Avaliação baseada em cenários das tecnologias de utilização do gás natural com foco na sustentabilidade.

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Shamaki, Patience Bello
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Gás natural; Hidrogênio; Hydrogen; Integração de processos; Methane pyrolysis; Natural gas; Pirólise do metano; Process integration; Sustainability; Sustentabilidade
• Link de acesso: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-08042026-105325/

O gás natural tem sido amplamente considerado como um combustível de transição para o futuro energético sustentável de baixo carbono, dado que as suas emissões de carbono são comparativamente mais baixas do que as de outras fontes fósseis. Potencialmente, ele pode ser integrado com fontes de energia renovável devido à sua flexibilidade. Enquanto grandes volumes de gás natural produzido podem ser efetivamente utilizados de maneira sustentável com tecnologias de captura de carbono, pequenos e médios volumes de gás associado são frequentemente dispersados quando em locais remotos de produção de petróleo e não são utilizados ou desperdiçados através da queima em flares, resultando em emissões significativas de gases de efeito estufa, perda de energia e desperdício econômico. O uso eficaz de todo o gás natural produzido é essencial para o avanço da transição energética sustentável e para garantir a segurança energética, particularmente em áreas com abundantes recursos e acesso limitado à energia. Esta pesquisa propõe um caminho viável para a utilização de gás em pequena e média escala, transformando recursos que, de outra forma, seriam desperdiçados. Ela estende a aplicação do gás natural para além das tecnologias convencionais, frequentemente criticadas pelo impacto ambiental, para sistemas descentralizados que convertem recursos isolados em hidrogênio limpo e seus derivados. Utilizando técnicas de engenharia de sistemas de processos, este estudo desenvolve um arcabouço metodológico para a utilização limpa e sustentável do gás natural, com foco na produção de hidrogênio de baixas a zero emissões, através da pirólise do metano. A pesquisa enfatiza a integração de energia renovável com a pirólise do metano para hidrogênio limpo e produtos derivados do hidrogênio. Um modelo de otimização inteira mista identificou a pirólise do metano como um caminho mais sustentável para a produção de hidrogênio limpo do que as rotas convencionais. O software Aspen Plus V10® é utilizado para a simulação de processos de pirólise do metano a hidrogênio e e de produção de produtos químicos a partir de hidrogênio. Diferentes tecnologias de reatores e cenários de integração de calor foram avaliados quanto à viabilidade. Além disso, diferentes configurações para o fornecimento de energia para alcançar baixas a zero emissões, através da integração de energia renovável, foram propostas. As métricas de desempenho energético, ambiental e técnico-econômico da ferramenta GREENSCOPE foram adotadas para avaliar a viabilidade do processo e o impacto ambiental. Análises de sensibilidade variando parâmetros econômicos com respeito ao custo nivelado do produto (LCOX) e à taxa interna de retorno de fluxo de caixa descontado (DCFROR) foram realizadas. E, finalmente, uma ferramenta de tomada de decisão foi desenvolvida para facilitar a avaliação econômica e ambiental da viabilidade de um perfil de gás definido para queima em flare. O estudo mostrou que tecnologias avançadas de reatores de pirólise, particularmente o design de reator regenerativo com trocador de calor (RHER), podem alcançar uma redução no consumo externo de energia e melhoria na eficiência energética do processo. Além disso, a flexibilidade tecnológica do fornecimento de energia permite o uso de eletricidade renovável para alcançar emissões zero. O uso de sistemas de armazenamento de energia fotovoltáico-bateria para fornecimento de energia promove ainda mais a sustentabilidade e facilita a implantação de sistemas distribuídos descentralizados. Os estudos de caso no Brasil, Nigéria, Arábia Saudita e Estados Unidos demonstram a adaptabilidade da ferramenta em diferentes contextos regionais. Os estudos ambientais indicam diminuições substanciais nas emissões de CO2, especialmente quando o gás natural queimado em flare é utilizado em áreas com considerável potencial de energia solar. A abordagem deste estudo atinge dois principais objetivos: minimizar as emissões e o desperdício de recursos de volumes de gás em flare, e promover o gás natural como um combustível estratégico para auxiliar na transição energética sustentável.