O Ministério das Minas e Energia informa que o gás natural respondeu por aproximadamente 12% da oferta de energia no país em 2013, com um aumento de 16% em relação ao ano anterior. Este aumento na oferta, porém, implica necessidade de otimização do armazenamento e do transporte, que pelos métodos convencionais são feitos nas formas do gás liquefeito (GNL) ou comprimido (GNC). Estes custos acabam elevados pela baixa densidade energética do gás natural em condições de temperatura e pressão padrão, quando comparado com combustíveis líquidos derivados do petróleo. Vídeo

Uma alternativa promissora é a do gás natural adsorvido (GNA). Trata-se do desenvolvimento de carvões ativados contendo a maior quantidade possível de poros de dimensões bem pequenas (microporos): um tanque contendo tais adsorventes, em pressões moderadas, possui capacidade de armazenamento bem superior à de um tanque vazio, já que o gás adsorvido tem densidade inferior à de sua fase gasosa. Tese de doutorado neste sentido foi defendida por Manoel Orlando Alvarez Méndez, sob a orientação do professor Antonio Carlos Luz Lisbôa, da Faculdade de Engenheira Química (FEQ) da Unicamp, e coorientação do professor Aparecido dos Reis Coutinho, da Universidade Metodista de Piracicaba (Unimep). A pesquisa teve auxílio da Fapesp.

Em seu estudo, Manoel Méndez produziu carvões ativados a partir de resíduos ou subprodutos da indústria: coque de petróleo (com o qual já havia trabalhado no mestrado), madeira de pinus e casca de macadâmia, ativados física e quimicamente para torná-los adsorventes – ele também testou resíduos da cana-de-açúcar, sem sucesso. “O carvão ativado é semelhante ao normal, com a diferença de possuir microporos que possibilitam reter substâncias em sua superfície. Com ele podemos tanto remover substâncias, como poluentes da água, quanto armazená-las, caso do gás natural, foco da minha pesquisa.”

O autor da tese explica que existe grande limitação no armazenamento do gás natural, que por ocupar muito espaço no estado gasoso, precisa ser pressurizado dentro do reservatório, a exemplo do botijão para uso mais doméstico. “Por ser constituído de uma mistura com grande parte de metano e alguns hidrocarbonetos leves e gases inertes, não é possível realizar a liquefação do gás natural em temperatura ambiente. Para isso, são necessários tanques criogênicos com determinados parâmetros de temperatura e pressão, além de processos de vaporização para a sua utilização final.” 

É o gás natural comprimido (GNC), armazenado em seu estado fluido a pressões ainda mais elevadas, que tem sido a solução utilizada mundialmente, mas que apresenta sérios inconvenientes. “Os tanques são extremamente pesados devido à espessura das paredes de metal (a relação é de um quilo de aço para cada litro de gás armazenado) e há necessidade de processos com múltiplos estágios de compressão, pouco viáveis economicamente. Além disso, um reservatório de gás inflamável a alta pressão traz um risco potencial à segurança pessoal e de instalações.” 

Segundo Méndez, apenas recentemente surgiram as pesquisas visando o armazenamento do gás natural na forma adsorvida, tratando-se, portanto, de uma tecnologia em desenvolvimento. “Com esta tecnologia, o gás pressurizado é adsorvido na superfície do carvão ativado, como se liquefizesse. Sob uma pressão moderada (em torno de 20% da empregada para GNC), a capacidade de armazenamento do tanque aumenta na mesma proporção e, por isso, tenta-se obter um carvão o mais poroso possível. Por exigir pressões bem menores, o GNA permite a utilização de reservatórios mais leves e seguros, com um único estágio de compressão, além de geometrias melhores que a do cilindro: no carro, por exemplo, pode ter a forma do fundo do porta-malas.”

Temperatura do tanque

No caminho inverso da armazenagem, a pressão é reduzida e o gás vai sendo liberado para utilização. E o autor da tese afirma que o foco principal esteve justamente em investigar possíveis problemas decorrentes deste processo de adsorção e dessorção. “No fenômeno da adsorção, em que o gás se liquefaz, é liberado muito calor e a temperatura do tanque tende a aumentar, dificultando o armazenamento; e, na liberação, a temperatura do tanque diminui e o gás pode ficar retido na superfície do carvão, perdendo-se em capacidade.”

