Temas de Dissertação. Programa de Pós-graduação em Engenharia Química da Universidade Federal Fluminense. Lisiane Veiga Mattos

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1 Temas de Dissertação Programa de Pós-graduação em Engenharia Química da Universidade Federal Fluminense Lisiane Veiga Mattos

2 Temas de Dissertação 1) Produção de hidrogênio para células a combustível do tipo PEM a partir de líquidos derivados de biomassa (etanol) 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do biogás (gás natural não convencional) 3) Produção de gás natural a partir da hidrogenação do CO 2 4) Geração de energia a partir de células a combustível do tipo SOFC 5) Produção de combustíveis líquidos (gasolina, diesel) a partir de biomassa 6) Monitoramento tecnológico e análise de ciclo de vida de processos para a geração de energia a partir de fontes renováveis

3 Emissão de CO 2 Efeito Estufa

4 Produção de hidrogênio para células a combustível a partir de bio-etanol

5 Células a combustível do tipo PEM (eletrólito é uma membrana polimérica) Operam em baixas temperaturas Combustível H 2 puro (teor de CO < 10 ppm) etapas adicionais de purificação Anodo: H 2 2H + + 2e - Catodo: 4H + + O e - 2 H 2 O

6 1) Produção de hidrogênio para células a combustível a partir de bio-etanol Uso do bio-etanol como combustível alternativa interessante redução do efeito estufa menor toxidade que os combustíveis convencionais no caso específico do Brasil existência de uma infra-estrutura bem estabelecida para a sua produção e distribuição

7 1) Produção de hidrogênio para células a combustível a partir de líquidos derivados de biomassa (etanol) Reforma + purificação Bio-etanol Célula a combustível Rede

8 1) Produção de hidrogênio para células a combustível a partir de líquidos derivados de biomassa (etanol) Principal Desafio Desenvolvimento de catalisadores para a reforma do bio-etanol resistentes à perda de atividade e que apresentem alto rendimento para H 2 sem a formação de subprodutos

9 Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás

10 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás Gás associado do pré sal principais componentes: CO 2 e CH 4 > 30% no pré-sal!

11 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás Gás natural associado Conversão em hidrogênio

12 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás BIOGÁS Produzido pela Fermentação anaeróbica Biogás Efluente Processo biológico no qual um consórcio de diferentes microrganismos promove a transformação de compostos orgânicos complexos em produtos mais simples, como metano e gás carbônico Substrato Matéria orgânica Reator Bactérias fermentativas Biogás + Biofertilizante Efluente

13 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás BIOGÁS Mistura de gases cuja composição varia de acordo com o substrato e condições de funcionamento do processo da digestão

14 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás Alternativas para aproveitamento destas misturas gasosas: (a) reação entre CO 2 e CH 4 (reforma seca do metano) para a geração de hidrogênio puro, usando reatores de membranas Fuel + air Gás associado Natural gas ou biogás + H 2 O etanol Permeate (incl. H 2 ) Heat Combustion Heat Flue gas Retentate CH 4 +H 2 O CO+3H 2 CO+H 2 O CO 2 +H 2 CO 2, H 2 O, Membrane (H 2, CO, CH 4 ) H 2 H 2 H 2 H 2 Sweep Remoção do hidrogênio desloca o equilíbrio (conversões maiores a menor temperatura)

15 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás reatores com membranas x tecnologia tradicional Gás associado ou biogás Intensificação de processos Low-CO 2 flue gas CO 2 to cleanup and compression Heat recovery steam generator Natural gas H 2 O Heat Membrane reactor H 2, H 2 O H 2 O Air GT turbine GT compressor ~ Generator

16 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás Desafios (i) desenvolvimento de catalisadores com bom desempenho nas condições de operação; (ii) obtenção de membranas que sejam resistentes as condições de reação (alta temperatura, presença de água), sem a formação de fissuras que comprometeriam a sua seletividade, e que tenham um fluxo de hidrogênio adequado

17 Unidade para produção de membranas e reforma seca do metano Laboratório de energia, materiais e meio ambiente LEMMA/UFF

