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| 1. - Introdução |
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| A mitigação das mudanças climáticas é considerado um grande desafio para a humanidade. |
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| Fornecer todos os materiais e energia que a civilização necessita para seu próprio crescimento, de forma completamente sustentável é ainda um cenário irreal. |
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| O que se vê, na verdade, é um crescimento cada vez maior da demanda energética, que acaba por intensificar as emissões de gases de efeito estufa (GEE). |
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| A emissão de gases como o dióxido de carbono (CO2), o óxido nitroso (N2O) e o metano (CH4) contribuem para o aumento do efeito estufa e, consequentemente, para o aumento das temperaturas médias da Terra causando o chamado aquecimento global, o precursor das alterações climáticas globais. |
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| As usinas siderúrgicas são altamente carbono intensivas, ou seja, apresentam altos índices de emissão de gases do efeito estuga, principalmente o CO2. |
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| As duas maiores usinas siderúrgicas integradas do estado do Rio de Janeiro, a CSN e a CSA, apresentam um nível de emissão de CO2 muito alto, somando mais de 20 milhões de toneladas de gás carbônico emitidos por ano. |
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| Logo, é extramente importante que essas emissões sejam mitigadas. |
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| A Captura e Armazenamento Geológico de Carbono (Carbon Capture and Geolocial Storage – CCGS) é uma importante tecnologia para reduzir a quantidade de GEE que é emitida. |
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| O CCGS implica capturar o CO2, o principal gás agravador do efeito estufa, produzido pela queima de hidrocarbonetos (como o gás natural, o óleo e o carvão) antes de entrar na atmosfera, armazenando em formações rochosas no solo onde permanecerá indefinidamente. |
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| O CCGS se destaca devido a sua eficiência em comparação com outras tecnologias de mitigação de emissões de GEE. |
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| Ao mesmo tempo, diversos mecanismos internacionais de controle e mitigação de emissões tomaram forma, sendo o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), criados dentro da estrutura do Protocolo de Quioto, um dos mais eficazes. |
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| Um projeto de CCGS além de reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE) através do sequestro geológico de CO2, pode contribuir também para aumentar a produção de petróleo de um poço no processo de Recuperação Avançada de Petróleo, conhecido internacionalmente como EOR (Enhanced Oil Recovery). |
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| Além de apresentar benefícios ambientais para as empresas, minimizando os impactos das emissões de GEE, e benefícios econômicos, através da EOR, o CCS também poderá gerar as Reduções Certificadas de Emissões (RCE) através do MDL, podendo essas reduções certificadas serem comercializadas em mercados de carbono ou mantidas pelas empresas participantes do projeto. |
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| Esse trabalho irá apresentar todas as informações vitais de um projeto em larga escala de CCGS, desde a quantidade de dióxido de carbono que será capturada até a quantidade que será armazenada. |
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| Toda a extensão do projeto, desde as fontes de captura até os poços de injeção, foram mapeados e demonstrados através do uso de um software de sistema de informação geográfica, o ArcGIS. |
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| Os mapas facilitam a compreensão do projeto, sendo vitais para a elaboração dos custos de todas as etapas. |
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| A verificação da quantidade de Reduções Certificadas de Emissão do projeto irá validar a capacidade de mitigação das emissões do MDL. |
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| 2. - Objetivos |
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| O objetivo desse trabalho é estudar a viabilidade técnica e econômica de um projeto de grande escala de CCGS de ser aplicado como uma atividade de MDL, evidenciando, no intuito de comprovação de abatimento real das emissões, a quantidade de Reduções certificadas de Emissões (RCEs) que será gerada e os lucros provenientes da recuperação avançada de petróleo. |
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| 3. - Metodologia |
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| Para a elaboração de todas as etapas do projeto de CCGS, foi utilizado o software ArcGIS de Sistema de Informações Geográfica. |
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| Com ele foi possível detalhar todos as etapas intermitentes do projeto proposto, demonstrando graficamente a captura de CO2 na CSN e CSA, o transporte até a bacia de campos e a injeção e armazenamento do gás nos reservatórios de Marlim e Barracuda. |
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| Após o projeto estar todo dimensionado e com suas emissões capturadas e armazenadas quantificadas, será possível calcular a quantidade real de emissões evitadas pelo projeto, utilizando a metodologia presente no escopo do MDL. |
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| Também foram calculados os custos do projeto. |
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| Para tornar viável a elaboração de um escopo de um projeto de larga escala de CCGS foi necessário alinhar todas as informações coletadas em uma base de Sistema de Informação Geográfica (SIG), simplificando a compreensão das etapas intermitentes do projeto. |
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| Sem essa ferramenta não seria possível demonstrar, com exatidão, a extensão do projeto, desde as fontes de captura até a o ponto final de injeção do carbono. |
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| Utilizando os conceitos abordados na revisão bibliográfica, foi possível elaborar todo o projeto de CCGS. |
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| Primeiramente foi descrito o processo industrial das fontes emissoras, no intuito de identificar em quais unidades siderúrgicas ocorrerá à captura de CO2 e demonstrar qual a tecnologia adotada para este fim. |
