Avaliação do potencial, impactos e viabilidade econômica da produção de hidrogênio renovável no Estado do Paraná : uma análise dos recursos de biomassa, solar e eólico

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Risso Errera

Coorientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva Lora

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Defesa : Curitiba, 21/06/2024

Inclui referências

Resumo: A transição energética dos combustíveis fósseis para fontes renováveis tem sido destacada pelo Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas (IPCC) como o principal caminho para reduzir as emissões de gases de efeito estufa, mitigando o aquecimento global e suas consequências nas mudanças climáticas globais, em referência à era pré- industrial. Este processo, denominado "descarbonização da matriz energética", busca lidar com a intermitência e distribuição espacial da energia solar e eólica, bem como a variabilidade de suprimento e tipos de biomassa para produção de eletricidade. Projeta-se que até 2050, o hidrogênio desempenhará um papel crucial na integração, equilíbrio e armazenamento dessas fontes de energia. Utilizando recursos energéticos solares, eólicos e de biomassa, o hidrogênio pode ser produzido como uma alternativa à geração direta de eletricidade. Assim, a avaliação do potencial teórico e técnico para a produção de hidrogênio pode muito contribuir para planejar a transição energética comprometida pelos países. Este trabalho investiga o potencial de produção de hidrogênio renovável no estado do Paraná, Brasil, utilizando três abordagens: gaseificação de biomassa, eletrólise utilizando energia solar e eletrólise utilizando energia eólica. A metodologia adotada inclui a estimativa dos potenciais teórico e técnico a partir da irradiância solar, velocidade média do vento, geração de resíduos de biomassa agroflorestal e fatores de conversão para diversas rotas e tecnologias conhecidas. Os dados foram coletados da literatura e de registros públicos e processados em software desenvolvido na linguagem Python. No Capítulo 3, são detalhados os materiais e métodos utilizados, destacando o potencial de produção de hidrogênio no Centro Oriental do Paraná através da gaseificação de biomassa, e no Norte Pioneiro, utilizando eletrólise tanto com energia solar quanto eólica. No Capítulo 4, a análise de impactos econômicos, ambientais e sociais é apresentada, abrangendo uma amplitude de 10% a 20% nas emissões de gases de efeito estufa. No Capítulo 5, a viabilidade econômica é discutida, considerando a variabilidade regional e estimando um custo de produção entre R$ 10,00 e R$ 15,00 por kg de hidrogênio. Os resultados mostram que o Paraná possui um potencial significativo para a produção de hidrogênio renovável, com uma média de 94,00 toneladas/km²/ano de hidrogênio a partir de projetos solares fotovoltaicos, 47,70 toneladas/km²/ano de usinas eólicas e 26,65 toneladas/km²/ano de resíduos de biomassa. As regiões de maior potencial são o Norte Pioneiro, devido à energia solar e eólica, e o Centro Oriental, devido aos resíduos de biomassa. A produção estimada totaliza 4.700 toneladas por ano, demonstrando a viabilidade econômica e sustentabilidade da produção de hidrogênio renovável no estado do Paraná, Brasil.

Abstract: The energy transition from fossil fuels to renewable sources has been highlighted by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) as the primary pathway to reduce greenhouse gas emissions, mitigating global warming and its consequences on global climate change. This process, known as "decarbonization of the energy matrix,"aims to address the intermittency and spatial distribution of solar and wind energy, as well as the variability in supply and types of biomass for electricity production. It is projected that by 2050, hydrogen will play a crucial role in integrating, balancing, and storing these energy sources. By utilizing solar, wind, and biomass energy resources, hydrogen can be produced as an alternative to direct electricity generation. Therefore, the assessment of the theoretical and technical potential for hydrogen production is essential for planning the energy transition committed by countries. This study investigates the potential for renewable hydrogen production in the state of Paraná, Brazil, using three approaches: biomass gasification, electrolysis using solar energy, and electrolysis using wind energy. The methodology includes estimating the theoretical and technical potentials based on solar irradiance, average wind speed, agroforestry biomass waste generation, and conversion factors for various routes and known technologies. Data were collected from literature and public records and processed using software developed in the Python language. Chapter 3 details the materials and methods used, highlighting the hydrogen production potential in the Eastern Center of Paraná through biomass gasification, and in the Northern Pioneer using electrolysis with both solar and wind energy. In Chapter 4, the analysis of economic, environmental, and social impacts is presented, covering a range of 10% to 20% in greenhouse gas emissions. Chapter 5 discusses the economic viability, considering regional variability and estimating a production cost between R$ 10,00 and R$ 15,00 per kg of hydrogen. The results show that Paraná has significant potential for renewable hydrogen production, with an average of 94.00 tons/km²/year of hydrogen from photovoltaic solar projects, 47.70 tons/km²/year from wind farms, and 26.65 tons/km²/year from biomass waste. The regions with the highest potential are the Northern Pioneer, due to solar and wind energy, and the Eastern Center, due to biomass waste. The estimated production totals 4,700 tons per year, demonstrating the economic viability and sustainability of renewable hydrogen production in the state of Paraná, Brazil.