Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Análise técnico-económica e ambiental de alternativas de uso de hidrogênio verde para o acréscimo da produção de metano em sistemas de biodigestão
Autor(es): CANALES, Katia Yesica Tineo
Primeiro Orientador: LORA, Electo Eduardo Silva
metadata.dc.contributor.advisor-co1: PIÑAS, Jean Agustin Velasquez
Resumo: Na busca por soluções energéticas sustentáveis, a transição para uma economia de baixo carbono tornou-se um objetivo central para países em todo o mundo. Este trabalho apresenta uma análise técnico-econômica e ambiental abrangente do uso de hidrogênio verde para melhorar a produção de metano em sistemas de biodigestão. Este estudo está situado no contexto mais amplo da adoção de energia renovável e do impulso para a descarbonização, com foco particular na matriz energética do Brasil, que já incorpora uma parcela significativa de fontes renováveis. A justificativa por trás desta pesquisa está ancorada no papel crítico que o biogás, especialmente o metano, desempenha no cenário de energia renovável. A produção de biogás a partir de resíduos agrícolas não apenas oferece um caminho para a valorização de resíduos, mas também contribui para a segurança energética e sustentabilidade ambiental. No entanto, o rendimento de metano dos processos convencionais de biodigestão muitas vezes não alcança o potencial esperado. A introdução de hidrogênio verde nos sistemas de biodigestão surge como uma estratégia inovadora para superar essa limitação, prometendo ampliar a produção de metano e enriquecer o valor energético do biogás. O principal objetivo desta dissertação foi explorar a viabilidade e sustentabilidade da integração de hidrogênio verde nos processos de biodigestão para o enriquecimento de metano. Este objetivo foi perseguido através da avaliação de oito caminhos alternativos incorporando a tecnologia Power to Gas (P2G), focando em seu desempenho técnico, viabilidade econômica e impactos ambientais. O estudo visou especificamente a otimização da produção de biogás a partir de resíduos de suínos e capim elefante, considerando sua abundância e potencial energético. 5 Adotando uma estrutura metodológica que combina análise teórica com ferramentas de simulação, a pesquisa utilizou a avaliação de ciclo de vida (ACV) e o software SimaPro® para avaliar sistematicamente a pegada ambiental de cada alternativa proposta. A análise econômica foi baseada na estimativa de custos de produção, receitas potenciais e viabilidade econômica geral. A avaliação técnica focou na eficiência da integração de hidrogênio no processo de biodigestão e seu impacto no rendimento de metano. Os resultados desta pesquisa revelaram perspectivas promissoras para a melhoria da produção de metano através do uso sinérgico de hidrogênio verde. As alternativas exploradas demonstraram graus variados de eficácia em aumentar o conteúdo de metano, com caminhos específicos mostrando potencial significativo para a atualização sustentável do biogás, nos cenários que se usaram codigestão se obtive maiores resultados de energia já que o uso de grass silagem aumenta o rendimento de biogás com 121.54 m³/ton. embora na parte econômica os resultados não são bons por conta do transporte e o a quantidade de hidrogênio usado. A análise econômica sublinhou a importância de políticas de apoio e avanços tecnológicos na melhoria da relação custo-benefício dessas soluções. Conclusivamente, esta dissertação postula que a integração de hidrogênio verde em sistemas de biodigestão representa uma abordagem viável e inovadora para aumentar a produção de metano. Esta estratégia não apenas está alinhada com os objetivos de sustentabilidade ambiental, mas também tem o potencial de reforçar a contribuição do setor de energia renovável para a matriz energética. As implicações do estudo vão além dos âmbitos técnico e econômico, destacando o papel dos quadros políticos, mecanismos de mercado e pesquisa e desenvolvimento na facilitação da adoção de tecnologias de hidrogênio verde. Olhando para o futuro, a pesquisa identifica várias vias para investigações futuras, incluindo a explora
Abstract: In the pursuit of sustainable energy solutions, the transition to a low-carbon economy has become a central objective for countries worldwide. This work presents a comprehensive technical, economic, and environmental analysis of the use of green hydrogen to enhance methane production in biodigestion systems. Situated within the broader context of renewable energy adoption and the drive for decarbonization, with a particular focus on Brazil's energy matrix, which already incorporates a significant share of renewable sources. The rationale behind this research is anchored in the critical role that biogas, especially methane, plays in the renewable energy landscape. Biogas production from agricultural waste not only provides a pathway for waste valorization but also contributes to energy security and environmental sustainability. However, the methane yield from conventional biodigestion processes often fails to reach the expected potential. The introduction of green hydrogen into biodigestion systems emerges as an innovative strategy to overcome this limitation, promising to enhance methane production and enrich the energy value of biogas. The primary objective of this dissertation was to explore the feasibility and sustainability of integrating green hydrogen into biodigestion processes for methane enrichment. This objective was pursued through the evaluation of eight alternative pathways incorporating Power to Gas (P2G) technology, focusing on their technical performance, economic viability, and environmental impacts. The study specifically aimed to optimize biogas production from swine residues and elephant grass, considering their abundance and energy potential. Adopting a methodological framework that combines theoretical analysis with simulation tools, the research utilized Life Cycle Assessment (LCA) and SimaPro® software to systematically assess the environmental footprint of each proposed alternative. Economic analysis was based on production cost estimates, potential revenues, and overall economic viability. Technical evaluation focused on the efficiency of hydrogen integration into the biodigestion process and its impact on methane yield. 7 The results of this research revealed promising prospects for improving methane production through the synergistic use of green hydrogen. The explored alternatives demonstrated varying degrees of effectiveness in increasing methane content, with specific pathways showing significant potential for the sustainable upgrading of biogas. In scenarios where co-digestion was employed, higher energy results were obtained due to the use of grass silage, increasing biogas yield to 121.54 m³/ton. However, the economic analysis yielded less favorable results due to transportation costs and the quantity of hydrogen used. Economic analysis underscored the importance of supportive policies and technological advancements in improving the cost-effectiveness of these solutions. In conclusion, this dissertation posits that the integration of green hydrogen into biodigestion systems represents a viable and innovative approach to increasing methane production. This strategy not only aligns with environmental sustainability goals but also has the potential to strengthen the contribution of the renewable energy sector to the energy matrix. The implications of the study extend beyond technical and economic realms, highlighting the role of policy frameworks, market mechanisms, and research and development in facilitating the adoption of green hydrogen technologies. Looking to the future, the research identifies several avenues for future investigations, including exploring further.
Palavras-chave: Hidrogênio verde
Power to Gas
Biodigestão
Metano e ACV
Análise técnica
Análise econômica
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA:ENGENHARIA DE ENERGIA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia de Energia
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4025
Data do documento: 14-Dez-2023
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