destaque, dentre as três, com uma produção energética superior à soma da produção de Dalbergia miscolobium e Pterodon pubescens.
Num possível plano de manejo sustentado para a produção energética para suprimento de demanda de calor em pequenas comunidades rurais estas espécies devem ser incluídas.
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Endereço para correspondência
Ailton Teixeira do Vale
e-mail: atvale@unb.br
