Introdução à cadeia de valor da produção de biometano

O biometano como alternativa à mobilidade eléctrica

Como seria ir de A a B de uma forma descontraída e sem prejudicar o clima? O primeiro pensamento sugere a compra de um carro elétrico. No entanto, são necessárias terras raras, como o disprósio ou o neodímio, para produzir as baterias. Outros elementos, como o lítio ou o cobalto, também têm de ser utilizados para produzir as baterias. Regra geral, estes elementos são escassos e têm fornecedores problemáticos, como a China para as terras raras ou o Congo para o cobalto. (Dicks, 2020)

E agora?

Existe uma alternativa que seja simultaneamente amiga do ambiente e poupe tempo no reabastecimento?

A resposta é um retumbante SIM! O combustível chama-se biometano. O que é exatamente o biometano, como é produzido e quais os passos necessários para chegar ao produto final são explicados neste artigo.

Dicks, H. (9 de dezembro de 2020). Biometano - combustível atrativo para a transição da mobilidade.

Etapa n.º 1: Cultivo/exploração de produção de biometano

Origem do biometano

Isto levanta a questão: Como podemos transformar o estrume agrícola e as matérias-primas renováveis em combustível amigo do ambiente?

Em primeiro lugar, os resíduos, os NaWaRo's, o chorume/estrume e os materiais residuais das explorações agrícolas de origem e das explorações produtoras são recolhidos por colectores, que são na sua maioria comerciantes ou fornecedores, e depois transportados para a unidade de biogás. Esta etapa é mostrada na Figura 1.

Figura 1: 1ª etapa da cadeia de valor (agriportance GmbH, 2022)

Processos na unidade de biogás

A fermentação destas substâncias tem lugar nesta unidade. Durante a formação do metano, os microrganismos decompõem a matéria orgânica num ambiente sem oxigénio (anaeróbico), libertando biogás. Este é uma mistura gasosa saturada de vapor de água, que consiste essencialmente em metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). Outros componentes, para além do vapor de água, são gases vestigiais como o azoto, o oxigénio, o hidrogénio, o sulfureto de hidrogénio e o amoníaco. Nas centrais de biogás e de gás de esgoto, estes processos de fermentação anaeróbica são tecnicamente aplicados e o biogás que pode ser utilizado para energia é produzido com a maior eficiência possível.

Grob pode explicar as etapas do processo da unidade de biogás em quatro passos:

Hidrólise: Na primeira etapa da formação de metano, as bactérias aeróbias, em particular, decompõem substâncias orgânicas complexas, como proteínas, hidratos de carbono ou gorduras, em moléculas individuais com a ajuda de enzimas. Estes produtos incluem aminoácidos, ácidos gordos ou açúcares.
Acidogénese: Imediatamente a seguir, as bactérias anaeróbias facultativas formadoras de ácido assumem a continuação da degradação na fase de acidificação, principalmente em hidrogénio, dióxido de carbono, ácidos gordos e álcoois. No caso de substratos ricos em óleos e gorduras, são também produzidos nesta fase H2S e NH3.
Acetogénese: Os produtos da acidogénese são posteriormente degradados na acetogénese por bactérias formadoras de ácido acético. São produzidos ácido acético, CO2 e H2.
Metanogénese: O metano, o CO2 e a água são formados a partir do ácido acético, do CO2 e do H2 com a ajuda de arqueas hidrogenotróficas e metanogénicas. (Martin Kaltschmitt, 2016)

Estes processos são novamente apresentados na Figura 2.

Figura 2: Degradação anaeróbia da matéria orgânica em biogás (fermentadores G, bactérias acetogénicas AB, bactérias homoacetogénicas HAB, oxidadores de acetato sintrópicos SAO, metanogénios acetoclásticos AM, metanogénios hidrogenotróficos HM) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). Energia da biomassa. Springer.

Etapa n.º 2: transformação em biogás e posterior injeção na rede de gás natural

Etapas do processo biogás para alimentação

Para produzir biometano a partir do biogás, a mistura de gás deve ser purificada. Isto acontece nas unidades de valorização do biogás. Esta etapa da cadeia de valor é apresentada na Figura 3.

Figura 3: Etapa 2 da cadeia de valor do biometano (agriportance GmbH. (junho de 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

São utilizados vários processos de tratamento, como a depuração com aminas, a adsorção por oscilação de pressão ou a depuração com água pressurizada (DWW):

Lavagem com aminas

No caso da depuração com aminas como processo de absorção química, a purificação é semelhante à da depuração com água pressurizada. Neste caso, o biogás flui através de uma solução de amina-água em contra-fluxo sob uma pressão ligeiramente aumentada, através da qual o CO2 reage com a solução de lavagem e passa para a mesma. A solução de amina atinge uma carga mais elevada do que a água, o que reduz a quantidade de agente de lavagem que tem de ser circulada. O ar de exaustão contém apenas pequenas quantidades de metano, pelo que, normalmente, não é necessária a limpeza de gases pobres. Recomenda-se uma dessulfuração fina para manter a capacidade do desempenho de lavagem a longo prazo. A lavagem com aminas consome muita energia, uma vez que são necessárias grandes quantidades de calor de processo para a regeneração da solução de aminas. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Lavagem sob pressão