18 2) Produção de hidrogênio e gás de síntese a partir do gás associado do pré-sal e do bio-gás Alternativas para aproveitamento destas misturas gasosas: (b) reação entre CO 2 e CH 4 (reforma seca do metano) visando a geração de gás de síntese para: produção de combustíveis líquidos (tecnologia GTL) CO 2 + CH 4 Tecnologia GTL Geração de gás de síntese Síntese de Fischer-Tropsch Hidrocraqueamento Desenvolvimento de catalisadores Produtos comerciais

19 Produção de gás natural a partir da hidrogenação do CO 2

20 3) Produção de gás natural a partir da hidrogenação do CO 2 Biogás ou gás associado H 2 Reformador CH 4 H 2 /CH 4 3H 2 + CO 2 CH 4 + H 2 O

21 3) Produção de gás natural a partir da hidrogenação do CO 2 Principal Desafio Desenvolvimento de catalisadores para a reação de hidrogenação do CO 2 que sejam resistentes à perda de atividade e que apresentem alto rendimento

22 Geração de energia a partir de células a combustível do tipo SOFC

23 4) Geração de energia a partir de células SOFC Gás associado, Bio-etanol biogás, etanol Anodos interface entre o combustível e o eletrólito boa condutividade eletrônica e iônica boa atividade catalítica para a reforma do combustível alta estabilidade nas condições de operação

24 4) Geração de energia a partir de células SOFC Principal desafio desenvolver anodos resistentes à desativação A maior parte dos trabalhos estuda o uso de metano como combustível Uso de métodos de preparo alternativos obtenção de materiais com alta condutividade contendo menores teores de Ni Uso de anodos constituídos por materias alternativos: óxidos mistos a base de cério e de perovskitas boa atividade catalítica e condutividade mista (eletrônica e iônica)

25 Produção de combustíveis líquidos a partir da biomassa

26 5) Produção de combustíveis líquidos a partir de biomassa Burner Cyclone Char Colection Quench System BioOil Pyrolysis Reactor BioOil Storage

27 5) Produção de combustíveis líquidos a partir de biomassa Comparison between bio-oil and crude oil Bio-oil Crude oil High acidity water (%) ph Low heating value ρ (kg/l µ50ºc (cp) HHV (MJ/KG) C (%) Chemical and thermal instability O (%) < 1 H (%) S (%) < 0.05 < 4 N (%) <0.4 < 1 Bio-oil must be upgraded ash (%) < 0.2 < 0.1

28 5) Produção de combustíveis líquidos a partir de biomassa Processo de melhoramento do bio-óleo: Hidrodesoxigenação (HDO) Reactor HDO Up-graded bio-oil Lignocellulosic biomass Pyrolysis reactor Cyclone for coal collection Condenser

29 5) Produção de combustíveis líquidos a partir de biomassa Comparação do combustível produzido, após HDO Bio-óleo HDO Petróleo água (% p/p) ,5 0,1 ph 2,8-3,8 5,8 - ρ (kg/l) 1,05-1,25 1,2 0,86 µ 50ºC (cp) PCS (MJ/kg) C (% p/p) O (% p/p) < 5 < 1 H (% p/p) S (% p/p) < 0,05 < 0,005 < 4 N (% p/p) < 0,4 - < 1 Cinza (% p/p) < 0,2-0,1 H/C 0,9 1,5 1,3 2,0 1,5 2,0 O/C 0,3 0,5 < 0,1 ~0

30 6) Monitoramento tecnológico e análise de ciclo de vida de processos para a geração de energia a partir de fontes renováveis Atualmente, devido à dinâmica do desenvolvimento científico e tecnológico, o conhecimento do estado da arte se torna imprescindível para a tomada de decisões de instituições e empresas com relação ao investimento em pesquisas e em novas tecnologias A pesquisa científica necessita de orientações por parte do estado da arte, a fim de aumentar a probabilidade de obtenção de inovações tecnológicas Essas orientações devem ser proporcionadas por meio de uma metodologia de prospecção tecnológica, que forneça as direções gerais a serem seguidas pela pesquisa. Portanto, trabalhos envolvendo monitoramentos tecnológicos são de grande importância

31 6) Monitoramento tecnológico e análise de ciclo de vida dos Comparação do desempenho dos processos citados em termos de: (1) Eficiência energética (2) Impacto ambiental (3) Impacto social (4) Aspectos econômicos Análise do ciclo de vida

32 Obrigada pela atenção! Sala: 228 (bloco E)