Análise Técnico-Econômica da Captura e Estocagem de Carbono (CCS) de Fontes Industriais do Estado da Paraíba

Descrição

A 29ª Conferência A 29ª Conferência das Partes da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima (COP29), realizada entre 11 e 22 de novembro de 2024, em Baku, Azerbaijão, representou um importante avanço nas negociações internacionais ao reforçar a necessidade de ampliar o financiamento climático, acelerar a implementação do Acordo de Paris e fortalecer os compromissos nacionais de mitigação das emissões de gases de efeito estufa (GEEs). Apesar dos avanços institucionais alcançados nas últimas conferências, incluindo a operacionalização do Fundo de Perdas e Danos e o estabelecimento de novas metas de financiamento climático, os compromissos atualmente assumidos pelos países ainda permanecem insuficientes para limitar o aquecimento global a 1,5 °C. As avaliações mais recentes do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) e do Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (UNEP) indicam que, mantidas as políticas atuais e os compromissos nacionais vigentes, o planeta permanece em trajetória compatível com um aquecimento entre aproximadamente 2,6 e 3,1 °C até o final do século, cenário associado ao aumento da frequência e intensidade de eventos climáticos extremos, comprometendo a segurança hídrica, alimentar, energética e o desenvolvimento socioeconômico global. Nesse contexto, torna-se imprescindível acelerar a transição para uma economia de baixo carbono por meio da expansão das fontes renováveis de energia, da eletrificação dos sistemas produtivos, do aumento da eficiência energética e da redução gradual da dependência de combustíveis fósseis. Entretanto, a crescente demanda mundial por energia, impulsionada pelo crescimento populacional, pela industrialização e pelo desenvolvimento econômico, mantém elevada a utilização de combustíveis fósseis em setores considerados de difícil descarbonização, como geração termelétrica, indústria do cimento, siderurgia, refino de petróleo e indústria química. Mesmo diante da expansão das energias renováveis, esses segmentos continuarão emitindo grandes quantidades de dióxido de carbono nas próximas décadas, tornando indispensável o desenvolvimento de tecnologias capazes de reduzir diretamente essas emissões. Em razão de sua elevada representatividade nas emissões nacionais de CO2; e de sua relevância econômica, este projeto concentra sua aplicação em duas importantes fontes estacionárias de emissão: usinas termelétricas movidas a combustíveis fósseis e uma indústria de produção de cimento localizada no Estado da Paraíba. Esses empreendimentos constituem setores estratégicos para a economia brasileira e representam excelentes estudos de caso para avaliação e desenvolvimento de tecnologias avançadas de captura de carbono. Nesse cenário, a Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) é reconhecida pela Agência Internacional de Energia (IEA), pelo IPCC e pelos principais roteiros internacionais de descarbonização como uma das tecnologias essenciais para o alcance da neutralidade de carbono (Net Zero Emissions) até 2050. Diferentemente das tecnologias voltadas exclusivamente para a substituição da matriz energética, o CCUS permite reduzir diretamente as emissões provenientes de processos industriais nos quais a eletrificação ou a utilização de combustíveis renováveis ainda apresentam limitações técnicas e econômicas. Estima-se que essa tecnologia possa contribuir com aproximadamente 10 a 20% da redução global de emissões necessária para atingir as metas climáticas estabelecidas no Acordo de Paris. As tecnologias de captura de CO2 classificam-se em três rotas principais: captura em pré-combustão, captura em pós-combustão e oxicombustão. Entre essas alternativas, a captura em pós-combustão destaca-se como a tecnologia mais madura para aplicação em instalações industriais existentes, uma vez que possibilita sua integração a plantas já em operação (retrofit), reduzindo investimentos em modificações estruturais. Os principais métodos empregados incluem absorção química e física com solventes, adsorção em materiais sólidos, separação por membranas, separação criogênica e processos híbridos que combinam diferentes mecanismos de captura. Atualmente, a absorção química utilizando soluções de aminas representa a tecnologia comercialmente mais consolidada para captura de CO₂ em gases de combustão, alcançando eficiências superiores a 90% e elevados níveis de maturidade tecnológica (Technology Readiness Level – TRL). Entretanto, sua ampla implementação industrial ainda enfrenta desafios importantes relacionados ao elevado consumo energético durante a regeneração do solvente, à degradação química das aminas, aos problemas de corrosão, às perdas de solvente, ao elevado consumo específico de vapor e ao consequente aumento do custo nivelado da energia gerada (energy penalty). Esses fatores limitam sua competitividade econômica e motivam o desenvolvimento de novas configurações de processo capazes de reduzir significativamente os custos operacionais. Nos últimos anos, diversas estratégias de intensificação de processos têm sido propostas para superar essas limitações, destacando-se o desenvolvimento de solventes avançados de terceira geração, especialmente solventes bifásicos, a utilização de sistemas híbridos envolvendo absorção por membranas (Membrane Gas Absorption – MGA), novas configurações de colunas de absorção e regeneração, integração energética entre equipamentos, trocadores de calor de elevada eficiência e técnicas modernas de otimização, monitoramento e controle avançado de processos. Diante desse contexto, este projeto propõe o desenvolvimento e a avaliação integrada de tecnologias avançadas para intensificação de processos aplicadas à captura de carbono pós-combustão em fontes estacionárias de emissão de CO₂, utilizando como estudos de caso usinas termelétricas movidas a combustíveis fósseis e uma indústria de produção de cimento localizada no Estado da Paraíba. A pesquisa está estruturada em três eixos principais de investigação: a) modelagem, simulação e avaliação do desempenho de plantas de captura de CO₂ utilizando solventes avançados de terceira geração, com ênfase em solventes bifásicos, aplicados aos gases de combustão provenientes das usinas termelétricas e da indústria cimenteira; b) modelagem, simulação e otimização de sistemas híbridos de absorção–dessorção utilizando a tecnologia de absorção por membranas (Membrane Gas Absorption, MGA), visando reduzir o consumo energético, aumentar a eficiência de captura e melhorar o desempenho operacional dos processos; e c) desenvolvimento, implementação e avaliação de estratégias avançadas de controle preditivo baseado em modelo (Model Predictive Control, MPC), aplicadas às principais variáveis operacionais dos sistemas de captura de CO2, com o objetivo de aumentar a estabilidade operacional, reduzir o consumo energético e ampliar a flexibilidade das plantas frente às variações de carga características das usinas termelétricas e dos processos industriais de produção de cimento. A metodologia integra ferramentas avançadas de Engenharia de Sistemas em Processos (PSE), envolvendo modelagem fenomenológica, simulação computacional em regime estacionário e dinâmico, otimização energética, integração térmica, avaliação técnico-econômica e estimativa do custo de captura de CO2. As simulações serão desenvolvidas com base em condições reais de operação de usinas termelétricas e de uma planta industrial de produção de cimento localizada no Estado da Paraíba, permitindo avaliar o desempenho técnico, energético, econômico e ambiental das diferentes tecnologias de captura sob múltiplos cenários operacionais. Espera-se que os resultados desta pesquisa contribuam para o desenvolvimento de soluções tecnológicas capazes de reduzir o consumo específico de energia, diminuir os custos de captura de dióxido de carbono, aumentar a eficiência operacional e ampliar a viabilidade técnica, econômica para a implementação de tecnologias de Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (CCUS) nesses setores industriais estratégicos. Além de contribuir para o avanço científico na área de PSE, o projeto fornecerá subsídios técnicos para a descarbonização da geração termelétrica e da indústria cimenteira brasileira, fortalecendo as estratégias nacionais de mitigação das mudanças climáticas e de transição para uma economia de baixo carbono.