Uma “gaiola” para aprisionar gás carbônico

Ao ser extraído dos poços o petróleo vem acompanhado de uma mistura de gás carbônico (CO2) e hidrocarbonetos gasosos, particularmente o metano (CH4), ambos poluentes atmosféricos, e que normalmente hoje são reinjetados nos poços o que encarece o processo. O ideal seria que esses dois principais componentes gasosos fossem recolhidos e separados para que o metano pudesse ser utilizado como combustível e o gás carbônico armazenado convenientemente.

Esse é o escopo dos estudos que vêm sendo realizados por um grupo de pesquisadores da Unicamp e da USP. No caso, a ideia envolve a formação de hidratos de gases, em que a água solidificada retém em seus interstícios os gases em questão. A estrutura cristalina formada, que se assemelha ao gelo, tem grande capacidade de armazenamento de gases: um litro de hidrato de metano, por exemplo, pode conter aproximadamente 168 litros desse gás.

Na sequência, dessas estruturas cristalinas - obtidas em condições de pressão e temperatura adequadas - pode-se separar o metano para utilização como combustível e manter aprisionado o gás carbônico. Restariam, então, duas possibilidades para descartes de hidratos de gás carbônico: eles seriam depositados ou nos poços ou no fundo do mar, em que a baixa temperatura (4 graus Celsius) e alta pressão os manteriam definitivamente estáveis.

O projeto que teve como objetivo a captura e armazenamento de dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4), através do processo de produção de hidratos dos gases, foi coordenado pelo professor Song Won Park, do Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP e teve a coordenação técnica do professor José Roberto Nunhez, do Departamento de Engenharia de Processos da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Unicamp. O estudo contou com a colaboração de orientados dos dois docentes: pela Escola Politécnica, de Adriano Ferreira de Mattos Silvares (pós-doutorando), João Pedro Ferreira del Pintor e Vitor Hideyo Isume (mestrandos); pela Unicamp, dos pós-doutorandos Lucídio Cristóvão Farderlone e Daniela da Silva Damaceno, da doutoranda Nayla Xiomara lozada Gardia e da mestranda Aglaer Nasia Cabral Leocádio.

Este estudo, desenvolvido no âmbito da cláusula de participação especial da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), é patrocinado pela Petrogal Brasil, que participa ativamente na coordenação técnica através de Carlos Augusto e Marcella Mathias, que atuam nos projetos . 

Para os estudos experimentais iniciais foi utilizada um sistema de bancada para a produção de hidratos de gás, construída em Portugal, baseada em tecnologia patenteada pelo Laboratório de Separação e Engenharia de Reação, da Faculdade de Engenharia do Porto (FEUP) e produzido pela empresa Paralab.  

No minirreator NETmix ®, componente do equipamento, tanto a água quanto os gases entram em contato uns com os outros e produzem os hidratos de gás em pressão e temperatura adequadas. Os auspiciosos resultados iniciais levaram à construção, pela mesma empresa, de um equipamento piloto com capacidade dez vezes maior, já testado pela FEUP, e que está vindo para a Unicamp. Esses dois equipamentos foram os primeiros a serem construídos no mundo especificamente para a produção de hidratos, embora de longa data se utilizem na Europa o NETmix para vários outros processamentos.

Os diferenciais

O professor Nunhez explica que a utilização de hidratos é antiga. O projeto teve como objetivo propor uma solução real, concreta e rápida para a captura de CO2 e purificação de CH4 , utilizando instalações industriais de dimensões reduzidas em plataformas marinhas. Os hidratos se formam a baixas temperaturas, mas durante o processamento há grande liberação de calor que exige remoção mais rápida possível para que o processo continue e acelere. Nos tanques de mistura, que seriam uma opção para a produção de hidratos, a remoção do calor é lenta e pode demandar horas, diferentemente do processo proposto em que a formação do hidrato se dá em segundos.

Com efeito, nos tanques à medida em que há aumento de suas quantidades diminui a capacidade de troca térmica. Um dos maiores problemas na obtenção de hidratos é a alta energia liberada na sua formação. É sobejamente mencionado na literatura específica que, com o aumento de escala nos tanques de mistura, a energia não é liberada com a mesma eficiência com que ocorre em tanques menores visto que o escalonamento diminui a relação entre a área de troca térmica e o volume em que ocorre a transformação. Diferentemente, o novo processo utiliza uma tecnologia que garante o mesmo nível de troca térmica mesmo com o aumento de escala.

O grande diferencial dos equipamentos propostos, cujo reator consiste em uma rede de misturadores estáticos, é que eles possuem estruturas que permitem que o fluxo de água e gases introduzidos se divida diversas vezes, permitindo maior contato entre eles. Nessa tecnologia os equipamentos, na troca térmica, têm características de micro misturadores. Dependendo do escalonamento da produção basta aumentar o número de misturadores, processo que facilita a dissipação do calor necessária à formação dos hidratos. Ou seja, adicionam-se progressivamente misturadores para que a produção de hidratos ocorra de acordo com o fluxo dos gases a serem processados.

Outra vantagem do sistema é sua instalação compacta quando comparada com tanques de mistura. Ou seja, a área ocupada passa a ser menor e o processo é continuo. Naturalmente os hidratos de gás carbônico e metano precisam ser retirados à medida que se formam para posterior separação dos gases de forma a ter apenas os hidratos de gás carbônico.

Na verdade, esclarece Nunhez, a ideia é retirar primeiro o hidrocarboneto, no caso o metano, e manter o hidrato de gás carbônico: “Como os hidratos desses gases têm estabilidades diferentes, o metano pode ser liberado preferencialmente. Essa separação ainda está sendo estudada e, embora não trivial, envolve um problema que pode ser resolvido pela engenharia química valendo-se do que se chama equilíbrio termodinâmico”.

Essa, em síntese, é a ideia do projeto em andamento. Nos testes já realizados foram obtidos hidratos com a mistura de CO2 e CH4 - utilizados na mesma proporção em que se encontram nos poços de petróleo - e, separadamente, de hidratos de CO2. Resultados similares foram obtidos com o emprego de água marinha, de composição salina, e que poderiam inibir a formação de hidratos.

O docente credita a atribuição do prêmio aos resultados muito animadores conseguidos e ao potencial mundial da tecnologia desenvolvida. A propósito ele conclui: “Mostramos que a tecnologia funciona e traz um grande avanço em termos de inovação tecnológica porque viabiliza um processo continuo a uma velocidade incomparável em relação ao que ocorre em um processo de bateria em que os hidratos se formam no decorrer do tempo”.

Em 2019, o trabalhou venceu o Prêmio ANP de Inovação Tecnológica, concedido em cinco categorias em sua sexta edição. Tem como objetivo reconhecer os resultados alcançados por projetos de pesquisa, desenvolvimento e Inovação (PD&I) que representam inovação tecnológica para o setor de petróleo, gás natural e biocombustíveis desenvolvidos no Brasil por instituições de pesquisa credenciadas pela Agência, com recursos provenientes dos contratos de exploração e produção. O prêmio recebido pelos pesquisadores da Unicamp e da USP insere-se na categoria I: “Exploração e Produção de Petróleo e Gás”.