Invista na produção conjunta de etanol e hidrogênio

A busca por fontes de energia mais limpas e sustentáveis impulsiona a inovação na indústria química e bioenergética. Por isso, a produção conjunta de etanol e hidrogênio a partir da cana-de-açúcar surge como uma solução promissora para aumentar a eficiência energética, diversificar produtos e
reduzir impactos ambientais.

Neste conteúdo abordaremos:

• Introdução
• Mercado e Perspectivas Energéticas
• O Processo Produtivo
• Outras Rotas Produtivas
• Estudos e Simulações
• Desafios Tecnológicos

Introdução

No setor sucroenergético, queima-se tradicionalmente o bagaço de cana em caldeiras para suprir a demanda energética da própria produção de etanol. No entanto, essa prática limita o potencial de conversão da biomassa em produtos de maior valor agregado. Por isso, diversas empresas do setor agroindustrial e energético já avaliam a implementação da produção conjunta de etanol e hidrogênio, alinhando-se a diretrizes ESG (ambientais, sociais e de governança) e às metas globais de descarbonização.

Mercado e Perspectivas Energéticas

O etanol desempenha um papel fundamental na matriz energética global. O Brasil, um dos maiores produtores mundiais, fabricou 18 bilhões de litros em 2011 e 32 bilhões em 2021, superando em uma vez e meia o consumo total de combustível de aviação no início da década. No entanto, a produção ocorre em larga escala há mais de trinta anos, com diversas usinas integrando a fabricação de açúcar, etanol e eletricidade. Atualmente, produz-se o etanol tanto a partir da fermentação de açúcares quanto da hidrólise da biomassa lignocelulósica.
O hidrogênio, por sua vez, surge como um dos principais vetores da transição energética, com aplicações no setor de transporte, armazenamento de energia e síntese de combustíveis sintéticos. Não obstante, sua produção a partir do bagaço de cana, via gaseificação, ajuda a reduzir a dependência por combustíveis fósseis, possibilitando a fabricação de querosene de aviação (SAF), diesel renovável e éter dietílico (DME), além de outras moléculas químicas de alto valor agregado.
Com a demanda crescente por combustíveis sustentáveis e incentivos governamentais, a integração da produção de etanol e hidrogênio torna-se uma estratégia competitiva e rentável para o setor.

O Processo Produtivo

Etanol

A produção de etanol a partir da cana-de-açúcar envolve várias etapas. Dentre elas, cabe citar:

• Moagem e Extração do Caldo – A cana é moída diversas vezes com água quente para separação do caldo açucarado do bagaço
• Fermentação – O caldo é fermentado por Saccharomyces cerevisiae, convertendo assim glicose em etanol e CO2, a 30°C e pH 5, por 12 horas, com rendimento de aproximadamente 90,48%
• Destilação e Purificação – O etanol é separado por destilação, atingindo 94% de pureza. Para etanol anidro (99,3%), é necessário um processo adicional de desidratação
• Co-geração de Energia – O bagaço é geralmente queimado em caldeiras para gerar calor e eletricidade, abastecendo a usina. No caso desta produção, é aproveitado para a produção de hidrogênio, aumentando a eficiência da biomassa processada. Dessa forma, o vapor do processo em um ciclo de potência pode ser empregado com a mesma finalidade

Vale ressaltar que a maior parte das usinas de grande escala processa cerca de 2 milhões de toneladas de cana por safra, gerando 170 a 176 milhões de litros de etanol anidro, além de grandes volumes de subprodutos.

Hidrogênio

Além disso, paralelamente, emprega-se a conversão do bagaço para hidrogênio via gaseificação. O bagaço reage com vapor e oxigênio, formando SynGas (gás de síntese), cuja composição pode ser ajustada para maximizar a produção de hidrogênio, através da reação WGS (Water-Gas Shift, ou deslocamento água-gás).

