3.2 Descrição dos Estudos de Caso
3.2.4 HEFA – Hidroprocesasmento de ésteres e ácidos graxos (Hydroproces-
cessed esters and fatty acids)
Trata-se da técnica capaz de trabalhar óleos vegetais até combustíveis de aviação. O processo é certificado pela ASTM por meio da norma D7655 sobre procedimentos de obtenção de biocombustíveis aeronáuticos e ostenta um technical readiness level é de 8 (ALVES et al., 2017), nível pré-comercial.
Os biojet fuels devem ser equivalentes aos combustíveis convencionais de origem fóssil quanto as propriedades. Devem apresentar massa específica entre 0,775 e 0,84 kg/L, poder calorífico da ordem de 43 MJ/kg e ponto de ignição de 42° C. Não obstante, os combustíveis renováveis apresentam algumas vantagens, tais quais, melhor índice de cetano, menor teor de aromáticos, menor teor de enxofre e potencialmente menores emissões de gases estufa (WANG et al., 2016).
Os combustíveis de aviação HEFA têm sido produzidos em escala comercial por empresas nos Estados Unidos, na Holanda e na Itália. São exemplos de grandes produtoras de biocombustíveis aeronáuticos, que trabalham em acordo com companhias aéreas, a italiana ENI, que trabalha óleos vegetais e tem capacidade de produção de 450 milhões de litros anuais; a Neste Oil que tem plantas operantes em Roterdã, Singapura e na Finlândia. A planta de Roterdã trabalha óleos vegetais, óleo residual de fritura e gordura animal com capacidade de produção de 1,26 bilhões de litros por ano. As plantas finlandesa e singapurana trabalham os mesmos insumos, porém com capacidade reduzida, 240 milhões de litros de biocombustíveis produzidos, anualmente; e as americanas Diamond Green Diesel e REG, tem capacidade de 500 milhões de litros e 315 milhões de litros anuais, respectivamente (IRENA, 2017).
O processo de retirada de compostos oxigenados do óleo se justifica, pois, a presença de oxigênio aumenta o índice de acidez, de corrosividade e a viscosidade do biocombustível e reduz a estabilidade quanto a oxidação e o poder calorífico final. E quanto a especificação do combustível a norma exige, no mínimo, 99,5 % de carbono e hidrogênio na composição final do combustível. Portanto, a retirada de oxigênio é preponderante para a estabilidade do biocombustível e a miscibilidade com o combustível fóssil. A desoxigenação pode ocorrer em diferentes rotas, para a obtenção de combustíveis de aviação as mais comuns são descarboxilação, descarbonilação e hidrodeoxigenação. A descarboxilação retira o radical carboxílico e produz hidrocarbonetos parafínicos e CO2. A descarbonilação retira o radical carbonila e produz CO,
H2O e olefinas. Na hidrodeoxigenação as ligações entre carbono e oxigênio são pressionadas por
excesso de H2, produzindo hidrocarbonetos e água (OI et al., 2016; GUTIÉRREZ-ANTONIO
et al., 2017). As reações de desoxigenação têm suas características ilustradas na Figura 3.10. Para o processamento de óleo de palma, o método mais eficiente para retirada de compostos oxigenados, de acordo com Sousa et al. (2016), é por hidrodeoxigenação, rendimento de 82 % em biocombustível.
Figura 3.10: Reações de Deoxigenação.
Fonte: Oi et al. (2016)
Após finalizada a etapa de deoxigenação, os produtos passam por refrigeração, em seguida se dão o craqueamento e a isomerização, processos com intuito de atingir a faixa entre 8 e 16 carbonos, tamanho das cadeias de hidrocarbonetos especificada pela ASTM para biocombus- tíveis de aviação. E também para melhorar as propriedades de fluxo a baixa temperatura e o ponto de congelamento, respectivamente. A isomerização e o craqueamento são reações que podem ser procedidas de maneira simultânea ou em sequência. A isomerização forma radicais metil ou etil na cadeia de hidrocarbonetos, por meio de rearranjo. Já o craqueamento busca a quebra das cadeias longas a fim de obter pequenas cadeias de parafinas. O caminho das reações está representado na Figura 3.11 (WANG; TAO, 2016; OI et al., 2016).