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| Através da quantificação da quantidade de dióxido de carbono que foi capturado, foi possível dimensionar o transporte do mesmo por carbodutos, utilizando o ArcGIS para medir as distâncias e a demonstração gráfica do projeto. |
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| Na etapa de injeção e armazenamento, foram calculados diversos parâmetros referentes à quantidade recuperada de óleo, considerando certos fatores como a quantidade de CO2 que retorna junto ao óleo, a injeção máxima de CO2 por poço, a quantidade de poços necessários, a quantidade máxima de CO2 que pode ser armazenada, a quantidade máxima de óleo que pode ser recuperado, a taxa de recuperação de óleo, entre outros. |
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| Os cálculos de custo de instalação e operação e manutenção de todas as etapas foram elaborados a partir de metodologias de cálculo presentes ou adaptadas da literatura. |
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| Os resultados obtidos por esses cálculos serão fundamentais para demonstrar a viabilidade econômica do projeto. |
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| Os resultados foram demonstrados no capítulo oito desse trabalho. |
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| A verificação da adicionalidade do projeto, ou seja, se o projeto é realmente capaz de mitigar emissões de gases de efeito estufa sob o escopo do MDL, foi demonstrada após o detalhamento de todos os dados do projeto. |
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| Foram realizadas duas abordagens para a quantificação das reduções nas emissões de GEE, uma com as emissões provenientes da queima do óleo produzido em virtude da injeção de CO2 e a outra desconsiderando essas emissões. |
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| Os resultados foram demonstrados e discutidos, considerando a quantidade que seria gerada de RCEs, caso o projeto seja passível de validação pelo MDL. |
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| 4. - Revisão Bibliográfica de CCGS e SIG |
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| A Captura e Armazenamento Geológico de Carbono (CCGS) consiste num processo de separação e captura do CO2 de processos industriais e processos relacionados à geração de energia, através da queima de hidrocarbonetos, seguido de transporte para um local propício de armazenamento seguro, de modo que o dióxido de carbono permaneça preso durante um período indefinido de tempo. |
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| As etapas do CCGS são: Captura, |
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| 4.1. Captura |
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| O propósito da captura de CO2 é produzir um fluxo concentrado de dióxido de carbono em alta pressão que possa ser transportado até o local de armazenamento. |
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| Apesar de todo o gás exausto da planta industrial, contendo uma pequena fração de CO2, poder ser transportado e injetado no subsolo, os custos de energia e outros custos associados tornam essa abordagem impraticável. |
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| Portanto, é necessário produzir um exausto puro em CO2 para o transporte e armazenamento. |
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| Diversas aplicações de separação de gases são aplicadas em grandes plantas industriais, incluindo plantas de tratamento de gases e unidades produtoras de amônia. |
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| Hoje em dia, o CO2 é removido para purificar outros gases industriais, e em poucos casos o dióxido de carbono é armazenado. |
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| A tecnologia de captura de gás carbônico pode ser implantada em qualquer fonte estacionária geradora do gás, de preferência grandes usinas termoelétricas, siderúrgicas, refinarias, cimenteiras, industrias químicas, plantas produtoras de amônia e fertilizantes, etc. |
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| 4.1.1. Rotas de Captura |
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| Dependendo do processo industrial ou da usina de produção de energia onde será capturado o dióxido de carbono, será adotado uma das quatro rotas possíveis de captura. |
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| Figura 1 - Processos e sistemas de captura de CO2 |
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| Fonte: adaptado de IPCC, 2005 |
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| 4.1.1.1. Pós-Combustão |
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| Os sistemas de pós-combustão separam o CO2 do gás exausto produzido pela combustão do combustível primário com o ar. |
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| Normalmente, esse sistema utiliza solventes para capturar uma pequena fração de CO2, entre 3% e 15% da concentração em volume no gás, o nitrogênio representa a maior concentração. |
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| Os solventes utilizados são os químicos à base de amina, pois estes são ideais para baixas concentrações de dióxido de carbono no exausto. |
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| Uma vantagem em relação à pós-combustão é que esta tecnologia pode ser aplicada na maioria das termelétricas convencionais, como usinas a gás e carvão. |
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| Porém, como o exausto proveniente dessas plantas de energia possui baixa concentração de CO2, este possuirá baixa pressão, necessitando de grandes compressões para ser transportado e armazenado. |
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| 4.1.1.2. Pré-Combustão |
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| A tecnologia de captura de pré-combustão é usada comercialmente em várias aplicações industriais, como a produção de hidrogênio. |
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| Um sistema de pré-combustão processa o combustível primário em um reator com vapor e ar (ou oxigênio) para produzir uma mistura consistindo basicamente de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio, chamado de gás de síntese. |
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| Mais hidrogênio, junto com gás carbônico (CO2), é produzido através da reação do CO com o vapor em segundo reator (shift reactor). |
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| A mistura resultante de hidrogênio e CO2 (15 a 60% de CO2) pode, então, ser separada em um fluxo de CO2 e de H2 (IPCC, 2005). |
