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Revista Química e Derivados

Gás natural

Publicado em 01 abril 2017

Por Hamilton Almeida

Cientistas que pesquisam a via bioquímica para produção de PHB a partir do metano descobriram um novo tipo de polímero. Em outras frentes, estão desenvolvendo catalisadores mais eficientes para produzir hidrocarbonetos a partir do syngas e metano!, gerados com gás natural. Também se investiga um dispositivo supersônico para separação de CH/C02 e a contribuição do biometano para aumentar a oferta de gás combustível.

Estas são algumas das pesquisas de ponta do RCGI - Research Centre for Gas Innovation (Centro de Pesquisa para Inovação em Gás). Único estabelecimento do gênero no país, começou a funcionar em janeiro de 2016 com o intuito de desenvolver estudos avançados no uso sustentável do gás natural, biogás, hidrogênio e redução das emissões de C02 , além de capturar e estocar esse gás. O diretor científico, professor doutor Júlio Meneghini, declara que a ideia da criação do centro nasceu há três anos, com uma chamada da Fapesp (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo), da antiga British Gas, subsidiária da Shell Brasil, e do Cepid (Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão). "Já existia um orçamento de US$ 20 milhões divididos entre a Fapesp e a Shell Brasil", observa.

A previsão é aplicar R$ 100 milhões até 2020: R$ 27 milhões da Fapesp, R$ 30 milhões da Shell e R$ 43 milhões em contrapartidas da Universidade de São Paulo (USP). Sediado nas instalações da Escola Politécnica da USP, o RCGI foi organizado para abrigar um conjunto de projetos em três grandes programas: Engenharia, Físico-Química e Políticas de energia e economia. Meneghini relata que, desde o início, definiu-se um organograma com colaboração internacional de outras universidades, em particular com o Imperial College London. Também "há uma interação muito grande" com o Sustainable Gas lnstitute, de Londres, patrocinado pela Shell, que é dois anos anterior ao centro brasileiro. No próximo mês de setembro, haverá um workshop entre as duas instituições. Há ainda, conforme Meneghini, participação das Universidades Técnica de Darmstadt (Alemanha), Cambridge e Leeds (Reino Unido) "e estamos procurando estabelecer intercâmbio com as universidades de Tóquio e Yokohama (Japão), Oxford (Inglaterra), Stanford e California lnstitute of Technology - Caltech (Estados Unidos)" .

O resultado de todo esse esforço se traduz em 29 projetos em andamento. "O RCGI tem patrocínio por cinco anos, que pode ser prorrogado por mais seis anos. E os projetos têm entre 48 e 60 meses de prazo de conclusão, em média", detalha o diretor científico. Os trabalhos estão a cargo de !50 pesquisadores, incluindo pós-doutorandos, doutorandos, mestrandos, alunos de iniciação científica e professores. Há professores da Escola Politécnica, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), do Instituto de Energia e Ambiente (IEE), do Instituto de Química da USP de São Carlos, da Universidade Federal de São Carlos, da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) e da Escola Paulista de Medicina. Meneghini salienta que, ao término da primeira fase do RCGI, em dezembro de 2020, os resultados das pesquisas atuais estarão disponíveis para aplicações práticas. Na área de Engenharia, há li projetos. Entre eles, três visam melhorar a combustão, incluindo a criação de um laboratório avançado; desenvolvimento de navios movidos a gás natural e de um veículo ftex penta-fuel, que irá funcionar com gasolina pura, gasolina+etanol, etano!, gás natural veicular (GNV) e eletricidade, destaca Meneghini. O programa de Físico-Química contempla dez projetos. O vice-coordenador, Cláudio Oller, descreve que, além dos projetos de rotas química e bioquímica para uso do C02 e do CH4 como matérias-primas para formar outros produtos, desenvolvem-se catalisadores para obter produtos com cadeia carbônica mais longa. Outra linha de pesquisa está relacionada à produção de biogás a partir de biomassa proveniente da produção de etano!. Vinculados às Políticas de energia e economia estão oito projetos, como inventário brasileiro de gases de efeito estufa e cenários para a redução das emissões relacionadas ao gás natural; e as perspectivas de contribuição do biometano para aumentar a oferta de gás natural.