Figura 3.11: Reações de Isomerização e Craqueamento.
Fonte: Oi et al. (2016)
Após fases de separação é possível obter HVO (Hydrogenated Vegetable Oil) e biojet fuels (BJF), além de outros subprodutos, nafta e gases leves. Durante a destilação componentes que não reagiram e outras impurezas são retiradas para obtenção de biocombustíveis de aviação com alto grau de pureza. O método HEFA, ilustrado na Figura 3.12, permite eficiente produ- ção de biocombustíveis de aviação seguindo as especificações quanto a viscosidade, ponto de congelamento, cloud point e índice de cetano (ALVES et al., 2017).
Figura 3.12: Fluxograma dos processos para obtenção dos biocombustíveis via HEFA.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Dentre estudos de simulação e análise tecnoeconômica, diferentes pesquisadores encontra- ram resultados parecidos, tais como em Pearlson et al. (2013), Li et al. (2019), Zech et al. (2018) e Klein et al. (2018), para a produção de biocombustíveis de aviação. Embora, os autores terem estudado diferentes rotas, além da HEFA, as perspectivas enunciadas são de vantagens quanto a quantidade das emissões e gargalos quanto ao custo de produção. Outro fator comum entre estes estudos está no fato de as simulações serem conduzidas com base em dados encontrados na literatura, para os balanços energéticos e de massa da planta de conversão.
Apesar do caráter emergente da tecnologia HEFA e ainda recente, há estudos que disser- tam pela confiabilidade do processo em médio prazo. Diniz et al. (2018) defenderam que o desempenho econômico das plantas que utilizam deste meio de produção deve ser calcado no preço da biomassa utilizada e dos combustíveis tradicionais. E concluíram ainda que para o desenvolvimento estável e situação no mercado, os biocombustíveis de aviação devem receber subsídios para que a possibilidade de perda de investimento seja reduzida.
Para a planta HEFA, o estudo escolhido como referência de dados é o de Diederichs et al. (2016) em que os dados selecionados estão apresentados na Tabela 3.5. O consumo de eletricidade e calor colhidos da bibliografia disponível foram primordiais para a elaboração das biorrefinarias a serem estudadas neste trabalho, tais como o rendimento dos produtos e o consumo de hidrogênio para a obtenção dos mesmos.
Tabela 3.5: Parâmetros operacionais utilizados para balanços de massa e energia na estação HEFA.
Adaptado de Diederichs et al. (2016)
Processo HEFA Valor Unidade
Consumo específico de eletricidade 0,175 kWh / kg-OP
Consumo específico de H2 31,7 kg / tOP
Pressão de operação dos reatores 3000 kPa
Produção de BJF 480,16 kg / tOP
Produção de HVO 20,85 kg / tOP
Produção de Bionafta 115 kg / tOP
Valencia et al. (2018), afirmaram em seu trabalho que para desenvolvimento de condições ótimas de trabalho para aquisição de biocombustíveis pela rota HEFA é preponderante estudar diferentes frentes de se chegar ao produto desejado, variando as condições de trabalho e os insumos. Ainda em tal estudo, os autores julgaram eficiente a análise termodinâmica dos triglicérides e ácidos graxos reagentes.
Dito isso, a representação gráfica dos parâmetros escolhidos para este estudo e que formulam um aproveitamento energético de produtos por insumos de 48 % para o processo HEFA estão na Figura 3.13. A figura apresenta as principais etapas do processo de obtenção dos biocombustíveis de aviação, a entrada do gás hidrogênio como reagente, o consumo energético e, por fim, os produtos: biojet fuel, HVO, nafta e gases orgânicos leves.
Figura 3.13: Fluxograma do Processo HEFA, considerando 1 t/h de óleo de palma.
Adaptado de Diederichs et al. (2016).