Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Avaliação técnico econômica e ambiental da planta de produção de hidrogênio usando fontes renováveis (H2V): diagnóstico, otimização, avaliação dos impactos ambientais
Autor(es): REZENDE, Túlio Tito Godinho de
Primeiro Orientador: VENTURINI, Osvaldo José
metadata.dc.contributor.advisor-co1: PALACIO, José Carlos Escobar
Resumo: O aumento populacional e a industrialização apresentam o desafio de fornecer mais energia com menos emissões de gases de efeito estufa. Nesse contexto, o hidrogênio se destaca como um dos mais promissores vetores energéticos, além de ser essencial na produção de amônia, metanol, aço, produtos da indústria de vidro, entre outros. Este estudo tem como objetivo analisar o potencial técnico, econômico e ambiental da produção de hidrogênio a partir de fontes de energia renováveis no estado de Minas Gerais. O primeiro processo analisado foi a gaseificação de resíduos de biomassa. Para isso, foram consideradas as 66 microrregiões de Minas Gerais na análise de nove diferentes resíduos selecionados, sob distintas condições de agentes gaseificantes e com possibilidade de aprimoramento dos gases. Para tal, foi desenvolvido um modelo de equilíbrio químico baseado na minimização da energia livre de Gibbs, validado para condições de gaseificação com ar, oxigênio puro e mistura de ar e vapor. Além disso, uma simulação de Monte Carlo sobre a análise econômica e uma análise de ciclo de vida foram empregadas para o processo de gaseificação. O segundo processo avaliado foi a eletrólise do tipo PEM (membrana de troca de prótons) a partir de fontes renováveis. A eletrólise foi modelada e, após a validação do modelo, foram realizadas análises de sensibilidade para determinar os pontos operação que maximizam a produção de H₂. Com os pontos de máxima produção determinados para os processos de eletrólise e gaseificação, realizou-se uma análise econômica, utilizando o custo nivelado de produção do hidrogênio (LCOH) como métrica. Os principais resultados indicaram que, na gaseificação, o maior potencial teórico de produção em Minas Gerais foi obtido para os resíduos de cana-de-açúcar, representando 82% do total. Apenas nove microrregiões do estado concentraram cerca de 80% desse potencial. O potencial econômico foi avaliado em três cenários de recolhimento e uso dos resíduos, destacando-se Frutal e Uberaba como as microrregiões com melhores perspectivas econômicas, alcançando valores inferiores a 3 US$/kg de hidrogênio sob condições otimistas de uso dos resíduos em todos os cenários de agente gaseificante. Na simulação de Monte Carlo, os parâmetros de entrada que mais influenciaram o LCOH na gaseificação foram: taxa mínima de atratividade, fator de recuperação de resíduos, CAPEX (despesas de capital), CEPCI (índice de custo de planta de engenharia química) e impostos locais. A análise de ciclo de vida evidenciou que o uso dos gases de purga do PSA (adsorção por oscilação de pressão) na gaseificação é ambientalmente necessário e que as emissões do processo ficaram abaixo de 2,44 kgCO₂eq/kgH que é considerado baixo segundo a Lei 14.948, de 2024, do código brasileiro. Para a eletrólise, verificou-se que a exigência de pureza do hidrogênio implica um aumento considerável do custo nivelado. Além disso, a adição de módulos de eletrólise gerou um efeito de economia de escala mais significativo para baixas capacidades. Constatou-se, ainda, que a geração de potência própria não consegue competir com as tarifas de leilão da mesma fonte, para ambos solar e eólica, pois estas se beneficiam de economias de escala, resultando em custos mais baixos.
Abstract: Population growth and industrialization present the challenge of providing more energy with fewer greenhouse gas emissions. In this context, hydrogen stands out as one of the most promising energy carriers, in addition to being essential for the production of ammonia, methanol, steel, glass industry products, among others. This study aims to analyze the technical, economic, and environmental potential of hydrogen production from renewable energy sources in the state of Minas Gerais. The first process analyzed was biomass residue gasification. For this, the 66 microregions of Minas Gerais were considered in the analysis of nine selected types of residues, under different gasifying agent conditions and with the possibility of gas upgrading. A chemical equilibrium model based on Gibbs free energy minimization was developed for this purpose, validated under gasification conditions with air, pure oxygen, and air-steam mixtures. Additionally, a Monte Carlo simulation was applied for the economic analysis, along with a life cycle assessment (LCA) of the gasification process. The second process evaluated was proton exchange membrane (PEM) electrolysis powered by renewable sources. The electrolysis process was modeled and, after model validation, sensitivity analyses were carried out to determine the operating points that maximize hydrogen production. With the maximum production points defined for both the electrolysis and gasification processes, an economic analysis was performed using the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) as a metric. The main results indicated that, in the case of gasification, the highest theoretical hydrogen production potential in Minas Gerais was obtained from sugarcane residues, representing 82% of the total. Only nine microregions concentrated about 80% of this potential. The economic potential was evaluated under three residue collection and usage scenarios, with Frutal and Uberaba standing out as the regions with the best economic prospects, reaching LCOH values below US$3/kg of hydrogen under optimistic waste utilization conditions across all gasifying agent scenarios. In the Monte Carlo simulation, the input parameters that most influenced the LCOH in gasification were: minimum attractive rate of return (MARR), residue recovery factor, capital expenditures (CAPEX), Chemical Engineering Plant Cost Index (CEPCI), and local taxes. The life cycle assessment indicated that using the purge gas from the PSA (Pressure Swing Adsorption) process in gasification is environmentally necessary, and that the process emissions were below 2.44 kgCO₂eq/kgH₂, which is considered low according to Law 14,948 of 2024, from the Brazilian code. For electrolysis, it was found that hydrogen purity requirements considerably increase the levelized cost. Furthermore, the addition of electrolysis modules showed a more significant economy of scale effect at lower production capacities. It was also found that self-generation of electricity cannot compete with auction-based tariffs from the same renewable sources (solar and wind), as these benefit from economies of scale, resulting in lower costs.
Palavras-chave: Hidrogênio
Gaseificação de biomassa
Eletrólise tipo PEM
Minas Gerais
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
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: Doutorado - Engenharia Mecânica
Citação: REZENDE, Túlio Tito Godinho de. Avaliação técnico econômica e ambiental da planta de produção de hidrogênio usando fontes renováveis (H2V): diagnóstico, otimização, avaliação dos impactos ambientais. 2025. 179 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4402
Data do documento: 23-Abr-2025
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