GERAÇÃO TERMONUCLEAR E O VETOR HIDROGÊNIO. Adonis Marcelo Saliba Silva IPEN/CNEN-SP

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1 GERAÇÃO TERMONUCLEAR E O VETOR HIDROGÊNIO Adonis Marcelo Saliba Silva IPEN/CNEN-SP

2 EMENTA Economia do Hidrogênio. Produção de hidrogênio, por meios carbogênicos e não carbogênicos. Hidrogênio Nuclear: projeto e resultados alcançados. Eletrólise e eletrolisadores de baixa temperatura. Eletrolisador de alta temperatura e ciclos termoquímicos. Armazenamento e transporte para produção centralizada. Amônia: produção centralizada e reforma da amônia para produção distribuída. Produção distribuída de hidrogênio com energias alternativas. Proposta para um módulo de produção de hidrogênio associado à produção de energia elétrica em localidades remotas.

3 JUSTIFICATIVAS Nas próximas décadas, a economia do hidrogênio, baseada em não-carbogenia, é vista como base fundamental de controle do efeito estufa advindo do uso indiscriminado de energia fóssil altamente carbogênica. O aumento da carbogenia nos últimos 200 anos é de origem antropogênica e pode ser controlada por técnicas científicas, desde que seja generalizada e conscientizada junto a população. Nesse sentido, o ensino dessas técnicas e tecnologias potenciais de produção e uso energético do H 2 é visto como fundamental para se prepararem os profissionais que poderão introduzir e dissiminar o uso consciente e renovável desse vetor energético.

4 ECONOMIA DO H 2 Produz hidrogênio através de combustível fóssil por meio de reforma, por conversão de biomassa, por meios eletrolíticos, por ciclos termoquímicos de separação, ou ainda por métodos biofotolíticos. Armazena hidrogênio química ou fisicamente. Converte o hidrogênio acumulado em energia elétrica e térmica para uso.

5 CONSUMO ENERGÉTICO NO MUNDO Em 2005 ARUNACHALAM, V.S.; FLEISCHER, E.L. The Global Energy Landscape and Materials Innovation, MRS Bulletin, vol. 33, abril, 2008

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7 PROBLEMAS CLIMÁTICOS ATUAIS

8 EMISSÕES DE CO 2 POR FONTE ENERGÉTICA

9 H2 COMO VETOR ENERGÉTICO

10 O QUE É NECESSÁRIO PARA ECON-H 2? Abaixamento substancial do custo de células a combustível para transporte; Desenvolvimento de diversos métodos de produção de H 2 comparáveis aos de produção de gasolina; Desenvolvimento de métodos viáveis de armazenagem de H 2 para uso em transporte, comparáveis aos de gasolina. Desenvolvimento de uma infraestrutura segura e efetiva para remessa contínua de H 2 desde a produção até a armazenagem para uso.

11 POR QUE A ECONOMIA DO H 2? Em 2030, no contexto da Economia do Hidrogênio, teremos que produzir cerca de 600 milhões de toneladas de H 2 para manter a atual estrutura de consumo energético para transporte no mundo. CRABTREE, G.W.; DRESSELHAUS, M.S. The Hydrogen Fuel Alternative, MRS Bulletin vol. 33, April p

12 PRODUÇÃO DO H2: TECNOLOGIAS

13 HIDROGÊNIO NÃO-CARBOGÊNICO: ALGUNS MÉTODOS Eletrólise alcalina Eletrólise ácida a membrana Eletrolise de alta temperatura a membrana Ciclos termoquímicos

14 ELETRÓLISE ALCALINA

15 ELETRÓLISE ÁCIDA

16 SISTEMA NÃO-CARBOGÊNICO DE BAIXA TEMPERATURA

17 FORMAS DE PRODUZIR H 2 EM ALTA TEMPERATURA Através de: Eletrólise a quente Ciclos Termoquímicos

18 ELETRÓLISE SOEC Nas condições CNTP, temos: H 2 O (l) H 2(g) + ½ O 2(g) (a 25ºC e 1 atm): ΔH = 68,3 kcal/g.mol; ΔS= 0,039 kcal/g.mol.k; ΔG=56.7 kcal/g.mol

19 HTE (HIGH TEMPERATURE ELECTROLYSIS)

20 ELETRÓLISE A MEMBRANA Possibilidades de utilização de membranas quando se eleva a temperatura Até 150º C De 200 a 300º C 600 a 900ºC PEMs Nafion Útil para reatores de Potência PWR Membranas de inorgânicos com transferência de catiônica. (H 3 O + ) NASICON, PRONAS Reator HTGR Membranas de óxido condutores de íons de oxigênio Cerâmicos: zircônias estabilizadas

21 CICLO S-I (ENXOFRE-IODO)

22 CICLO HÍBRIDO

23 HIDROGÊNIO NUCLEAR O QUE É? Produção de Hidrogênio em larga escala utilizando energia termo e eletronuclear. Reator HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactor) + Produção Termo- ou Eletroquímica + Armazenagem e Transporte

24 REATOR HTGR

25 HTTR (JAERI JAPÃO)

26 DETALHES DO COMBUSTÍVEL NO REATOR HTGR

27 REATORES DE ALTA TEMPERATURA

28 REATORES DE ALTA TEMPERATURA

29 H 2 NUCLEAR COM ELETRÓLISE O 2

30 PROJETO IPEN/CNEN O Projeto Hidrogênio Nuclear IPEN/CNEN, de uma forma ampla, trata-se de uma planificação de longo prazo para atividades de pesquisa na área de produção de hidrogênio através de energia nuclear ou alternativas nãocarbogênicas, bem como, pesquisar armazenagem e transporte de gás.

31 PROJ H 2 NUCLEAR 1ª FASE Montagem de um simulador de transferência térmica refrigerado a gás hélio para gerar fluxos térmicos em temperaturas variáveis de 100 a 1000ºC. Estudos de combustíveis nucleares para reatores HTGR. Experimentação, simulações e modelamentos de eletrólise em células PEMEC (Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell) e SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell). Armazenamentos de hidrogênio em ligas metálicas e em outros materiais alternativos.

32 PROJ H 2 NUCLEAR 2ª FASE Projeto de um reator do tipo HTGR nacional e seu combustível. Estudo de sistemas termoquímicos mais complexos (por exemplo: ciclo SI e semelhantes) que possuam maior rendimento que a eletrólise. Integração do conjunto de energia nuclear como o químico em esclado de planta piloto. Preparação de protótipos e pilotos de armazenamento e transporte de hidrogênio, como gás ou outras formas alternativas.

33 ENERGIA NC EM ÁREAS REMOTAS Área de ~100 m 2 (painel fotovoltáico) Produz 15 kg of H 2 /dia (Eletrólise) consumindo: 5-6 kwh para produzir 1 Nm 3 H 2. General view of The Science Burge Essa quantidade de H 2 daria cerca de 250 kwh/dia de energia elétrica convertido por célula a combustível. Detailed view of The Science Barge, showing the solar panels and small eolic turbines. The Science Barge is a project of Groundwork Hudson Valley in NY (14)

34 Obrigado! Adonis Marcelo Saliba Silva ( saliba@ipen.br )