Tecnologia eficaz de redução de carbono implementada em planta de transformação de resíduos em energia

Pesquisadores da Dinamarca provaram que é viável eliminar a maior parte do dióxido de carbono (CO₂) das emissões de um incinerador de resíduos. Com a validação desse processo, acreditam ter criado uma tecnologia crucial no combate às mudanças climáticas. Uma planta piloto em Copenhague tem operado com sucesso há vários meses, e uma nova tecnologia de monitoramento de gases tem permitido otimizar a eficiência da instalação.

Crédito da imagem: Hufton&Crow/ARC

Para que os líderes globais cumpram suas metas de neutralidade de carbono, será essencial desenvolver e implementar tecnologias de descarbonização, como captura e armazenamento de carbono (CCS) e captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS). Pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca (DTU) estão colaborando em uma usina inovadora de incineração de resíduos em Copenhague para criar um processo eficiente de captura de dióxido de carbono (CO₂) das emissões da planta. O projeto emprega analisadores de gás avançados da Vaisala para avaliar a eficácia da captura de carbono, determinando assim a viabilidade do CCUS.

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Os pesquisadores construíram uma planta piloto para capturar CO₂ das emissões do incinerador na Usina de Conversão de Resíduos em Energia Amager Bakke. Essa usina, uma das maiores instalações de geração combinada de calor e eletricidade (CHP) do norte da Europa, tem a capacidade de processar 560.000 toneladas de resíduos por ano. Desenvolvida pela ARC (Amager Ressourcecenter), uma empresa de gerenciamento de resíduos baseada em Copenhague e pertencente a cinco municípios da região, a usina é marcada por várias inovações, incluindo uma pista de esqui artificial em seu telhado, que faz parte do complexo de atividades ao ar livre conhecido como CopenHill.

A planta piloto foi projetada para capturar CO₂ das emissões provenientes de processos como tratamento de águas residuais, produção de biogás, digestão anaeróbica e incineração de resíduos. Além disso, os pesquisadores estão explorando métodos para capturar e utilizar CO₂ de maneira mais eficiente. Antes de ser instalada na Amager Bakke, a planta piloto de captura de carbono operava em uma estação de tratamento de águas residuais. “A tecnologia em si não é nova”, explica Jens Jørsboe, pesquisador da DTU, “mas nosso objetivo tem sido reduzir os custos da captura de carbono para torná-la economicamente viável.”

Os gases de escape da usina de incineração Amager Bakke são inicialmente tratados por um precipitador eletrostático (ESP) para remover partículas, por um sistema de redução catalítica seletiva (SCR) para eliminar compostos NOx e por um depurador para reduzir os óxidos de enxofre. No entanto, níveis significativos de CO₂ ainda permanecem nos gases de combustão. A principal meta da planta piloto de captura de carbono é explorar a viabilidade da captura desse CO₂. Para alcançar isso, o gás é direcionado através de uma coluna contendo esferas e um solvente de monoetanolamina (MEA), que captura o CO₂ do gás. O solvente, após absorver o CO₂, é transferido para um dessorvedor que separa o CO₂ quase puro e regenera o MEA para reutilização. Como parte do projeto de pesquisa, o CO₂ gerado ainda é liberado na atmosfera. No entanto, em um contexto comercial, o CO₂ pode ser utilizado de várias maneiras industriais. Por exemplo, o CO₂ pode ser combinado com hidrogênio no processo Sabatier para gerar metano (um combustível gasoso) e água, sob condições de alta temperatura e pressão, com a ajuda de um catalisador de níquel. Esse método poderá oferecer uma solução ecológica para a produção de combustíveis, especialmente se o hidrogênio for obtido por meio da eletrólise utilizando fontes de energia renovável, como solar, biogás ou eólica.

O CO₂ é utilizado em diversas indústrias, como alimentos e bebidas, refrigeração, medicina, horticultura, combate a incêndios e soldagem. Portanto, há uma ampla gama de mercados potenciais caso o CO₂ possa ser produzido em qualidade e escala comerciais.

Monitoramento da eficiência da captura de carbono

Para otimizar o processo de captura de carbono, é essencial monitorar continuamente as concentrações de CO₂ antes e após a captura. Foi um grande benefício que a Vaisala, na Finlândia, tenha desenvolvido o primeiro monitor em linha para CO₂, umidade e metano exatamente antes da construção da planta piloto.

Devido à natureza corrosiva e potencialmente explosiva dos gases de exaustão dos incineradores, o monitoramento em linha não era possível no passado. Até pouco tempo atrás, a única abordagem era a coleta de amostras para análise fora do processo, o que não é ideal para controle e otimização contínuos. Esse método tem várias desvantagens, incluindo a necessidade de remover umidade da linha de amostra e a frequente necessidade de recalibração.

