Análise integrada da utilização de Co2 em destilarias de etanol para produção de biometanol no Brasil

Abstract

Neste trabalho, um novo cenário de produção sustentável de biometanol a partir de fontes renováveis é apresentado com o objetivo de promover processos de captura de carbono acoplados a destilarias de etanol, sendo modelado no software Aspen Plus e otimizado usando o software MATLAB. Os parâmetros de projeto levaram em consideração os custos de capital associados a uma análise de sensibilidade da variação de mercado. Superfícies de resposta foram obtidas de acordo com a quantidade de bagaço utilizado para cogerar energia, buscando maximizar o Valor Presente Líquido (VPL) e minimizar as emissões de CO2 de cada cenário. O potencial de produção anual do biometanol, seus custos e os impactos ambientais foram avaliados para cada caso. Os resultados indicam que o problema do alto consumo energético para obter-se hidrogênio por eletrólise pode ser contornado usando-se energia de cogeração, sendo viável implementar esse processo em destilarias capazes de emitir mais de 120 mil toneladas de CO2/safra. Dependendo do tamanho da destilaria, uma faixa de 1.136 - 1.988 toneladas de metanol podem ser produzidas por ano a custos de produção na faixa de 0,51 - 0,62 $/tonelada com um saldo negativo de CO2 variando entre -2.198 e -1.814 ton/ano. O cenário proposto mostra que integrar uma planta de biometanol com uma destilaria de etanol é uma opção inovadora para captura de carbono, contribuindo para a produção sustentável de metanol. Posteriormente, realizou-se uma avaliação de ciclo de vida comparativa de possíveis rotas de produção de metanol a partir de fontes renováveis e não renováveis com especial ênfase na sua aplicação no cenário brasileiro. A comparação dos resultados obtidos para cada rota determinou os desempenhos dos processos de produção de metanol e avaliou seus aspectos econômicos, sociais e ambientais. Os processos considerados neste estudo foram: gás de síntese a partir da reforma do gás natural; gás de síntese da oxidação parcial do gás natural; gás de síntese da gaseificação do carvão mineral; gás de síntese de gaseificação da biomassa; e hidrogenação de carbono de fontes puras de CO2. Os impactos ambientais (isto é, potencial de aquecimento global e potencial de acidificação), custos de produção e eficiência energética dessas cinco rotas foram comparados. Além disso, estudou-se a relação entre a capacidade da planta e o custo de capital da produção de metanol. O conceito de custo social do carbono é usado para apresentar as relações entre impactos ambientais e fatores sociais. Os resultados indicaram que a hidrogenação de CO2 se mostrou mais benéfica do que métodos tradicionais em termos de emissões de CO2. A rota por gaseificação da biomassa também proporcionou resultados atraentes do ponto de vista ambiental. No entanto, essas rotas são menos atraentes quando os custos de produção são considerados. Portanto, aumentar as eficiências e diminuir os custos da produção de metanol a partir das rotas renováveis pode colocá-las à frente como potenciais opções. Ao final, os rankings gerais mostram que as rotas renováveis são candidatas promissoras para a produção do metanol de forma sustentável em vista do potencial brasileiro em termos de matérias-primas

In this work, a new sustainable biomethanol production scenario from renewable sources is designed aiming to promote a carbon capture process coupled to an industrial etanol distillery being modeled with Aspen Plus and optimized using MATLAB. Design parameters were handled taking into account the associated capital costs and applying sensitivity analysis. The response surfaces were obtained according to the amount of bagasse used to cogenerate energy, attempting to maximize the Net Present Value (NPV) while minimize the CO2 emissions of distillery size. The annual production potential of methanol, its costs and the environmental effects have been assessed for each case. The results show that the problem of high-energy consumption for electrolysis might be bypassed using co-generated energy, being feasible to implement this process in distilleries able to emit more than 120,000 ton of CO2/harvest. Depending on the distillery size, a range of 1,136 - 1,988 ton of methanol can be produced per year at production costs in the interval of 0.51 - 0.62 $/ton with a negative CO2 balance varying from -2,198 to -1,814 ton/yr. The purposed scenario indicates that integrating a methanol plant with an ethanol distillery is an innovative option for carbon mitigation, contributing to the sustainable production of methanol. Additionaly, it is presented a comparative life cycle assessment of possible methanol production routes from renewable and non-renewable sources with a special emphasis on their application in Brazil. It is aimed to study and compare the performances of methanol production methods and assess their economic, social and environmental impacts. The routes considered in this study are syngas from reforming, syngas from partial oxidation, syngas from coal gasification, syngas from biomass gasification and carbon hydrogenation of pure CO2 sources. Environmental impacts (i.e., global warming potential and acidification potential), production costs, energy efficiency of these five routes are compared. Furthermore, the relationship between plant capacity and methanol production capital cost is studied. The social cost of carbon concept is used to presente the relations between environmental impacts and social factors. The results indicate that carbono hydrogenating become more environmentally benign than the other traditional methods in terms of emissions. The possible routes for biomass gasification also provide environmentally attractive results. However, these routes are found to be least attractive when production costs are considered. Therefore, increasing the efficiencies and hence decreasing the costs of methanol production from biomass gasification bring them forefront as potential options. The energy efficiency comparison study indicates the advantages of biomass gasification over other methods. Overall rankings show that carbon hydrogenating is primarily a promising candidate to produce methanol in an environmentally benign and cost-effective way