Produção de biogás: dessulfurização por microaeração e purificação com hidrogênio exógeno por eletrólise da água

Abstract

A produção de energia atualmente, em sua maior parte, advém de combustíveis fósseis, a utilização de fontes não renováveis, além de serem limitadas, implicam na liberação de toneladas de gás carbônico, que está diretamente relacionado com o aquecimento global. Nesse contexto, a geração de biogás surge como uma alternativa de energia limpa e uma das ferramentas mais discutida nos últimos anos para emissões negativas de carbono. A utilização do biogás é bastante versátil e novas alternativas para aproveitamento do biogás precisam ser exploradas estrategicamente para consolidar o seu potencial e significado de geração de energia. Nessa linha, o biometano, maior constituinte do biogás, pode se tornar um fornecedor e transportador de hidrogênio. Entretanto, as impurezas no biogás são um problema significativo afetando seu desempenho, sendo as duas principais impurezas o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio. Assim, a purificação do biogás com hidrogênio exógeno é promissora numa perspectiva de longo prazo, aumentando o teor de metano do biogás por meio da conversão do gás carbônico. Além disso, o hidrogênio utilizado seria uma forma de armazenar e transportar a energia excedente proveniente de usinas intermitentes. Dessa forma, o presente estudo trabalhou com a purificação do biogás, avaliando desde o processo de dessulfurização por microaeração em plantas reais até o aumento do teor de biometano por meio da adição de hidrogênio exógeno. Com pequenas quantidades de ar ambiente adicionados aos biorreatores com capacidade volumétrica de 4000 m3 cada foi possível obter uma eficiência de 99,5% de remoção do sulfeto de hidrogênio, sem redução significativa do teor final de metano. A adição de hidrogênio exógeno, avaliada em escala laboratorial, também contribuiu com a purificação do biogás, aumentando o teor de metano em torno de 11% a 16% nos reatores que receberam hidrogênio. Para o fornecimento do hidrogênio aos biorreatores, avaliou-se o potencial das células fotoeletroquímicas, as quais vêm ganhando espaço na medida em que estudos são conduzidos para aumentar a eficiência da conversão. Para tanto, nesse estudo sintetizou-se os materiais ferroelétricos KNbO3 e KBNNO com diferentes teores de dopagem, com objetivo de investigar as propriedades do grupo perovskita e avaliar a contribuição desses nas estruturas híbridas para formação de fotocatodos. Assim, em termos de desenvolvimento tecnológico esse trabalho contribuiu no campo das energias limpas, em especial o hidrogênio e o biogás, como alternativas para a transição energética

Abstract: Currently, most part of energy comes from fossil fuels and the use of non-renewable sources implies the release of tons of CO2, which is related to the global warming. In this context, biogas emerges as a clean energy alternative and one of the most discussed paths in recent years for negative carbon emissions. Biogas has great versatility and can be use in different ways, but new alternatives need to be strategically explored to consolidate biogas potential. For instance, biomethane, the largest constituent of biogas, can become a supplier and transporter of H2. Based on that, one of the greatest challenges is to increase the biogas value by removing its impurities, once they are a significant problem affecting its performance. The main impurities of biogas are carbon dioxide and hydrogen sulfide. In this context, the biogas upgrading with exogenous hydrogen is promising in a long-term perspective, increasing the methane content in biogas through the conversion of CO2. Moreover, the hydrogen used could be a way to store and transport the energy from intermittent power plants. Therefore, this work aims to evaluate the biogas production by monitoring the desulfurization process using microaeration technique in a real plant and to study in lab scale the biogas upgrading by adding exogenous hydrogen. To monitor the desulfurization process, small amounts of ambient air were added to bioreactors with a volumetric capacity of 4000 m3 each, it was possible to obtain a 99.5% hydrogen sulfide removal efficiency, without a significant reduction in the final methane content. The addition of exogenous hydrogen, evaluated on a laboratory scale, also contributed to the purification of biogas, increasing the methane content by around 11% to 16% in the reactors that received hydrogen. Furthermore, the present study evaluates the potential supply of hydrogen by photoeletrochemical cells, process that is receiving attention in literature and more studies are being developed to increase the efficiency of the conversion. To this end, in this study the ferroelectric materials KNbO3 and KBNNO were synthesized with different doping levels, with the aim of investigating the properties of the perovskite group and evaluating their contribution to hybrid structures for the formation of photocathodes. Thus, in terms of technological development, this work aims to contribute to the field of clean energy, especially hydrogen and biogas, as alternatives to the energy transition.