O desenvolvimento da sonda multigás MGP261 da Vaisala resolveu todos esses problemas de monitoramento. Esse avanço foi complementado pelo MGP262, um produto irmão projetado para medir altas concentrações de CO ₂. Com essas características, o MGP262 é ideal para o monitoramento em linha de CO₂ quase puro após o dessorvedor na planta piloto.

A planta piloto utiliza um total de três sondas Vaisala: o MGP261 para monitorar os gases de escape do incinerador, o MGP262 para medir a pureza do CO₂ extraído e a sonda Vaisala CARBOCAP® CO₂ GMP251, que verifica os níveis de CO₂ nos gases de escape da planta após a captura de carbono.

Tecnologia de monitoramento exclusiva

Todas as três sondas de monitoramento contêm a tecnologia CARBOCAP®, que utiliza um filtro de interferômetro de Fabry-Pérot (FPI) com ajuste elétrico. Esse filtro FPI micromecânico permite não apenas medir as espécies alvo, mas também realizar uma medição de referência em um comprimento de onda em que não ocorre absorção. Para isso, o filtro FPI é ajustado eletricamente para alternar entre o comprimento de onda de absorção e um comprimento de onda sem absorção durante a medição de referência. Essa técnica compensa variações na intensidade da fonte de luz e possíveis contaminações na trajetória óptica, assegurando uma alta estabilidade do sensor ao longo do tempo. 

No MGP261 e no MGP262, a umidade e o CO₂ são medidos usando o mesmo filtro óptico, enquanto um segundo canal óptico é responsável pela medição do metano. De muitas maneiras, essa abordagem combina a precisão analítica de um espectrômetro de laboratório com a simplicidade e robustez de um instrumento de controle de processo industrial.

Comentando sobre o desempenho do equipamento de monitoramento, Jens Jørsboe afirma: “Estamos extremamente satisfeitos com a precisão e a confiabilidade das sondas multigás, pois elas nos proporcionaram insights valiosos sobre o gerenciamento dos gases de combustão provenientes da incineração de resíduos. Embora existam muitos dados sobre as emissões provenientes da combustão de combustíveis fósseis, ainda há informações limitadas sobre as emissões geradas pela incineração de resíduos. 

A tecnologia avançada das sondas Vaisala também contribui para a redução dos custos operacionais. Como as sondas se calibram de maneira eficiente, os requisitos de manutenção são mínimos e o tempo de inatividade é reduzido.”

Captura de carbono em Copenhague e no mundo

Com a vantagem do monitoramento contínuo em linha, os pesquisadores conseguiram otimizar o desempenho da captura de carbono após avaliar doze configurações de plantas piloto. Após confirmar a eficácia do processo, o próximo passo é analisar as vantagens do armazenamento em comparação com a utilização de carbono. Jens Jørsboe observa: “Atualmente, a utilização de CO₂ é a alternativa mais cara devido aos custos adicionais de refinamento. Portanto, os proprietários da usina Amager Bakke planejam solicitar 1,5 bilhão de DKK (aproximadamente US$ 230 milhões) para uma planta de CCS com capacidade para capturar 500.000 toneladas de CO₂ por ano, caso o governo dinamarquês forneça a estrutura regulatória e o financiamento necessários. Essa nova instalação aplicaria o mesmo processo de depuração com amina já validado pela planta piloto de captura de carbono.”

A incineração de 1 tonelada de resíduos urbanos (RSU) está associada à emissão de entre 0,7 e 1,7 tonelada de CO₂, variando conforme o conteúdo dos resíduos. Assim, a geração de energia por incineração de resíduos emite mais carbono do que a queima de combustíveis fósseis. A captura de carbono representa uma solução para gerenciar a crescente demanda por tratamento de resíduos municipais, ao mesmo tempo em que evita níveis inaceitáveis de emissões de gases de efeito estufa (GEEs).

Olhando para o futuro, Jens acredita que essa tecnologia tem potencial para ser adotada em todos os incineradores de resíduos do mundo. De acordo com os dados mais recentes da ecoprog, isso engloba cerca de 2.500 plantas de resíduos para energia (WtE), com capacidade para tratar aproximadamente 400 milhões de toneladas de resíduos por ano. 
Além disso, há a possibilidade de aproveitar o calor residual gerado, que pode ser redirecionado para a indústria local ou para redes de aquecimento urbano. 

Resumindo, Jens afirma: “A recente conferência COP26 em Glasgow sobre mudanças climáticas destacou a necessidade urgente de tecnologias para reduzir as emissões globais de gases de efeito estufa, como o CO₂. Muitos países se comprometeram a atingir metas de emissão zero, e o trabalho que estamos realizando na Usina de Transformação de Resíduos em Energia Amager Bakke representa uma oportunidade para esses países investirem em uma das formas de alcançar esse objetivo.”