Simulação e otimização do processo integrado de produção de biodiesel a partir do óleo de soja e de hidrogênio pela reforma a vapor do glicerol

Abstract

RESUMO: O crescimento da demanda energética e o avanço das mudanças climáticas representam duas das principais problemáticas abordadas pela ciência no século XXI, e, nesse contexto os biocombustíveis ganham destaque. A produção de biodiesel, que cresce significantemente desde o final do século XX, sofre ainda com seu alto custo de produção quando comparado ao diesel fóssil, bem como com a superprodução de glicerol, obtido como subproduto na transesterificação. Inúmeras alternativas de utilizar o glicerol como matéria-prima para a produção de compostos de maior valor agregado têm sido alvo de estudo. A reforma a vapor do glicerol, nessa perspectiva, permite a produção de hidrogênio, químico de grande importância na indústria, mas que ainda tem sua produção intimamente relacionada a fontes fósseis. Nesse sentido, o presente trabalho trata de uma avaliação técnico-econômica e ambiental de uma planta de produção integrada de biodiesel e hidrogênio. Para a análise técnico-econômica, três designs foram propostos e avaliados: (a) produção isolada de biodiesel; (b) produção integrada com a reforma a vapor do glicerol utilizando da absorção por aminas para purificação do hidrogênio; e (c) produção integrada com a reforma a vapor utilizando da adsorção por oscilação de pressão (em inglês, pressure swing adsorption, PSA) para a purificação do hidrogênio. Os três designs foram comparados em função do seu valor presente líquido considerando diferentes capacidades de processamento, precificação do hidrogênio e incidência de impostos. Considerando uma indústria de biodiesel com capacidade de 5 t/h, o hidrogênio produzido apresentou custos de 4,62 USD/kg e 5,51 USD/kg para absorção e adsorção, respectivamente. Considerando a precificação do hidrogênio a 5,00 USD/kg, se glicerol adicional, oriundo de outras produtoras de biodiesel ou sabão, fosse adquirido e processado, o custo do hidrogênio poderia ser reduzido para 3,85 USD/kg e 4,47 USD/kg, respectivamente, resultando em um aumento de 93% e 45% no valor presente líquido em comparação com a produção biodiesel isolada. A reforma a vapor do glicerol melhorou o valor presente líquido da indústria de biodiesel, especialmente quando o processamento de glicerol de origem externa foi considerado. Com relação ao aspecto ambiental, uma avaliação de ciclo de vida foi realizada considerando dois possíveis cenários: a reforma do glicerol, considerando a absorção por aminas para purificação do hidrogênio, ou sua queima para produção de energia. Considerando uma avaliação de berço ao portão, e utilizando a ferramenta TRACI para avaliação de impactos ambientais, verificou-se que, nas condições consideradas, o processo de reforma tem uma performance ambiental inferior à queima do glicerol, especialmente nas categorias de saúde humana, que atingem incrementos de 30,4% e 28,8% para cancerígenos e não cancerígenos, respectivamente. A grande desvantagem da reforma está associada, em parte, à queima de gás natural para fornecer energia ao processo. A substituição dessa fonte por alternativas renováveis poderia favorecer os aspectos ambientais da reforma sobre a queima do glicerol. Do presente trabalho, conclui-se que a reforma a vapor do glicerol, apesar de apresentar boa perspectiva econômica em sua aplicação, ainda precisa de um desenvolvimento cuidadoso para garantir simultaneamente baixos impactos ambientais.

ABSTRACT: The growth in energy demand and the advance of climate change represent two of the main problems addressed by science in the twenty-first century, and, in this context, biofuels have gained prominence. However, the production of biodiesel, which has grown significantly since the end of the twentieth century, still suffers from its higher production cost when compared to fossil diesel, and from the overproduction of glycerol, obtained as a by-product in transesterification. Numerous alternatives to using glycerol as a raw material for the production of compounds with higher added value have been the subject of study. In this perspective, the steam reforming of glycerol allows the production of hydrogen, a chemical of great importance in industry, but whose production is still closely related to fossil sources. In this sense, the present work addresses a technical-economic and environmental evaluation of an integrated biodiesel and hydrogen production plant. For the technical-economic analysis, three designs were proposed and evaluated: (a) production of biodiesel standalone; (b) integrated production with the glycerol steam reforming using amine absorption for hydrogen purification; and (c) production integrated with glycerol steam reforming using pressure swing adsorption (PSA) for hydrogen purification. The three designs were compared based on their net present value considering different processing capacities, hydrogen pricing, and tax incidence. Considering a biodiesel industry with a capacity of 5 t/h, the hydrogen produced presented costs of 4.62 USD/kg and 5.51 USD/kg for absorption and adsorption, respectively. For the pricing of hydrogen at 5.00 USD/kg, if additional glycerol were purchased from other biodiesel or soap producers and processed, the cost of hydrogen could be reduced to 3.85 USD/kg and 4.47 USD/kg, respectively, resulting in a 93% and 45% increase in net present value compared to biodiesel production alone. Reforming glycerol improved the net present value of the biodiesel industry, especially when processing glycerol from outside was considered. Regarding the environmental aspect, a life cycle assessment was carried out considering two possible scenarios: glycerol steam reforming, considering amine absorption for hydrogen purification, or burning glycerol for energy production. Considering a cradle-to-gate evaluation, and using the TRACI tool for impact assessment, it was found that, under the conditions considered, the reforming process has a lower environmental performance than burning glycerol, especially in the human health categories, which reaches increments of 30.4% and 28.8% for carcinogens and non-carcinogens, respectively. The major disadvantage of the reforming is associated, in part, with the burning of natural gas to provide energy to the process. The replacement of this source with renewable alternatives could favor the environmental aspects of the reform on the glycerol burning. From this work, it was concluded that the steam reforming of glycerol, although presenting a good economic perspective in its application, still requires careful development to simultaneously guarantee low environmental impacts.