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| Apesar da conversão de combustível inicial ser complexa, com altos custos associados, as altas concentrações e pressões do CO2 favorece sua separação do restante do gás. |
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| Os processos mais comuns para separação são absorção química e/ou física utilizando solventes químicos e físicos, membranas poliméricas, looping químico e a separação em plantas de energia com sistema integrado de gaseificação com ciclo combinado (IGCC). |
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| 4.1.1.3. Oxyfuel |
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| Esse gás resultante possui altas concentrações de CO2, o que permite processos de menores custos para separação do CO2. |
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| O vapor d’água é removido através de um resfriamento e compressão do gás. |
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| Esse sistema exige um tratamento dos gases para remover poluentes do ar e gases que não se condensaram, como o nitrogênio. |
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| Esse sistema requer a separação do oxigênio do ar, obtendo uma pureza acima de 95%. |
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| A destilação criogênica pode ser utilizada para separar o oxigênio do ar para. |
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| O processo necessita de grande quantidade de O2, encarecendo todo o processo. |
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| 4.1.1.4. Processos Industriais |
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| O dióxido de carbono tem sido capturado em processos industriais durante mais de 80 anos (IPCC, 2005), mas a maior parte do CO2 que é capturado é, posteriormente, emitido para a atmosfera, porque não havia a necessidade ou incentivo de armazenar o gás. |
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| A purificação do gás natural e a produção hidrogênio contendo gás de síntese para a fabricação de amônia, álcool e combustíveis líquidos sintéticos, são exemplos onde ocorre a captura de CO2. |
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| Boa parte da tecnologia emprega nesses processos é similar à rota tecnológica de captura pré-combustão. |
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| 4.1.2. Tecnologias de Captura |
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| Os sistemas de captura utilizam diversas tecnologias conhecidas de separação de gases, estando integradas com a rota de captura, descrita anteriormente. |
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| Serão descritos de forma breve as principais tecnologias de captura. |
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| 4.1.2.1. Absorção |
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| A tecnologia de absorção é uma das mais utilizadas na indústria, principalmente quando a rota tecnológica adotada é a de pós-combustão. |
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| A absorção se divide em dois grupos distintos, a absorção física e a absorção química. |
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| A capacidade de absorção do solvente é proporcional à pressão parcial na unidade de absorção (Gupta, 2003). |
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| A separação na absorção química é feita através do contato do gás com solventes químicos. |
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| Estes solventes são capazes de reagir com o gás exausto, absorvendo um componente específico do gás, no caso o CO2, separando-o do resto do gás. |
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| Como a absorção química é geralmente aplicada na rota tecnológica de pós-combustão, o gás exausto precisa receber um pré-tratamento para remover particulados e outras impurezas antes de reagir com o solvente. |
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| O gás também é submetido a um processo de resfriamento. |
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| Depois de tratado e resfriado, o gás passa por uma unidade de absorção (torre de absorção) onde o mesmo entra em contato com o solvente. |
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| O composto, formado através de uma reação química entre o CO2 e o solvente, é separado do resto do gás em uma torre diferenciada, onde o composto será submetido a um aumento de temperatura para reverter a absorção e liberar o CO2. |
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| Após liberar o CO2 o solvente será regenerado, permitindo novamente o seu uso no processo de captura. |
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| Depois da separação, o CO2 é comprimido, para então ser transportado. |
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| Um problema comum nesse processo é que grandes quantidades de solventes são necessárias para conseguir processar uma grande vazão de CO2, o que se traduz em necessidade de grandes equipamentos com grandes gastos de energia e consequentemente altos custos. |
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| O gasto energético da absorção química para realizar a regeneração do solvente químico é grande e a eficiência é baixa. (Leal da Costa, 2009). |
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| A absorção física é adequada para a remoção de CO2 em altas pressões e concentrações no gás exausto porque os solventes físicos não possuem o mesmo poder de absorção dos solventes químicos. |
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| Em compensação, a captura por absorção química necessita de menos energia no processo de separação do CO2 do composto formado e de regeneração. |
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| O quadro abaixo apresenta os principais solventes químicos e físicos utilizado pela indústria. |
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| 4.1.2.2. Adsorção |
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| A adsorção utiliza materiais sólidos que através do contato da superfície destes com os gases realiza a separação. |
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| Em geral, os materiais adsorventes são o carvão ativado e as peneiras moleculares. |
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| Variáveis críticas para a adsorção são: temperatura, pressão, forças nas superfícies dos materiais, e o tamanho dos poros na superfície dos materiais. |
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| O processo é cíclico com as etapas de adsorção e regeneração. |