Tecnologias de Produção de Hidrogênio

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1 Programa de Pós-Graduação em Bioenergia Tecnologias de Produção de Hidrogênio Prof. Helton José Alves Palotina, 19/05/14

2 O HIDROGÊNIO - Elemento mais abundante do universo (95% em número de átomos e 75% em massa); - 99% da energia do universo é proveniente do hidrogênio; - fusão nuclear (consumo de 4 milhões de ton de hidrogênio/s) / núcleo do Sol (10 milhões de o C) / pressão vezes maior do que no centro da terra / 0,7% mais pesado que o He / sobra de matéria se transforma em luz e calor; - ocorrência x disponibilidade. (o ar possui 0,000055% de hidrogênio)

3 O HIDROGÊNIO - O gás hidrogênio H 2 foi produzido pela reação química entre metais e ácidos fortes (Paracelso ); - Primeiro dirigível decolado com hidrogênio em 1852 (Henri Giffard); Zeppelins: voos programados (1900) / plataformas de observação e bombardeadores durante a 1 a Guerra Mundial (1914); 1937 primeiro acidente (New Jersey)

4 O HIDROGÊNIO Vetor energético: é uma substância ou fenômeno que pode ser usado para produzir trabalho mecânico/calor, ou então para desencadear processos químicos ou físicos. Características/exemplos: Dentre os vetores mais comuns encontram-se molas, baterias eletroquímicas, condensadores, o hidrogênio, a água represada das barragens, o ar pressurizado, o carvão, o petróleo, o gás natural, e a lenha. O hidrogênio é um tipo de vetor energético que poderá vir a ser utilizado na distribuição de energias renováveis. Ex.: a eletricidade gerada por turbinas eólicas pode ser aplicada na produção de hidrogênio através da eletrólise da água, que é por sua vez usado num veículo de células de combustível a hidrogênio.

5 O HIDROGÊNIO

6 PROPRIEDADES DO H 2 PROPRIEDADES Fórmula Química Massa Molecular Qtde de energia por unidade de massa Temperatura do estado líquido Massa volumétrica Ponto de ebulição Ponto de fusão VALORES H 2 1 g/mol 145,0 MJ/kg -253 C 0,08967 kg/m 3-252,88 ºC 259,20ºC

7 TECNOLOGIAS DE PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO PODER CALORÍFICO MAIOR DO QUE QUALQUER OUTRO TIPO DE COMBUSTÍVEL: 145 MJ/kg

8 ARMAZENAMENTO E TRANSPORTE H 2 A massa das carretas carregadas é próxima da massa das carretas vazias. Caminho: GERAÇÃO ON-SITE Inflamável: > 4% em mistura com o ar ou ignição

9 USOS DO HIDROGÊNIO - Síntese da amônia ou metanol; - Produção de ferro e aço (agente redutor); - Tratamento de óleos (hidrogenação) e gorduras (saturação); - Aplicação direta em energia (energia térmica ou CaC) - Indústria do vidro e componentes eletrônicos. - Refinarias (dessulfurização de diesel e gasolina)

10 PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO

11 TECNOLOGIAS E ROTAS DE PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO

12 ROTAS DO HIDROGÊNIO A PARTIR DE FÓSSEIS

13 GERAÇÃO DE H 2 VIA FONTES RENOVÁVEIS

14 CUSTOS DOS COMBUSTÍVEIS X EMISSÃO CO 2

15 CUSTOS DO H 2 X IMPACTOS AMBIENTAIS

16 GERAÇÃO DE H 2 VIA FONTES RENOVÁVEIS

17 ROTAS DO HIDROGÊNIO A PARTIR DA BIOMASSA Microorganismos Não só por reforma a vapor...

18 REFORMA À VAPOR VÁRIAS FONTES Reações Endotérmicas Reforma do metano: modelo para a reforma do biogás

19 ROTAS ENERGÉTICAS - BIOGÁS

20 PRODUÇÃO DE BIOGÁS DIVERSOS RESÍDUOS

21 COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS X DENSIDADE E PCI

22 IMPUREZAS E PURIFICAÇÃO DO BIOGÁS

23 PROCESSOS CONVENCIONAIS REFORMA DO BIOGÁS COMPOSIÇÃO DO BIOGÁS PERFIL PARA A REFORMA 1) Biogás in natura: 55 70% CH 4, 30 45% CO 2, ppm H 2 S 2) Biogás parcialmente tratado: remoção de H 2 S 3) Biogás enriquecido em biometano: 93 96% CH 4, Condições próximas da reforma do gás natural ( 90% CH 4 ) 4 7% CO 2, < 100 ppm H 2 S

24 PROCESSOS CONVENCIONAIS REFORMA DE HC DEFINIÇÃO DE REFORMA Processo endotérmico ou exotérmico de conversão catalítica, de um combustível líquido, sólido ou gasoso para um gás que pode ser utilizado como combustível (Sordi el al, 2006). REFORMA A VAPOR REFORMA A SECO OXIDATIVA REFORMA OXIDATIVA PARCIAL H 2 REFORMA A SECO REFORMA AUTOTÉRMICA

25 REFORMADOR PARA A PRODUÇÃO DE H 2 Reformador Convencional - Reator: leito fixo ou fluidizado - Catalisador: pó, pastilha, monolítico, etc

