Avaliação de ciclo de vida da produção e utilização de hidrogénio com base em biomassa lenho celulósica para Portugal

Abstract

Esta dissertação resulta do trabalho realizado durante o segundo semestre do ano lectivo 2007/2008, no âmbito da Dissertação Final do Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente, no ramo da Tecnologia e Gestão do Ambiente. O crescente aumento do preço do barril do petróleo e os importantes impactes ambientais associados ao uso e produção dos combustíveis fósseis tem contribuído para o potencial uso do hidrogénio como substituto dos combustíveis fósseis. Contudo, a maior parte do hidrogénio é produzido com base no “steam reforming” do gás natural e outras fontes de energia fósseis, sendo apenas 3% com base em fontes renováveis. Por conseguinte, deve surgir uma mudança para que seja cada vez mais produzido hidrogénio com base em fontes renováveis. Para isso são necessários estudos para avaliar o potencial de sistemas de bio-hidrogénio (bio-H2), abordando aspectos tecnológicos, energéticos e ambientais, encontrando oportunidades de melhoria. Esta dissertação tem como principal objectivo a realização de um estudo de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) da produção de bio-hidrogénio (bio-H2) com base em biomassa lenho-celulósica e, com base no modelo de ciclo de vida desenvolvido, sugerir melhorias de optimização, em termos energéticos e ambientais, na cadeia de produção do mesmo. A densidade energética dos combustíveis é um factor importante em termos logísticos e de autonomia e, deste modo, o segundo objectivo deste estudo compara, ambiental e energeticamente, os processos de liquefacção e compressão do hidrogénio e o seu impacto no ciclo de vida do biocombustível. O último objectivo pretende comparar o ciclo de vida (CV) do bio-H2, comprimido e liquefeito, com o diesel, mediante a quantificação dos benefícios energéticos e ambientais. Nesta dissertação realizou-se uma breve abordagem às diferentes tecnologias de produção de hidrogénio com base em fontes renováveis e não renováveis. As alternativas mais decorrentes de produção de hidrogénio são a conversão termoquímica (“reforming”, gaseificação e pirólise), conversão electroquímica (electrólise) e conversão bioquímica (fotobiológico, digestão anaeróbia e fermentação). Neste estudo, o sistema de produção de hidrogénio teve como base a conversão termoquímica da biomassa através do processo de gaseificação. O estudo de Avaliação de Ciclo de Vida foi realizado no intuito de investigar as necessidades energéticas e os impactes ambientais inerentes à produção e utilização de bio-H2 com base em biomassa lenho-celulósica, para a região centro de Portugal. Foi desenvolvido e implementado um modelo de ciclo de vida (“well to wheels”), o qual apresenta as seguintes etapas principais: i) produção e transporte da biomassa; ii) produção do gás de síntese; iii) produção, transporte e armazenamento do bio-H2; e iv) utilização do bio-H2 em veículos ligeiros. O modelo considera duas alternativas tecnológicas para a produção e utilização de bio-H2 (fases iii e iv do ciclo de vida), nomeadamente: compressão do bio-H2 (35 MPa) e a sua utilização em veículos “fuel cell”; e liquefacção do bio-H2 (-253ºC) e a sua utilização em motores de combustão interna. Foi descrito detalhadamente o sistema de produção de bio-H2 para as duas alternativas e elaborado o respectivo inventário de ciclo de vida. Os dados recolhidos para a produção e transporte da biomassa são referentes a Portugal e os dados para os restantes processos foram recolhidos na literatura técnico-científica.

A análise dos resultados está divida em duas partes: “well to tank”; e “well to wheels”, sendo apresentada a energia primária fóssil requerida e os impactes ambientais do ciclo de vida do bio-H2, por MJ de energia final do Bio-H2, (“well to tank”) e por km percorrido (“well to wheels”). Realizou-se uma análise detalhada das fases de ciclo de vida e da comparação das duas alternativas consideradas (compressão e liquefacção). Adicionalmente, os resultados numa perspectiva “well to wheels” para os dois veículos propulsionados a bio-H2 são comparados, energética e ambientalmente, com um veículo propulsionado a diesel.

Os resultados obtidos, do ponto de vista “well to tank”, permitiram verificar que a produção e transporte do bio-H2 comprimido necessita de 1,05 MJ de energia primária fóssil por cada MJ de bio-H2 produzido, enquanto o bio-H2 liquefeito necessita de 1,18 MJ (mais 12%). A principal razão para esta diferença reside no processo de densificação energética, pois o processo de liquefacção requer mais 39% de energia primária fóssil do que o processo de compressão. Os resultados da avaliação dos impactes ambientais foram obtidos com base no método CML-2000 “mid-point”. A emissão de gases com efeito de estufa (GEE), numa perspectiva “well to tank” varia entre os 96 gCO2-eq (bio-H2 comprimido) e 106 gCO2-eq (bio-H2 liquefeito) por cada MJ de bio-H2 produzido. O processo que requer mais energia primária fóssil (32% da energia total requerida) e que tem maiores impactes ambientais é o “reforming”. A razão do significativo contributo no ciclo de vida, deve-se ao elevado consumo de electricidade, a qual representa 95% da energia total requerida e contribui com 81% das emissões totais de GEE.

Em termos do consumo de energia primária fóssil no ciclo de vida (“well to wheels”) os resultados permitiram verificar que um veículo “fuel cell” propulsionado a bio-H2 comprimido é mais eficiente do que um veículo com motor de combustão interna propulsionado a bio-H2 liquefeito, uma vez que, este necessita de mais 55% de energia primária fóssil por km percorrido. Os resultados obtidos na avaliação ambiental apresentaram valores mais elevados para o ciclo de vida do bio-H2 liquefeito em todas as categorias de impacte ambiental.

Este estudo permitiu concluir que o bio-H2 comprimido, em termos energéticos e ambientais, é mais eficiente que o liquefeito, numa perspectiva “well to tank”. Relativamente ao ciclo de vida (“well to wheels”) a alternativa mais eficiente energética e ambientalmente é a utilização de bio-H2 comprimido num veículo “fuel cell”, contudo, a utilização em motores de combustão interna é vista, pela indústria automóvel, como uma solução promissora, pois permite uma maior flexibilidade em conjugar este combustível com outros combustíveis (e.g. gasolina) para o mesmo veículo.

Através da comparação realizada entre os veículos que utilizam bio-H2 com os veículos que utilizam diesel concluiu-se que o bio-H2 comprimido requer menores quantidades de energia primária fóssil, por cada km percorrido. Em termos de GEE, um veículo “fuel cell” propulsionado a bio-H2 comprimido pode evitar emissões na ordem dos 54% (155 gCO2-eq) e dos 34% (67 gCO2-eq) em comparação com veículos com motores de combustão interna propulsionados a bio-H2 liquefeito e a diesel, respectivamente.

A análise a uma possível implementação de uma central de produção de bio-H2 com base em biomassa lenho-celulósica para Portugal não é uma perspectiva promissora. Constatou-se, através dos resultados preliminares obtidos, que a quantidade de biomassa e de área de cultivo necessárias à produção de bio-H2, em elevada escala, apresenta limitações significativas face à realidade portuguesa.