Introdução à cadeia de valor da produção de biometano

O biometano como alternativa à mobilidade eletrônica

Como seria ir de A a B de forma tranquila e sem prejudicar o clima? O primeiro pensamento que vem à mente é comprar um carro elétrico. No entanto, são necessárias terras raras, como disprósio ou neodímio, para fabricar as baterias. Outros elementos, como o lítio ou o cobalto, também precisam ser usados para produzir as baterias. Esses elementos geralmente estão em falta e também têm fornecedores problemáticos, como a China para terras raras ou o Congo para cobalto (Dicks, 2020).

E agora?

Existe uma alternativa que seja ecologicamente correta e economize tempo ao reabastecer?

A resposta é um sonoro SIM! O combustível é chamado de biometano. Este artigo explica o que é exatamente o biometano, como ele é produzido e quais são as etapas necessárias para chegar ao produto final.

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

Etapa nº 1: Cultivo/produção de biometano

Origem do biometano

Aqui surge a pergunta: como o combustível ambientalmente correto é produzido a partir de esterco (chorume/estrume) e matérias-primas renováveis?

Em primeiro lugar, os resíduos, as matérias-primas renováveis, o chorume/estrume e os materiais residuais de fazendas e produtores são coletados por coletores, geralmente comerciantes ou fornecedores, e depois transportados para a usina de biogás. Essa etapa é ilustrada na Figura 1.

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

Processos na usina de biogás

A fermentação dessas substâncias ocorre nessa usina. Durante a formação do metano, os microrganismos decompõem a matéria orgânica em um ambiente sem oxigênio (anaeróbico), liberando biogás. Trata-se de uma mistura gasosa saturada de vapor de água, que consiste essencialmente de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). Além do vapor de água, outros componentes incluem gases residuais, como nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio e amônia. Nas usinas de biogás e gás de esgoto, esses processos de fermentação anaeróbica são tecnicamente aplicados e o biogás que pode ser usado como energia é produzido com a maior eficiência possível.

As etapas do processo da usina de biogás podem ser explicadas, grosso modo, em quatro etapas:

Hidrólise: Na primeira etapa da formação de metano, as bactérias aeróbicas, em particular, quebram substâncias orgânicas complexas, como proteínas, carboidratos ou gorduras, em moléculas individuais com a ajuda de enzimas. Esses produtos incluem aminoácidos, ácidos graxos e açúcares.
Acidogênese: imediatamente depois, as bactérias anaeróbicas facultativas formadoras de ácido na fase de acidificação assumem a degradação adicional, principalmente em hidrogênio, dióxido de carbono, ácidos graxos e álcoois. No caso de subespécies ricas em óleo e gordura, H2S e NH3 também são produzidos nessa fase.
Acetogênese: os produtos da acidogênese são decompostos na acetogênese por bactérias produtoras de ácido acético. São formados ácido acético, CO2 e H2.
Metanogênese: metano, CO2 e água são formados a partir de ácido acético, CO2 e H2 com a ajuda de arqueas hidrogenotróficas e metanogênicas (Martin Kaltschmitt, 2016).

Esses processos são mostrados novamente na Figura 2.

Figura 2: Degradação anaeróbica de material orgânico em biogás (fermentadores G, bactérias acetogênicas AB, bactérias homoacetogênicas HAB, oxidadores de acetato sintrópicos SAO, metanógenos acetoclásticos AM, metanógenos hidrogenotróficos HM) (Martin Kaltschmitt, 2016).

Martin Kaltschmitt, H. H. (2016). energy from biomass (energia da biomassa). springer.

Etapa nº 2: processamento adicional para biogás e alimentação subsequente na rede de gás natural

Etapas do processo, do biogás ao feed-in

Para produzir biometano a partir do biogás, a mistura de gás deve ser purificada. Isso ocorre nas usinas de beneficiamento de biogás. Essa etapa da cadeia de valor é ilustrada na Figura 3

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

Vários processos são usados para processamento, como depuração de amina, adsorção por oscilação de pressão ou depuração de água pressurizada (DWW):

Lavagem com amina

Na lavagem de amina como um processo de absorção química, a purificação é semelhante à lavagem de água pressurizada. Aqui, o biogás flui sob uma pressão ligeiramente maior por meio de uma solução de amina-água em contracorrente, por meio da qual o CO2 reage com a solução de lavagem e passa para ela. A solução de amina atinge uma carga maior do que a da água, o que reduz a quantidade de detergente que precisa ser circulada. O ar de exaustão contém apenas pequenas quantidades de metano, razão pela qual geralmente não é necessária a limpeza de gás pobre. A dessulfuração fina é recomendada para manter a capacidade do desempenho da lavagem a longo prazo. A lavagem com amina consome muita energia, pois são necessárias grandes quantidades de calor do processo para regenerar a solução de amina (Braune, Naumann, Postel e Postel, 2015).

