Otimização técnico-econômica e ambiental da cadeia de produção e do uso final do hidrogênio de origem renovável em Minas Gerais | Technical, economic and environmental optimization of the production chain and end use of renewable hydrogen in Minas Gerais

Renewable hydrogen has been consolidated as a key energy vector for decarbonizing emission- intensive sectors. This work addresses the technical, economic and environmental feasibility of hydrogen production. To this end, mixed integer linear programming (MILP) modeling was used, implemented in LINGO 20® software, considering capital investments, operating costs, raw material costs, transportation costs and associated emissions. The main economic indicators were analyzed, such as net present value (NPV), discounted payback and minimum sales price, in order to assess the risks and financial attractiveness of the projects. The study considered four technological routes for the production of renewable hydrogen: ethanol steam reforming (Ethanol_ESR), proton exchange membrane electrolysis (PEM_Electrolysis), biomethane reforming from vinasse (Vinasse_BD_SMR) and gasification of woody biomass (GS_WGS). In the first article, with an estimated demand of 57,751.76 t/year for the refining sector, the results indicated that the routes based on agro-industrial waste and biomass (GS_WGS and Vinasse_BD_SMR) were the most economically competitive, with an internal rate of return (IRR) of over 35%, payback of approximately 3 years and sales prices comparable to gray hydrogen. On the other hand, the Ethanol_ESR and PEM_Electrolysis routes presented greater financial challenges, with electrolysis being the most costly in terms of initial investment, with an IRR of 9% and a payback of 14 years. Ethanol_ESR, although with a lower investment, had its attractiveness reduced by the high cost of ethanol, resulting in a payback of 7 years. The sensitivity analysis showed that the waste-based routes were less vulnerable to market fluctuations. In the second article, aimed at producing renewable ammonia with a demand of 200,000 t/year, the results reinforced the critical influence of the choice of raw material on final costs. The Ethanol_ESR technology required the least investment (286 M$), but faced limitations due to the high cost of ethanol. On the other hand, the PEM_Eletrolise technology required the largest investment (645 M$) and showed the slowest return, with a payback of 8 years. The vinasse-based route (Vinasse_BD_SMR) stood out for having the lowest raw material cost and high environmental sustainability. GS_WGS, on the other hand, although economically viable, presented logistical obstacles related to the dispersal of biomass. The sensitivity analysis showed that the minimum sales price and the rate of return are decisive factors for financial viability, especially in scenarios with high operating costs. From an environmental point of view, both applications resulted in a negative balance of CO2 emissions, with significant reductions estimated at 462,000 tCO2eq/year in the refining sector and 580,000 tCO2eq/year in ammonia production, representing approximately 13% of total emissions from the nitrogen fertilizer sector in Brazil. These results reinforce the strategic role of renewable hydrogen in the transition to a low-carbon economy. It is concluded that the valorization of agro-industrial waste and the use of regional biomass, combined with logistical optimization and the support of public policies, are fundamental pillars for the technical and economic viability of sustainable production chains based on renewable hydrogen.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)

O hidrogênio renovável tem se consolidado como um vetor energético fundamental para a descarbonização de setores intensivos em emissões. Este trabalho aborda a viabilidade técnico- econômica e ambiental da produção de hidrogênio. Para isso, empregou-se a modelagem por programação linear inteira mista (MILP), implementada no software LINGO 20®, considerando investimentos de capital, custos operacionais, de matéria-prima, transporte e emissões associadas. Foram analisados os principais indicadores econômicos, como valor presente líquido (VPL), payback descontado e preço mínimo de venda de hidrogênio e amônia, com o objetivo de avaliar os riscos e a atratividade financeira dos projetos. O estudo considerou quatro rotas tecnológicas para a produção de hidrogênio renovável: reforma a vapor de etanol (Etanol_ESR), eletrólise com membrana de troca de prótons (PEM_Eletrólise), reforma de biometano oriundo da vinhaça (Vinhaça_BD_SMR) e gaseificação de biomassa lenhosa (GS_WGS). O trabalho foi estruturado em dois artigos: No primeiro artigo, com uma demanda estimada de 57.751,76 t/ano para o setor de refino de petróleo, os resultados indicaram que as rotas baseadas em resíduos agroindustriais e biomassa (GS_WGS e Vinhaça_BD_SMR) foram as mais competitivas economicamente, com taxa interna de retorno (TIR) superior a 35%, payback de aproximadamente 3 anos e preços de venda comparáveis ao hidrogênio cinza. Em contrapartida, as rotas Etanol_ESR e PEM_Eletrolise apresentaram maiores desafios financeiros, sendo a eletrólise a mais onerosa em termos de investimento inicial, com TIR de 9% e payback de 14 anos. A rota Etanol_ESR, embora com menor investimento, teve sua atratividade reduzida pelo alto custo do etanol, resultando em payback de 7 anos. A análise de sensibilidade demonstrou que as rotas baseadas em resíduos apresentaram menor vulnerabilidade frente às flutuações de mercado. No segundo artigo, voltado à produção de amônia renovável com demanda de 200.000 t/ano, os resultados reforçaram a influência crítica da escolha da matéria-prima sobre os custos finais. A tecnologia Ethanol_ESR exigiu o menor investimento (286 M$), mas enfrentou limitações devido ao custo elevado do etanol. Por outro lado, a tecnologia PEM_Eletrolise demandou o maior investimento (645 M$) e apresentou o retorno mais lento, com payback de 8 anos. A rota baseada na vinhaça (Vinhaça_BD_SMR) destacou-se por apresentar o menor custo de matéria-prima e elevada sustentabilidade ambiental. Já a GS_WGS, embora economicamente viável, apresentou entraves logísticos relacionados à dispersão da biomassa. A análise de sensibilidade evidenciou que o preço mínimo de venda e a taxa de retorno são fatores decisivos para a viabilidade financeira, sobretudo em cenários com alto custo operacional. Do ponto de vista ambiental, ambas as aplicações resultaram em balanço negativo de emissões de CO2, com reduções expressivas estimadas em 462.000 t CO2 eq/ano no setor de refino e 580.000 t CO2 eq/ano na produção de amônia, representando aproximadamente 13% das emissões totais do setor de fertilizantes nitrogenados no Brasil. Esses resultados reforçam o papel estratégico do hidrogênio renovável na transição para uma economia de baixo carbono. Conclui-se que a valorização de resíduos agroindustriais e o aproveitamento de biomassas regionais, associados à otimização logística e ao suporte de políticas públicas, constituem pilares fundamentais para a viabilização técnico- econômica de cadeias produtivas sustentáveis baseadas em hidrogênio renovável.

Arquivo retido a pedido da autoria, até setembro de 2026.

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