Novo POLÍMERO - A bióloga Elen Aquino Perpétuo, professora da área de biotecnologia do departamento de Ciências do Mar, da Unifesp, campus da Baixada Santista, é coordenadora dos projetos de "Produção microbiana de PHB a partir de metano" e "Conversão de biogás em bioprodutos". Recentemente, os pesquisadores descobriram uma bactéria, a Methylobacteriurn rhodesianurn, que transforma o metano em um polímero diferente do PHB. Elen conta que a ideia era usar bactérias isoladas de Santos e do reservatório da usina hidrelétrica de Balbina, no Amazonas, onde há muita produção de metano. "Ao fazer uma bioprospecção, as amostras de Santos deram um resultado mais imediato . Coletamos amostras em três diferentes pontos do Sistema Estuarino de Santos - no emissário submarino, no Canal I e no Canal 2 - , para ver se encontrávamos, na natureza, as bactérias capazes da transformação" . Os sedimentos foram todos - prossegue Elen - coletados por meio de uma pá, recolhidos e colocados dentro de tubos de plástico estéreis para análise posterior. Toda amostragem, manuseio e armazenamento de sedimentos foi realizada de acordo com as diretrizes da EPA- Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos.

"E, então, nos deparamos com a Methylobacteriurn extorquens, que é realmente produtora de PHB, e também com a Methylobacteriurn rhodesianurn. Sabíamos que era possível encontrar bactérias que produzem PHB, mas achamos essa bactéria que produz um polímero que não coincide com nenhum padrão analítico comercial. É um polímero ainda desconhecido", explica. Como tudo é muito recente, a professora ressalta ter ainda caracterizado esse polímero. "Ainda é muito cedo, não sabemos quem ele é, mas sabemos que o seu acúmulo, pela bactéria em questão, é algo que nunca foi relatado na literatura, portanto, inédito", acrescenta.

A novidade vai além da produção de um polímero diferente por uma bactéria diferente. "Descobrimos que, mesmo para gerar PHB, as bactérias isoladas dos sistemas naturais são mais produtivas que as cepas compradas", informa Elen. " Isso pode fazer a diferença, pois sabemos que, para que a rota biológica seja viável economicamente, a bactéria tem de ser capaz de acumular 60% de seu peso seco em polímero" . Em etapa anterior da investi gação, quando se tentava comprovar e comparar a eficácia de algumas bactérias metanotróficas na transformação do metano e do metano! em PHB, foram feitos testes com cepas compradas dos gêneros Methy lobacter sp. e Methylocystis sp. Aquela porcentagem citada é alcançada levando-se em conta a produção de PHB a partir do açúcar.

"A produção de biopolímeros, hoje, é feita a partir do açúcar, que é um substrato 30% mais caro do que o metano!. Metano e metano! são substratos mais baratos. Por isso, tenho certeza que essa porcentagem mínima vai cair bastante", agrega. Segundo Elen, sem que a equipe tenha otimizado a produção do PHB (manipulando variáveis como temperatura, pH e agitação) a Methylobacteriurn extorquens retirada do ambiente marinho já acumula 30% de seu peso seco em polímero. "Não fizemos as contas ainda, mas, levando-se em consideração a diferença de preço entre o metano! e o açúcar, acho até que já há viabilidade econômica". Elen antecipa os próximos passos das pesquisas: "Vamos repetir o ensaio com a Methylobacterium rhodesianum, até porque não sabemos se essa novidade é economicamente viável. O que sabemos é que, do ponto de vista acadêmico, a descoberta dessa bactéria produtora de outro polímero é importante e vai gerar publicações de impacto científico". Ela arrisca um palpite: "se a gente conseguir que ela tenha uma produção equivalente a uma bactéria que consome açúcar, será um enorme ganho, e já conseguimos a metade." A equipe do denominado Projeto 18 também é composta pelo prof. dr. Cláudio Oller do Nascimento e pela dra. Maria Anita Mendes, do departamento de engenharia química da USP, pelo dr. Bruno Karolski, pesquisador do Cepema-USP, e pe la doutoranda Letícia Bispo Oliveira Cardoso. Elen lembra que o primeiro objetivo, quando idealizou o projeto, era melhorar a produção de PHB. "Resumindo, temos interesse em ambas as coisas: em viabilizar comercialmente a produção de PHB pela via biológica e em publicar nossas descobertas sobre esse outro polímero". As ações preferenciais, daqui para a frente, serão definidas em reuniões com a Shell.