Méndez iniciou a pesquisa buscando materiais compatíveis com esta tecnologia e também estudou outros, inclusive o carvão ativado importado, visando comparações em termos de porosidade e capacidade de armazenamento. “Feitos os ensaios, recorremos à simulação computacional para medir o aumento e a diminuição da temperatura para cada tipo de carvão. Constatamos que, dependendo das suas propriedades, há um efeito negativo na quantidade armazenada. Mas isso pode ser melhorado com modificações na geometria do tanque, sendo que a estrutura porosa e a condutividade térmica dos materiais utilizados também possibilitam a remoção de calor.”

Em suas conclusões, Manoel Méndez elege esta tecnologia envolvendo carvões ativados como bastante promissora, carecendo de mais desenvolvimento e de incentivo. “Até cinco anos atrás, tínhamos a parceria da Petrobras, que pretendia utilizar a tecnologia em tanques de grande porte, como para transporte de gás natural em navios. Devido a mudanças estratégicas, a empresa decidiu interromper a linha de pesquisa, mas acredito que em algum momento vai retomá-la. De qualquer forma, esses carvões ativados possuem diversas outras utilidades, como para purificação de gases ou remoção de poluentes da atmosfera e da água (no caso de derramamento de petróleo, por exemplo).”

O autor considera que sua pesquisa teve o mérito de demonstrar que o uso da biomassa (madeira de pinus e casca de macadâmia), além da maior disponibilidade, apresenta valores de massa específica e de densidade de empacotamento superiores aos do coque de petróleo. E que a casca de macadâmia, especificamente, possui densidades maiores que da madeira de pinus, além de porosidades da mesma ordem de grandeza, sendo a matéria-prima preferencial para a produção de carvão ativado. 

Defendida a tese de doutorado, Manoel Méndez, como professor da Unimep, prossegue trabalhando com os carvões ativados produzidos no Laboratório de Materiais Carbonosos (LMC) daquela instituição, agora visando a remoção de substâncias farmacêuticas da água. De lá vieram os materiais utilizados para a tese apresentada na Unicamp, onde o autor desenvolveu a parte de simulação computacional e de ensaios de transferência de calor. “Lá atrás, a ideia original era usar esta tecnologia em carros movidos a gás, a fim de reduzir a pressão no cilindro e torná-lo menos perigoso. Depois surgiram todas essas possibilidades.”

Consumo teve crescimento acentuado a partir dos anos 1980

A tese de doutorado de Manoel Orlando Alvarez Méndez traz informações dando conta de um crescimento considerável do uso de gás natural (GN) desde o início da década de 1980, principalmente pelos custos de produção e de comercialização inferiores aos de combustíveis derivados do petróleo (gasolina, diesel e óleo combustível). O consumo anual de GN no Brasil, em 2013, foi de 36,8 bilhões de metros cúbicos, equivalente a 1,1% do consumo mundial de 35 trilhões de metros cúbicos.  

Outra causa do aumento no consumo apontada pelo autor é o interesse na redução de emissão de poluentes na atmosfera, visto que o gás natural possui combustão “mais limpa” quando comparado aos combustíveis convencionais. Os índices de emissão apresentam reduções de até 100% no caso do benzeno, 92% de compostos orgânicos voláteis, 83% de dióxido de enxofre, 40% de monóxido de carbono, 25% de dióxido de carbono e 10% de óxidos nitrosos, sendo praticamente livre de particulados. 

Méndez observa que a maior utilização pelos setores da indústria e de geração de energia se deve ao fato de o gás natural ser um combustível gasoso e ambientalmente atrativo, principalmente em países onde governos têm implementado políticas de redução de gases de efeito estufa, pois apresenta baixa emissão de carbono em comparação ao óleo e carvão mineral. Entretanto, o GN ainda é mais usado para combustão em aplicações estacionárias, a exemplo do aquecimento de interiores; para processos dinâmicos, como em veículos, a aplicação é limitada pela baixa densidade energética devida à sua natureza gasosa. 

Publicação

Tese: “Estudo da dinâmica de adsorção/dessorção de gás natural em carvão ativado em tanques de armazenamento”

Autor: Manoel Orlando Alvarez Méndez

Orientador: Antonio Carlos Luz Lisbôa

Coorientador: Aparecido dos Reis Coutinho

Unidade: Faculdade de Engenheira Química (FEQ) 

Financiamento: Fapesp.