O processo DWW utiliza a diferente solubilidade do metano e do dióxido de carbono na água a pressões variáveis. O biogás previamente comprimido flui através da coluna de absorção de baixo para cima. Esta é normalmente concebida como um reator de leito gota a gota, no qual a água passa através do gás em contra-fluxo. Desta forma, os componentes básicos e ácidos do biogás, especialmente o dióxido de carbono e o sulfureto de hidrogénio, podem ser dissolvidos e quaisquer poeiras e microorganismos podem ser separados. O gás purificado deixa a coluna com uma pureza de 90 a 99 vol.% de metano. Para além do CO2, o ar de exaustão contém cerca de 1 vol.% de metano, que tem de ser separado através de um tratamento de gás pobre. Em comparação com outros processos de separação de CO2, a necessidade de eletricidade é elevada devido à circulação da água de depuração e à necessária compressão do biogás. A secagem preliminar do gás não é necessária. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Adsorção por oscilação de pressão

Na adsorção por oscilação de pressão (DWA), as misturas gasosas são separadas por adsorção em carvões activados, peneiras moleculares ou peneiras moleculares de carbono. Antes da DWA, é necessária a secagem, a dessulfuração fina e a compressão do biogás. O gás arrefecido e desidratado passa então pelo adsorvente (peneira molecular ou carvão ativado), no qual o CO2 é adsorvido. O produto gasoso rico em metano é então expandido e encaminhado para uma segunda coluna onde a adsorção é repetida com a introdução de ar ambiente. A regeneração do adsorvente é efectuada através da redução da pressão com a ajuda de uma bomba de vácuo. O gás extraído, rico em CO2, ainda contém metano e deve, portanto, ser conduzido a um pós-tratamento de gás pobre. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015)

Requisitos para a injeção de biometano

No entanto, o biometano, agora purificado pelos processos, tem de cumprir vários requisitos antes de poder ser introduzido na rede de gás natural:

Teor energético: As exigências em termos de teor energético são definidas através do índice de Wobbe, que é utilizado para caraterizar a qualidade dos gases combustíveis através da combustão controlada. Este deve situar-se entre 11-13 kWh/m3 para o gás L e entre 13,6-15,7 kWh/m3 para o gás H.
Teor de sulfureto de hidrogénio: O teor de sulfureto de hidrogénio (H2S) deve ser reduzido para 5 mg/m3.
Densidade relativa: A densidade do gás deve estar compreendida entre 0,55-0,75 kg/m3

Teoricamente, cada unidade de biogás pode alimentar a rede de gás natural com o biometano produzido a partir do biogás. Na prática, a construção da instalação de alimentação e dos gasodutos para a rede de gás deve ser verificada pelo respetivo operador da rede. Uma vez que os custos de construção das instalações de alimentação e dos gasodutos têm de ser suportados pelos volumes de gás vendidos, a alimentação normalmente só faz sentido para os que estão localizados perto da rede de gás natural. Para a alimentação de biometano na rede de gás natural e a sua utilização como combustível, as directrizes de acordo com a DVGW e a DIN definem os valores-chave correspondentes. Portanto, antes que o biometano possa ser alimentado na rede de gás natural, ele deve ser levado à qualidade de gás natural exigida no respetivo local. Estas qualidades variam de região para região, especialmente no que respeita ao poder calorífico e à pressão necessários. (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (junho de 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.)

O biometano purificado e que cumpre os requisitos pode agora ser utilizado pelo consumidor.

Braune, K., Naumann, K., Postel, J., & Postel, C. (2015). Fundamentos técnicos e metodológicos do balanço de GEE do biometano. DBFZ.

agriportance GmbH. (junho de 2022). Workshop_THG_Bilanzierung_V.0.1.12.

Para que pode exatamente ser utilizado o biometano?

Como descrito no início, o biometano pode ser utilizado nos transportes. Mesmo que o mundo automóvel se torne mais elétrico: O gás natural ou GNC é e continua a ser uma alternativa mais ecológica à gasolina e ao gasóleo. No entanto, a escolha de modelos de veículos é limitada (carros novos com equipamento de GNC/gás natural "ex works": Audi, Fiat, Seat, Skoda, VW) e a rede de estações de abastecimento é expansível (Figura 4). Tal como o petróleo bruto e o carvão, o gás natural é uma matéria-prima orgânica combustível. É constituído por cerca de 85% de metano. O gás natural comprimido (GNC) e o gás natural liquefeito (GNL) estão disponíveis. Este último é liquefeito a 164 graus Celsius negativos e só é utilizado em veículos comerciais. O combustível mais comum para os veículos de passageiros é o GNC gasoso. O biogás também está a ser cada vez mais utilizado nas estações de serviço. É armazenado no veículo em depósitos com uma pressão de funcionamento de 200 bar. Na Alemanha, existem cerca de 820 estações de serviço onde o GNC está disponível. O biogás é uma variante particularmente amiga do ambiente. Através do aumento do teor de metano, ele pode ser elevado ao nível de qualidade do gás natural. Este biometano é adequado, sem restrições, como combustível para veículos a gás natural. Em muitos postos de abastecimento de gás natural na Alemanha, o biometano já é oferecido puro ou misturado com gás natural como combustível. (ADAC, Natural gas/CNG - a drive with a future?, 2022)