SEPARAÇÃO DE CO2- Para a separação do co2 contido no gás natural, o grupo liderado pelo prof. José Carlos Mierzwa, da Escola Politécnica da USP, estuda dois dispositivos: uma membrana cerâmica e um separador supersônico, no qual o gás é injetado em alta pressão e desenvolve ve locidade próxima à do som antes da retirada do co2. "No caso das membranas, estamos falando em uma filtragem em escala molecular (peneira molecular). As membranas deixam passar o co2, mas não os outros componentes presentes no gás natural. Para produzir um módulo de separação, diversas membranas são arranjadas na forma de um feixe o qual é inserido no centro de um tubo de aço que tem, em cima, uma saída para o C02.

O gás, 'limpo', sai na outra ponta", explica Mierzwa. Ele diz que essa tecnologia já vem sendo testada por algumas grandes empresas do setor do óleo e do gás, incluindo a Shell, mas a maioria trabalha com membranas poliméricas. "Optamos por trabalhar com membranas cerâmicas, porque elas permitem operar em temperaturas mais altas com menor risco de degradação. Entre os materiais que conhecemos por pesquisas que estão sendo feitas, os cerâmicos são os que têm maior permeabilidade e capacidade de separação, em relação às poliméricas, são mais eficientes para essa finalidade". Além disso, esse processo pode ser realizado em temperatura ambiente. Os cientistas também projetaram um separador em forma tubular, com a entrada pouco mais estreita que a saída e um pequeno estreitamento no caminho, que faz com que o gás perca pressão e ganhe velocidade, expandindo-se e provocando queda de temperatura, com a consequente condensação do C02• J A ideia, de acordo com Mierzwa, ~ é manipular essas variáveis à luz das propriedades termodinâmicas dos gases, até que se encontre o ponto da temperatura de condensação do C02 • O gás deve entrar no separador a uma pressão de cem vezes a pressão atmosférica e o processo se dará em velocidade próxima à do som. "Ele deverá ter temperatura inicial de l4°C e sair do separador em torno de -80°C a -40° C. Vamos simular em computador esses valores, antes de nos lançarmos à construção de um protótipo". Trata-se, portanto, de um fenômeno de compressão e expansão do gás para condensar o C02 • Ele fica líquido e o metano continua no estado gasoso.

CATALISADORES - 0 prof. Reinaldo Giudici, da Escola Politécnica, coordena o projeto "Catalisadores avançados para síntese Fischer-Tropsch". "Dependendo do tipo de catalisador e do seu desempenho, é possível gerar diferentes hidrocarbonetos de diferentes tamanhos. Por isso, nosso principal objetivo é gerar catalisadores mais eficientes", sintetiza. "A meta é criar os catalisadores, analisar o seu desempenho nas condições de processo e também gerar modelos de processos, que permitam lidar com as variáveis e estabelecer uma condição ótima de operação para chegar aos produtos que se quer obter. Vamos também simular cenários envolvendo os insumos disponíveis", assinala. Outro programa, também coordenado por Giudici, visa desenvolver catai isadores mais eficientes para gerar metano! a partir do co2 que está misturado no gás natural. O processo é chamado de hidrogenação e o projeto tem características semelhantes ao descrito anteriormente. "O propósito é o desenvolvimento e a caracterização de um catalisador mais eficiente, novo, tanto do ponto de vista do suporte quanto da fase ativa e dos promotores da reação. Na sequência, a realização de testes cinéticos e a criação de um modelo matemático do reator de síntese do metano)", resume Giudici. O professor também coordena o projeto "Produção de gás de síntese através da tri-reforma do metano". A ideia da trireforma é combinar três processos simultaneamente (reforma a vapor, oxidativa e a seco). O reator seria alimentado com gás natural, dióxido de carbono, vapor de água e oxigênio. Dessa maneira, configura-se um processo no qual é possível regular as condições para gerar o gás de síntese necessário para determinada operação, dependendo de variáveis como a ocorrência de matéria-prima, a composição do gás natural, por exemplo. É um processo mais flexível, que gera gases de diferentes composições, regulado por meio da alimentação com os diferentes reagentes. "Com os catalisadores adequados, é possível fazer", garante.

