Modelagem e simulação computacional da produção de gás de síntese a partir da reforma a vapor do metano oriundo de biodigestores usando energia solar como fonte térmica na região agreste do Nordeste brasileiro

Resumo

Desde o início da humanidade, esteve presente em sua história a utilização de recursos naturais com o intuito de gerar energia. Em razão do salto tecnológico fomentado pela sociedade desde a Revolução Industrial, a demanda por combustíveis vem sendo cada vez maior, causando desse modo, a busca pelo desenvolvimento e descobrimento de novas fontes de energia. Atualmente, o uso de recursos renováveis na produção de combustíveis têm sido amplamente investigado, uma vez que se apresenta como uma alternativa interessante ao uso de fontes fósseis (NASCIMENTO; ALVES, 2016), as quais vêm gerando diversos prejuízos ambientais, principalmente o aquecimento global pela produção de gases do efeito estufa (GEE). Nesse sentido, o desenvolvimento e adoção de tecnologias que usam energias renováveis com o intuito de substituir gradativamente o uso de fontes não renováveis, ou na produção de combustíveis mais limpos, é um objetivo a ser alcançado. Considerando esses aspectos, surgem os combustíveis sintéticos, que podem ser produzidos a partir de fontes renováveis e que apresentam-se como substitutos interessantes para os combustíveis de origem fóssil, uma vez que possuem uma menor concentração de enxofre e nitrogenados, o que lhes garante um caráter menos poluente (NANDA, 2021). A principal tecnologia responsável pela produção dos combustíveis fósseis é a síntese de Fischer-Tropsch, uma reação química de polimerização de cadeias de carbono que permite a produção de combustíveis sintéticos - como o caso do metano -, tendo o gás de síntese (do inglês syngas) como matéria-prima. Os métodos de produção de gás de síntese variam, entretanto, a reforma a vapor do metano (RVM) ganha notório destaque, pois não apresenta grande complexidade e nem a desativação catalítica acentuada, como o caso da reforma seca do metano (CH4) (YIN;GUILHAUME;SCHUURMAN, 2020). Assim, sabemos que a RVM é uma reação endotérmica - absorve energia na forma de calor -, precisando de um suprimento constante de energia, bem como uma fonte abundante de CH4. Nesse sentido, se tratando de fonte térmica para a RVM, a energia solar pode ser uma alternativa interessante na região agreste do Nordeste brasileiro, uma vez que nela há a abundância de radiação solar (MENEZES NETO; COSTA; RAMALHO, 2009). Portanto, a presente pesquisa preocupou-se em investigar, por modelagem e simulação computacional, a produção de gás de síntese a partir da reforma a vapor do metano (CH4) oriundo de um biodigestor, usando energia solar como fonte térmica para a região agreste do Nordeste brasileiro. Objetivou-se também efetuar a simulação computacional do projeto a fim de investigar as melhores condições computacionais e a viabilidade técnica do processo, em relação a variação da vazão e temperatura (definida pela irradiação solar no agreste do Nordeste brasileiro). Utilizou-se o modelo de biodigestão com base no “potencial bioquímico de metano usando a composição da fração orgânica”, de acordo com o trabalho de Nielfa, Cano e Fdz-Polanco (2015), por se tratar de um modelo que prevê com bastante precisão a produção de metano. Em relação ao aquecimento, optou-se por um concentrador solar do tipo torre central de potência, capaz de fornecer as temperaturas necessárias para a RVM, contando com as características da irradiação solar da região agreste do Nordeste brasileiro a partir do trabalho de Pedrosa Filho e Mariano (2018). O conjunto das equações da modelagem foi implementado no software de código aberto PythonTM 3.8, sendo aplicada na sua resolução o pacote FiPy. Foi possível observar, através dos perfis de frações molar, a evolução dos componentes durante a RVM. A fração de metano foi decrescente no sentido do aumento do comprimento do reator, indicando seu consumo, principalmente em regiões próximas da saída do mesmo. Já no caso do monóxido de carbono, sua maior produção é bem distribuída ao longo do reator, efeito da combinação entre os efeitos de dispersão e a convecção, sendo mais pronunciada próximo da saída. Nessas condições não foi observada uma formação significativa de dióxido de carbono, seja pela sua inibição, seja pelo consumo para formação dos outros componentes. Os resultados também indicaram o aumento da produção de gás de síntese no sentido do aumento da temperatura e ao longo do comprimento do reator, ficando o metano, nessas condições, quase totalmente consumido, o que indica que há viabilidade técnica na produção de gás de síntese com metano oriundo de biodigestores, usando energia solar para o aquecimento, nas maiores vazões e temperaturas de operação. A proposta inicial do presente trabalho, além da avaliação técnica que foi apresentada, também estabelecia uma análise econômica do processo, uma vez que esse é um fator importante para implantação no agreste do Nordeste do Brasil. Contudo, em razão dos efeitos ainda sentidos da pandemia, em relação às restrições de acesso, não foi possível a obtenção de dados confiáveis que permitiriam tal análise, optando-se por postergar essa etapa para um trabalho futuro, uma vez que a flexibilização de restrições sanitárias está avançando, permitindo que essas informações possam ser coletadas.