Lavagem com água pressurizada

O processo DWW utiliza a solubilidade diferente do metano e do dióxido de carbono na água em pressões variadas. O biogás previamente comprimido flui pela coluna de absorção de baixo para cima. Normalmente, ela é projetada como um reator de leito de gotejamento no qual a água flui através do gás em contracorrente. Isso permite que os componentes básicos e ácidos do biogás, especialmente o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio, sejam dissolvidos e que a poeira e os microrganismos sejam separados. O gás purificado deixa a coluna com uma pureza de 90 a 99% de metano por volume. Além do CO2, o ar de exaustão contém cerca de 1% de metano por volume, que deve ser separado por meio do tratamento de gás pobre. A necessidade de eletricidade é alta em comparação com outros processos de separação de CO2 devido à circulação da água de depuração e à compressão de biogás necessária. Não é necessária a secagem prévia do gás (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Adsorção por oscilação de pressão

Na adsorção por oscilação de pressão (PSA), as misturas de gás são separadas por adsorção em carvões ativados, peneiras moleculares ou peneiras moleculares de carbono. A secagem, a dessulfurização fina e a compressão do biogás são necessárias antes da DWA. O gás resfriado e desidratado passa então pelo adsorvente (peneira molecular ou carvão ativado), no qual o CO2 é adsorvido. O gás do produto rico em metano é então expandido e canalizado para uma segunda coluna na qual o processo de adsorção é repetido com a introdução de ar ambiente. A regeneração do absorvente é realizada pela redução da pressão com o auxílio de uma bomba de vácuo. O gás rico em CO2 extraído ainda contém metano e, portanto, deve ser alimentado em um pós-tratamento de gás pobre (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015).

Requisitos para a alimentação de biometano

No entanto, o biometano que agora foi purificado pelos processos deve atender a vários requisitos antes de poder ser alimentado na rede de gás natural:

Conteúdo energético: os requisitos de conteúdo energético são definidos pelo índice de Wobbe, que é usado para caracterizar a qualidade dos gases combustíveis por meio de combustão controlada. Esse valor deve estar entre 11-13 kWh/m3 para o gás L e entre 13,6-15,7 kWh/m3 para o gás H.
Teor de sulfeto de hidrogênio: a proporção de sulfeto de hidrogênio (H2S) deve ser reduzida para 5 mg/m3.
Densidade relativa: a densidade do gás deve estar entre 0,55 e 0,75 kg/m3

Teoricamente, qualquer usina de biogás pode alimentar a rede de gás natural com o biometano produzido a partir do biogás. Na prática, a construção da usina de alimentação e os dutos para a rede de gás devem ser verificados pelo respectivo operador da rede. Como os custos de construção das usinas de alimentação e dos dutos devem ser suportados pelas quantidades de gás vendidas, a alimentação geralmente só faz sentido para usinas localizadas próximas à rede de gás natural. As diretrizes DVGW e DIN definem os índices correspondentes para alimentar o biometano na rede de gás natural e usá-lo como combustível. Portanto, antes que o biometano possa ser alimentado na rede de gás natural, ele deve ser levado à qualidade de gás natural exigida no respectivo local. Essas qualidades variam de região para região, especialmente com relação ao poder calorífico e à pressão exigidos (Braune, Naumann, Postel, & Postel, 2015); (agriportance GmbH. (Junho de 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.)

O biometano que agora foi purificado e atende aos requisitos pode agora ser usado pelo consumidor.

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

agriportance GmbH. (Junho de 2022). Workshop_THG_Balancing_V.0.1.12.

Para que exatamente o biometano pode ser usado?

Conforme descrito no início, o biometano pode ser usado para o transporte. Mesmo que o mundo automotivo se torne mais elétrico: O gás natural ou GNV é e continua sendo uma alternativa mais ecológica à gasolina e ao diesel. Entretanto, 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 postos de gasolina pode ser expandida (Figura 4). Assim como o petróleo bruto e o carvão, o gás natural é uma matéria-prima orgânica combustível. Ele consiste em cerca de 85% de metano. Estão disponíveis o gás natural comprimido (GNC) e o gás natural liquefeito (GNL). Este último é liquefeito a 164 graus Celsius negativos e é usado somente em veículos comerciais. O GNC gasoso é mais comumente usado em carros de passeio. O biogás também está sendo cada vez mais usado em postos de gasolina. Ele é armazenado no veículo em tanques com uma pressão operacional de 200 bar. Existem cerca de 820 postos de gasolina na Alemanha onde o GNC está disponível. O biogás é uma variante especialmente favorável ao meio ambiente. Ao aumentar o teor de metano, ele pode atingir o mesmo nível de qualidade do gás natural. Esse biometano é adequado como combustível para veículos a gás natural sem restrições. O biometano já está sendo oferecido como combustível puro ou misturado com gás natural em muitos postos de abastecimento de gás natural na Alemanha (ADAC, Erdgas/CNG - ein Antrieb mit Zukunft?, 2022)