BIOGÁS - O Estado de São Paulo tem potencial para gerar 8. 7 81 G Wh/ ano em eletricidade usando apenas biogás, volume que equivale a 5,8% do consumo de energia da região. Também pode produzir 321.700 m3/h de biometano, equivalente a 46% do consumo de gás natural do Estado. Esses números foram apresentados pela prof. Suani Teixeira Coelho, do Grupo de Pesquisa em Bioenergia, do IEE da USP, como resultados preliminares do projeto "As perspectivas de contribuição do biometano para aumentar a oferta de gás natural", que está mapeando a produção estadual de biogás e biometano.

Os dados mostram que as usinas de açúcar e etano! e os aterros sanitários do estado podem ser as principais fontes de produção de biogás e biometano. As usinas apresentam o maior potencial, proveniente do tratamento da vinhaça, rejeito da produção de etano!, que hoje é aplicado no cultivo de cana como fertilizante. Obtém-se de 8 a 12 litros de vinhaça por litro de etano! destilado. Considerando-seasafra20 15/2016, os pesquisadores estimaram ser possível produzir 302.848 m3Jh de biogás e 151.424 m3/h de biometano, com potencial de geração de energia de 4.133 GWh/ano. Já os aterros sanitários poderiam produzir 276.191 m3/h de biogás e 138.096 m3/h de biometano, ou seja, um potencial de geração de energia de 3.769 GWh/ano. Outra importante fonte são as estações de tratamento de esgoto, com potencial de produzir 49.200 m3/h de biogás e 24.600 m3/h de biometano, e potencial para geração de 671 GWh/ano. Também foi estimada a produção a partir de resíduos agropecuários e de abatedouros: o potencial para produção de biogás é de 15 .15 5 m3/h e de 7.580 m3/h de biometano. Esse setor poderia contribuir com a geração de 208 GWh/ano. "O projeto terá importância fundamental para o Estado de São Paulo porque nos dá a possibilidade de substituir o consumo de óleo diesel por biogás no transporte", argumenta Meneghini. A meta estadual é reduzir em 20% as emissões de gás carbônico em 2020 (ano-base = 2005).

GÁS NATURAL - O gás natural representa 23 ,8% do consumo de energia primária do planeta, aponta o BP Statistical Review ofWorld Energy 2016. O Brasil tem a segunda maior reserva provada da América Latina ( 420 bilhões de m3 ; segundo os dados de 2016 da ANP), perdendo apenas para a Venezuela. Nos últimos seis anos, o aumento da participação do gás natural na matriz energética brasileira foi de 30%. Entretanto, hoje, boa parte da produção do país é reinjetada no subsolo, inclusive a oriunda do pré-sal, para auxiliar na extração do petróleo. Em janeiro de 2016, o Brasil reinjetou 30,4 milhões de m3 por dia nos poços, enquanto importava 31 ,7 milhões de m31dia, da Bolívia. Este cenário terá que mudar por conta dos compromissos de redução de emissões assumidos pelo país nas últimas Conferências Climáticas (COPs). Em Paris, na última COP, comprometeu-se a diminuir as emissões de gases de efeito estufa em 3 7% até 2025, e em 43% até 2030, tendo 2005 como ano-base.

Especialistas afirmam que, se o gás natural substituir outros energéticos mais carbono intensivos, como o óleo diesel, por exemplo, será possível, de fato, reduzir emissões. Para isso é necessário, além de construir infraestrutura para transporte e liquefação do gás natural, criar novas tecnologias, saber qual é nosso potencial de uso e de substituição de outras fontes (na indústria, nas residências e para geração de energia), quais são as maiores oportunidades para o gás natural e quais são as reais possibilidades de torná-lo mais presente na vida cotidiana. É aí que ganha relevância o papel do RCGI.