Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

O cimento é o esqueleto invisível do mundo moderno, o material que mantém nossas cidades unidas. No entanto, o processo de fabricação dele é um grande contribuinte para o aquecimento global. Quando o calcário é aquecido para criar o cimento, ele libera vastas quantidades de dióxido de carbono, um gás de efeito estufa que retém o calor na atmosfera. Para interromper isso, engenheiros desenvolveram formas de capturar esse gás antes que ele escape para o céu. Um dos métodos mais confiáveis envolve lavar os gases de exaustão com um líquido especial que absorve o dióxido de carbono. No entanto, esse líquido eventualmente fica cheio e precisa ser limpo para que possa ser usado novamente. O processo de limpeza exige uma quantidade tremenda de calor, muitas vezes mais do que a fábrica tem disponível para gastar. Se a fábrica não conseguir encontrar calor suficiente para limpar o líquido, o sistema de captura de carbono não poderá funcionar eficientemente, deixando o problema da poluição sem solução.

Ao mesmo tempo, uma vez que o dióxido de carbono é capturado, ele deve ser transformado em líquido para ser enviado para armazenamento. Essa transformação requer o resfriamento do gás para temperaturas extremamente baixas. Ao fazer isso, o maquinário que resfria o gás gera uma grande quantidade de calor residual, que geralmente é apenas descartado no ar. Isso cria um paradoxo frustrante: a fábrica precisa de calor para limpar o líquido, mas o processo de preparação do gás para o transporte joga fora exatamente o tipo de calor de que ela precisa. Pesquisadores da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia e da SINTEF Energy Research propuseram uma maneira de resolver esse quebra-cabeça. Eles sugerem conectar o sistema de resfriamento ao sistema de aquecimento em um ciclo inteligente, transformando um subproduto em um recurso útil.

A equipe focou em uma configuração específica usada em fábricas de cimento onde o dióxido de carbono é capturado e depois liquefeito. Na versão padrão deste processo, o gás é resfriado usando um ciclo de refrigeração que depende de amônia, um refrigerante industrial comum. À medida que a amônia absorve calor do dióxido de carbono para resfriá-lo, a própria amônia fica quente. Em uma planta típica, essa amônia quente é resfriada novamente liberando seu calor no ar circundante, essencialmente jogando fora a energia que acabou de absorver. Os pesquisadores fizeram uma pergunta simples: e se, em vez de descartar esse calor, usássemos ele para limpar o líquido de captura de carbono?

Para fazer isso funcionar, eles projetaram um sistema que atua como um elevador térmico. Eles adicionaram um segundo ciclo à configuração de amônia existente, usando um fluido diferente chamado pentano. O calor da amônia quente do ciclo de resfriamento transfere seu calor para o pentano. Esse calor é suficiente para fazer o pentano ferver e se transformar em um gás. Conforme o gás de pentano é comprimido, ele se torna ainda mais quente. Esse pentano superaquecido é então enviado para a parte da fábrica que precisa limpar o líquido de captura de carbono. Lá, ele cede seu calor, aquecendo o líquido apenas o suficiente para liberar o dióxido de carbono capturado para que o líquido possa ser reutilizado. O pentano então esfria, volta a ser líquido e está pronto para coletar mais calor da amônia, criando um ciclo contínuo.

Os pesquisadores usaram simulações computacionais sofisticadas para testar o quão bem essa ideia funcionaria em um cenário do mundo real. Eles modelaram uma planta que captura um milhão de toneladas de dióxido de carbono a cada ano. Seus cálculos mostraram que este novo sistema poderia recuperar com sucesso uma parte significativa do calor necessário para limpar o líquido. Especificamente, o sistema poderia fornecer cerca de 22 por cento do calor total necessário para o processo de limpeza, se o líquido precisar de uma quantidade padrão de energia para ser regenerado. Se a planta utilizar um tipo de líquido mais eficiente que requer menos calor para começar, o sistema poderia cobrir até 34 por cento da necessidade. Isso significa que a fábrica precisaria queimar muito menos combustível para gerar vapor, economizando dinheiro e reduzindo novas emissões.

O estudo também analisou quanta energia o novo sistema consumiria para operar as bombas e compressores. Embora adicionar o ciclo extra exija alguma eletricidade adicional, o balanço geral é positivo. Os pesquisadores descobriram que o sistema é altamente eficiente em converter o trabalho que realiza em calor útil. Em suas simulações, a configuração alcançou uma classificação de eficiência superior a 57 por cento, o que é um desempenho forte para um sistema que faz dois trabalhos ao mesmo tempo: resfriar o gás e aquecer o líquido. Isso é notavelmente melhor do que o sistema padrão, que apenas resfria o gás e desperdiça o calor. A equipe descobriu que o sistema funciona melhor quando o dióxido de carbono é comprimido a uma pressão específica antes de ser resfriado, um detalidade que permite que a recuperação de calor ocorra na temperatura correta.

Uma das principais vantagens desta abordagem é que ela não depende do clima ou da localização da fábrica. Em muitas partes do mundo, as fábricas de cimento lutam para encontrar calor residual porque as matérias-primas são úmidas e precisam ser secas, o que consome toda a energia térmica disponível. Nesses climas úmidos, o método usual de "roubar" calor de outras partes da fábrica frequentemente falha. Este novo sistema, no entanto, gera seu próprio calor onde ele é necessário, usando a energia do próprio processo de resfriamento. Ele transforma o ato de congelar o dióxido de carbono em uma forma de aquecer o fluido de limpeza, efetivamente reciclando a energia que, de outra forma, seria perdida.

Os pesquisadores reconheceram que construir este sistema exigiria compressores maiores e mais potentes do que os usados em uma planta padrão, o que é um desafio de engenharia significativo. O maquinário precisa lidar com o fluxo do fluido de pentano de forma eficiente sem desperdiçar energia. Eles também observaram que, embora seus resultados sejam baseados em modelos computacionais, a física por trás do design é sólida e baseia-se em princípios estabelecidos da termodinâmica. O estudo sugere que adaptar as plantas de captura de carbono existentes com este sistema de ciclo duplo pode ser um caminho viável, especialmente para instalações que carecem de outras fontes de calor residual. Ao vincular as necessidades de resfriamento e aquecimento da planta, a tecnologia oferece uma maneira de tornar a captura de carbono menos intensiva em energia e mais prática para a indústria de cimento, ajudando a transformar uma grande fonte de poluição em uma parte gerenciável da solução.