26 REFORMA DO BIOGÁS PARA A PRODUÇÃO DE H 2 Reforma a Seco do Biogás

27 REFORMA DO GLICEROL PARA A PRODUÇÃO DE H 2 Reforma a Vapor do Glicerol

28 REFORMA PARA A PRODUÇÃO DE H 2 Catalisadores Heterogêneos Ni/Al 2 O 3

29 REFORMADOR PARA A PRODUÇÃO DE H 2 Reforma do Glicerol PROPRIEDADES VALORES Fórmula Química C 3 H 8 O Massa Molecular 92,09 g/mol Densidade (20 C) 1,261 g/cm3 Viscosidade (20 C) 1,5 Pa.s Ponto de fusão 18 C Ponto de ebulição (1atm) 290 C EQ. EQUAÇÃO H (kj/mol) TIPO DE REAÇÃO 1 C 3 H 8 O H 2 O 3CO 2 + 7H Global de reforma a vapor ou reforma da fase líquida 2 C 3 H 8 O 3 + O 2 CO + 2CO 2 + 4H 2-314,76 Oxidação do glicerol 3 C 3 H 8 O 3 + 1,5 O 2 3CO 2 +4H Oxidação do glicerol 4 C 3 H 8 O 3 + 3,5 O 2 3CO 2 + 4H 2 O -1564,93 Oxidação do glicerol 5 C 3 H 8 O 3 4H 2 (g) + 3CO(g) +250 Decomposição do Glicerol

30 USINAS DE BIODIESEL DO PR - GLICEROL

31 USOS DO GLICEROL

32 PRODUÇÃO E USO DE H 2 NA AGROINDÚSTRIA Preço no interior: R$0,35-1,20 / m 3

33 REFORMA A VAPOR DO METANO Reação endotérmica (1) - Reação entre o metano e o vapor d água (2) - Reação de deslocamento gás-água (Shift) (3) - Formação do coque Maior relação H 2 /CO (3:1) (1) (2) (3)

34 PROBLEMAS COM O CATALISADOR NA REFORMA Desativação: - Depósito de C (coque) - Envenenamento (enxofre) - Sinterização (fase líquida) Soluções - Vapor de H 2 O - Catalisador com suportes básicos contendo Ca, Mg ou K

35 REFORMA OXIDATIVA Reações exotérmicas (4) - Reação parcial: entre metano e oxigênio (5) - Reação completa: entre metano e oxigênio Seguido de reações paralelas Formação de pontos quentes Relação H 2 /CO (2:1) (4) (5)

36 REFORMA A SECO Reação endotérmica (6) - Reação entre metano e CO 2 Processo Fischer-Tropsch (gás de síntese) Maior tendência de formação de coque Uso de gases de efeito estufa (6) Menor razão H 2 /CO (1:1)

37 REFORMA AUTOTÉRMICA Reações exotérmicas e endotérmicas (4, 5) - Reação entre o metano e oxigênio (1) - Reação entre metano e vapor d água (6) - Reação entre metano e CO 2 Maior eficiência energética Maior controle reacional (1) (4) (6) (5)

38 REFORMAS MAIS UTILIZADAS

39 MEMBRANA SELETIVA À HIDROGÊNIO Leito catalítico envolvido por membrana densa de Paládio

40 GERAÇÃO DE H 2 - GASEIFICAÇÃO

41 TECNOLOGIAS DE PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO

42 PURIFICAÇÃO DO HIDROGÊNIO

43 PURIFICAÇÃO DO HIDROGÊNIO

44 PURIFICAÇÃO DO HIDROGÊNIO

45 PARÂMETROS PROCESSOS DE REFORMA

46 REFORMA INTERNA FORMAÇÃO DE COQUE Reforma interna do biogás - células a combustível SOFC (solid oxide fuel cell) de alta temperatura

47 FLUXOGRAMA: BIOGÁS - HIDROGÊNIO CaC

48 TRABALHOS COM HIDROGÊNIO UFPR / PTI-ITAIPU

49 ESTUDO DE CASO: POTENCIAL DE OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO NA REGIÃO OESTE DO PARANÁ

50 PARÂMETROS E DADOS UTILIZADOS - Fonte: Biogás - Processo de Reforma: Autotérmica - Célula a Combustível: PAFC (phosphoric acid fuel cell) Dados utilizados na estimativa de produção de biogás

51 PARÂMETROS E DADOS UTILIZADOS VOLUME DE BIOGÁS ESTIMADO DA REGIÃO OESTE DO PARANÁ

52 PARÂMETROS E DADOS UTILIZADOS PRODUÇÃO DIÁRIA DE RESÍDOS NA REGIÃO OESTE DO PARANÁ

53 POTENCIAL: HIDROGÊNIO E ENERGIA ELÉTRICA Representa 28% da energia consumida. - Produção de 1,7 milhões de m 3 /dia de H2 - Produção de energia elétrica 2405 MWh /dia Tecnologia aumenta a geração de energia elétrica em 109% quando comparada à tecnologia de motogerador.

54 OUTRAS TECNOLOGIAS DE PRODUÇÃO DE H 2

55 HIDROGÊNIO NA AMÉRICA LATINA Programas de Hidrogênio na América Latina ARGENTINA: Asociación Argentina del Hidrógeno (AAH2) BRASIL: Programa de Ciência, Tecnologia e Inovação para a economia do hidrogênio (ProH2) Centro Nacional de Referência em Energia do Hidrogênio (CENEH) PARAGUAI: Universidad Nacional de Asunción e Itaipu OUTROS: grupos de P&D em universidades (UNICAMP, USP, UFSCar...)

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