Life Cycle Assessment of Waste Oil-to-Jet Fuel Production via the HEFA Process with Integrated Co-generation

Resumo Técnico: Avaliação do Ciclo de Vida da Produção de Combustível de Aviação a partir de Óleo Residual via Processo HEFA com Cogeração Integrada

Definição do Problema
A produção de Combustível Sustentável de Aviação (SAF) a partir de óleos residuais via o processo de Hidroprocessamento de Ésteres e Ácidos Graxos (HEFA) enfrenta atualmente desafios relacionados à sua dependência de eletricidade externa e hidrogênio, o que pode comprometer sua sustentabilidade ambiental global. À medida que o setor energético global transita para a descarbonização, há uma necessidade crítica de avaliar quantitativamente como a integração de cogeração (calor e energia combinados) e a substituição das fontes de hidrogênio afetam o desempenho ambiental do ciclo de vida da produção de SAF. Este estudo aborda a lacuna na compreensão dos compromissos (trade-offs) entre as vias convencionais de HEFA e um sistema integrado HEFA-PG (Energia e Gás) sob cenários de transição energética futura, especificamente no contexto do panorama evolutivo da rede elétrica e do hidrogênio na China.

Metodologia
O estudo emprega uma Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) do Berço ao Túmulo, seguindo a estrutura ISO 14040. A unidade funcional é definida como a produção de 100 toneladas de combustível de aviação bio-baseado.

• Limites do Sistema: A análise abrange a coleta e o transporte de óleo residual, o pré-tratamento, a produção (hidrogenação e hidroprocessamento), a distribuição e o uso final. Duas vias são modeladas: um processo HEFA convencional e um processo HEFA-PG integrado com uma unidade de cogeração (CHP - calor e energia combinados).
• Simulação e Dados: Simulações de processo foram conduzidas utilizando o Aspen Plus para determinar os fluxos de matéria e energia. Os dados do Inventário do Ciclo de Vida (ICV) foram compilados com base nessas simulações e parâmetros regionais para a região de Pequim-Tianjin-Hebei.
• Avaliação de Impacto: O método ReCiPe 2016 foi utilizado para avaliar os impactos ambientais em seis indicadores de ponto médio (Potencial de Aquecimento Global [GWP], Potencial de Formação de Material Particulado [PMFP], Potencial de Acidificação Terrestre [TAP], Potencial de Eutrofização de Água Doce [FEP], Potencial de Toxicidade Humana [HTP] e Potencial de Esgotamento de Combustíveis Fósseis [FFP]) e três indicadores de ponto final (Disponibilidade de Recursos, Diversidade de Ecossistemas e Saúde Humana).
• Alocação e Cenários: A alocação baseada em massa foi aplicada ao processo HEFA convencional para subprodutos, enquanto o processo HEFA-PG utilizou uma abordagem de carga evitada para a eletricidade gerada internamente. Análises de sensibilidade foram realizadas para projetar o desempenho ambiental sob cenários de descarbonização da rede elétrica (2030–2060) e para comparar o hidrogênio por reforma de gás natural com o hidrogênio eletrolítico movido a energia eólica.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo fornece uma análise comparativa dos ônus ambientais do HEFA convencional, do HEFA-PG integrado e do querosene de aviação de origem fóssil.

1. Desempenho do HEFA-PG vs. HEFA Convencional:

   • O processo HEFA-PG demonstra vantagens ambientais significativas sobre a rota HEFA convencional. Ao gerar eletricidade verde interna, o sistema HEFA-PG alcança uma redução líquida de GWP para aproximadamente 66% da linha de base do HEFA convencional.
   • A etapa de cogeração integrada fornece um efeito de compensação de cerca de 35% para os indicadores FEP, HTP e FFP.
   • Em termos de formação de ozônio, o processo HEFA-PG reduz as contribuições de 80% (no HEFA convencional) para aproximadamente 10%, mitigando significamente a formação de ozônio ao nível do solo.

2. Comparação com o Querosene de Aviação Fóssil:

   • Ambas as vias de combustível de aviação bio-baseado exibem um desempenho ambiental muito superior em comparação ao querosene de aviação fóssil. O GWP das vias HEFA e HEFA-PG é reduzido para 13,3% e 7,2%, respectivamente, em relação à linha de base fóssil.
   • A via HEFA-PG apresenta o menor ônus ambiental em todas as categorias, incluindo TAP e PMFP, seguida pelo HEFA, sendo o combustível fóssil o mais elevado.

3. Impacto da Descarbonização da Rede Elétrica (2030–2060):

   • À medida que a rede elétrica se torna mais limpa, o GWP do processo HEFA convencional declina gradualmente devido à menor intensidade de carbono na eletricidade adquirida.
   • Por outro lado, a vantagem de GWP do processo HEFA-PG diminui ao longo do tempo. Com a descarbonização da rede, o benefício de crédito de carbono pelo deslocamento da eletricidade da rede diminui, fazendo com que o GWP do HEFA-PG acabe superando o do HEFA convencional até 2060.
   • No entanto, o processo HEFA-PG mantém uma vantagem robusta em POFP (reduções >80%) e permanece menos sensível às mudanças da rede em relação ao HTP, pois seu ônus de toxicidade está concentrado na logística de matéria-prima e na produção de hidrogênio, e não na geração de eletricidade.

4. Substituição por Hidrogênio Verde:

   • A substituição do hidrogênio por reforma de gás natural por hidrogênio eletrolítico movido a vento reduz ainda mais o GWP para ambas as vias.
   • Compromisso Crítico: Apesar dos benefícios de carbono, o hidrogênio eletrolítico leva a um Potencial de Toxicidade Humana (HTP) mais de quatro vezes superior ao da reforma de gás natural. Esse aumento é atribuído principalmente aos impactos ambientais associados aos rejeitos de sulfeto fora do local, gerados durante a fabricação de equipamentos de energia eólica.
   • Sob as condições técnicas atuais, o hidrogênio por reforma de gás natural apresenta um desempenho ambiental mais equilibrado dentro do sistema HEFA-PG. Os inconvenientes de toxicidade do hidrogênio eletrolítico só podem ser mitigados através de uma fabricação mais limpa de equipamentos eólicos ou de uma revisão da alocação de ônus ambientais entre os coprodutos.

Significância e Alegações
O artigo alega que o processo HEFA-PG é um design altamente eficaz para transições de curto a médio prazo, oferecendo substanciais benefícios de redução de emissões através da eletricidade cogenerada. Contudo, o estudo enfatiza que a superioridade ambiental de longo prazo deste sistema integrado é dependente do ritmo de descarbonização da rede elétrica.

Além disso, a pesquisa destaca uma nuance crítica na adoção do hidrogênio "verde": embora o hidrogênio movido a vento reduza as pegadas de carbono, ele pode inadvertidamente aumentar os riscos de toxicidade humana devido aos impactos de fabricação upstream. Consequentemente, os autores afirmam que, sob as restrições tecnológicas atuais, a reforma de gás natural permanece como a fonte de hidrogênio ambientalmente mais equilibrada para a produção de SAF. O estudo identifica a coleta/transporte de matéria-prima e a produção de hidrogênio como os principais pontos críticos (hotspots) ambientais, sugerindo que as melhorias futuras devem focar na fabricação mais limpa de equipamentos eólicos e em estratégias otimizadas de alocação de coprodutos para realizar plenamente o potencial do hidrogênio verde no setor de SAF.