Área Departamental de Engenharia Química Laboratório de Tecnologia Química Processo eletroquímico de produção de combustíveis sintéticos renováveis

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1 Área Departamental de Engenharia Química Laboratório de Tecnologia Química Processo eletroquímico de produção de combustíveis sintéticos renováveis Green Synthetic Fuel / Luís Guerra

2 Conteúdos Conceito SYNFUEL Aplicações do gás de síntese De gás de síntese para combustíveis sintéticos renováveis Testes laboratoriais Conclusões 2

3 Combustíveis sintéticos são capazes de substituir a dependência do petróleo contribuem para atingir objetivos de baixo carbono Sem a necessidade de investimentos elevados para substituir as plataformas existentes permitem o desenvolvimento de tecnologias mais atrativas Hidrogénio ou Fuel Cells (tecnologia madura) 3

4 Energia renovável Fonte de carbono INOVAÇÃO Conceito SYNFUEL Eletrólise da água Gás de síntese De energia e carbono para combustíveis líquidos Diesel (Síntese de Fischer-Tropsch) Metanol (Hidrogenação CO/CO 2 ) Metano (Processo de Sabatier) Gasolina (Processo Mobil) DME (Tecnologia Topsoe) 4

5 Produção de gás de síntese pelo conceito SYNFUEL Um passo a partir da eletrólise da água sem separação dos gases com o uso de elétrodos de carbono/grafite em disco e um eletrólito alcalino O oxigénio produzido no ânodo reage com o carbono do elétrodo, produzindo CO e CO 2 C + 2 H 2 O! CO H e - C + H 2 O! CO + 2 H e - 4 HO -! O H 2 O + 4 e - O hidrogénio é libertado diretamente do cátodo H 2 O + 2 e -! 2 HO - + H 2 O gás de síntese é formado e utilizado como matéria prima para a produção de combustíveis sintéticos 5

6 Gás de síntese e as suas aplicações 6

7 Vantagens da tecnologia Gás de síntese vs. Hidrogénio! flexibilidade de utilização Eletrolisadores: baratos e de construção fácil Descarbonização do mix energético Alternativa aos vetores energéticos como os combustíveis fósseis Capaz de competir com as tecnologias convencionais de produção de gás de síntese Steam reforming, gaseificação do carvão Uso de energia renovável como fonte energética (ambientalmente limpa) Eólica e Solar Energia renovável: Armazenada no estado líquido (gasóleo, gasolina) a um custo competitivo Devido à sua simplicidade: Economicamente viável em escalas pequenas 7

8 De gás de síntese para combustíveis sintéticos renováveis Produção de metanol: 2 H 2 + CO! CH 3 OH 3 H 2 + CO 2! CH 3 OH + H 2 O Parceiro do projeto desenvolveu um catalisador apropriado (FEUP) Produção de gás natural (metano): 4 H 2 + CO 2! CH H 2 O (Reação de Sabatier) 3 H 2 + CO! CH 4 + H 2 O Testes a iniciar com diferentes catalisadores: Ni(Ac) 2 / TiO 2 8

9 Reator SYNFUEL Purificação Reator de combustível Água com eletrólito Eletrolisador Reservatório SYNFUEL 9

10 Diagrama do eletrolisador Placas para ajuste da distância entre os elétrodos Cátodo Corte lateral Ânodo Corte frontal Reservatório Elétrodos 10

11 Protótipo laboratorial 25/06/ /06/15 11

12 Onde estamos? Registo de Patente Prova do conceito! Gás de síntese COMPETE: Incentivo à inovação (Projeto 38940) Modelos laboratoriais a serem explorados: Otimização Construção de um reator para produção de metano 25/06/ /06/15 12

13 Próximos passos do projeto Construção de um reator para produção de metanol e DME Primeiros testes em protótipos industriais: 1 L/h e 10 L/h de metano / metanol / DME Scale-up para 100 L/h de metano / metanol / DME Demonstração do conceito Proteção com patente 13

14 Testes laboratoriais Condições para estudo da concentração de eletrólito: - V = 5 V - NaOH - T = 25 ºC - P = 1 atm - Eletrolisador: 1 célula 2 elétrodos de grafite dist. 5 mm - Ensaio de 2 horas Q v (ml.min -1 ) % conv c = 33,41 % Razão H 2 :CO = 11,11 Qv (ml/min) Ec (Wmin/mL) C (M) E c (Wmin.mL -1 ) I (A) C (M) %CO e %CO 2 (%) CO (%) CO2 (%) O2 (%) C (M) %O 2 (%) 14

15 Q v (ml.min -1 ) Condições para estudo da temperatura inicial: - V = 5 V - NaOH - [NaOH] = 0,4 M - P = 1 atm - Eletrolisador: 1 célula 2 elétrodos de grafite dist. 5 mm - Ensaio de 2 horas I (A) % conv c = 37,74 % Razão H 2 :CO = 10, Qv (ml/min) Ec (Wmin/mL) T i ( C) E c (Wmin.mL -1 ) T i ( C) %CO e %CO 2 (%) CO (%) CO2 (%) O2 (%) T i ( C) %O 2 (%) 15/06/15 15

16 Q v (ml.min -1 ) Condições para estudo da tensão aplicada: - NaOH - [NaOH] = 0,4 M - T = 35 ºC - P = 1 atm - Eletrolisador: 1 célula 2 elétrodos de grafite dist. 5 mm - Ensaio de 2 horas I (A) % conv c = 37,74 % Razão H 2 :CO = 10,31 Qv (ml/min) Ec (Wmin/mL) V a (V) E c (Wmin.mL -1 ) %CO e %CO 2 (%) V a (V) CO (%) CO2 (%) O2 (%) V a (V) %O 2 (%) 16

17 Composição dos gases Com a melhor otimização obtida até então, foi possível atingir composições de gás interessantes (base seca): H 2 70 % CO 10 % CO 2 16 % O 2 4 % 17

18 Perda de massa dos elétrodos de grafite Apenas o ânodo sofre perda de massa (1,5 % após reação de 7 h) Parte da massa perdida decorre da produção de CO/ CO2 Parte da massa perdida é recuperada pelo cátodo Parte da massa perdida permanece depositada na solução de eletrólito - Formação de nanopartículas de carbono 25/06/ /06/15 18

19 Outros testes em exploração Uso de catalisadores dissolvidos na solução de eletrólito Natureza do eletrólito NaOH, KOH, H 2 SO 4 Influência da pressão Diferentes fontes de carbono Elétrodos de grafite em espuma de níquel em NaOH 19

20 Testes futuros Destino das nanopartículas de carbono: Steam reforming Exploração de novos eletrólitos (líquidos iónicos) Exploração e otimização do scale-up do processo de eletrólise alcalina da água Análise e otimização do processo de produção de metano a partir do gás de síntese formado 20

21 Conclusões Eletrólise da água: energia renovável como eletricidade, elétrodos de carbono/grafite, sem separação de gases e com recurso a um eletrólito alcalino! gás de síntese Atingimos composições de 10 % de CO e 70 % de H 2, com 4 % de O 2 Atingimos perdas de massa no ânodo de 1,5 % e conversões em carbono de 38 % Atingimos intensidades de corrente de 2,7 A e caudais de 44,5 ml/min 21

22 PROJECTO SYM QREN Muito obrigado pela vossa atenção PARCEIROS: 25/06/ /06/15 22