• Secagem e Preparação do Bagaço – O bagaço da cana possui teor de umidade elevado e deve ser seco até atingir 10-15% de umidade antes da gaseificação. Além disso, ele deve passar por um processo de trituração para aumentar a área de contato e melhorar a eficiência da conversão
• Gaseificação – Alimenta-se o bagaço no gaseificador e reage a 800–900°C na presença de vapor d’água e um agente oxidante. O processo converte os componentes lignocelulósicos do bagaço em SynGas (um gás rico em H2 e CO), além de pequenas quantidades de CH4 e alcatrão
• Reação de Deslocamento Água-Gás (WGS) – O gás de síntese passa por uma última etapa de conversão catalítica, onde o CO reage com vapor d’água, formando mais hidrogênio e CO2. Assim, essa reação melhora a proporção de hidrogênio no gás final, aumentando a pureza do produto
• Separação e Purificação – Por fim, separa-se o hidrogênio do gás de síntese através de processos como adsorção por variação de pressão (PSA – Pressure Swing Adsorption) ou membranas seletivas. Essas etapas garantem um hidrogênio de alta pureza (>99,9%), adequado para aplicações industriais e energéticas.

A gaseificação do bagaço combinada com a produção de etanol permite uma utilização eficiente da biomassa, reduzindo desperdícios e ampliando assim as possibilidades de valorização energética dos subprodutos da cana-de-açúcar.

Outras Rotas Produtivas

Além da fermentação convencional em batelada, a fermentação contínua pode aumentar a produtividade do etanol ao manter leveduras ativas por mais tempo, reduzindo custos com insumos e tempo de
processamento. Já a vinhaça, um subproduto líquido da produção de etanol, aproveita-se para a produção de hidrogênio por diferentes vias: sua purificação e eletrólise permitem a geração de hidrogênio verde, enquanto sua biodigestão anaeróbia converte matéria orgânica em biogás,
rico em metano, que sofre purificação para obtenção de hidrogênio por reforma a vapor.
A reforma a vapor do etanol também é uma alternativa promissora para aumentar a produção de hidrogênio, permitindo assim a conversão direta do biocombustível em um gás de alta pureza com menor impacto ambiental do que a reforma de gás natural. Outrossim, a implementação desses processos também auxilia a criar um sistema mais sustentável e eficiente de geração de combustíveis.

Estudos e Simulações

Diversos estudos demonstram o potencial técnico e econômico da produção conjunta de etanol e hidrogênio. A gaseificação do bagaço pode suprir até 30% da demanda nacional de combustíveis sintéticos, enquanto a substituição parcial da queima direta do bagaço por gaseificação poderia elevar o rendimento energético global das usinas de biocombustíveis, reduzindo a dependência de fontes fósseis.
Ademais, outras simulações realizadas no software Aspen HYSYS® demonstraram o potencial da produção de hidrogênio dentro da produção de cana-de-açúcar através do biometano e SynGas.

Obteve-se 11,66 Nm3 de biometano (96,5% CH4), que foi submetido a reforma a vapor do para a produção de SynGas com razão H2/CO de 3. Logo, esses resultados destacam o enorme potencial do setor sucroenergético na diversificação de produtos e na transição para biocombustíveis avançados, maximizando o aproveitamento da biomassa.

Desafios Tecnológicos

Apesar do grande potencial, a co-produção atualmente ainda enfrenta alguns desafios tecnológicos. Dentre eles, cabe citar:

Etanol:

• Conversão da lignocelulose – Tecnologias de hidrólise ainda precisam ser aprimoradas para aumentar a eficiência da conversão de biomassa em açúcares fermentáveis
• Fermentação de pentoses – Microorganismos geneticamente modificados capazes de metabolizar açúcares complexos ainda apresentam baixas taxas de produtividade
• Separação e purificação – A destilação do etanol exige alto consumo energético, e a recuperação do etanol por membranas sofre por isso com incrustações

Hidrogênio:

• Otimização da gaseificação – A operação sob pressão requer plantas de maior porte para viabilidade econômica
• Desenvolvimento de catalisadores – Tecnologias atuais apresentam baixas seletividades, dificultando a conversão eficiente do gás de síntese em hidrogênio
• Escalabilidade e regulamentação – A produção integrada de etanol e hidrogênio ainda precisa de mais estudos em escala industrial, além de licenças ambientais para o uso de resíduos sólidos

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