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1 COMUNICAÇÃO TÉCNICA Nº Raw material and technology process for Brazil s future: hydrogen and energy storage Gerhard Ett Palestra apresentada no Conference on International Exchange of Professionals: International Technology and Innovation Collaboration Session, 15., China, 2017 A série Comunicação Técnica compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 CEP São Paulo SP Brasil CEP Tel /4000 Fax

2 Raw Material and Technology Process for Brazil s Future Hydrogen and Energy Storage The 15th Conference on International Exchange of Professionals--International Technology Transfer and Innovation Collaboration Session 15,16 April 2017 CHINA Gerhard Ett, Dr. Chefe Laboratório de Energia Térmica - LET Centro de Tecnologia Mecânica, Naval, e Elétrica. INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS IPT GETT@IPT.BR - (11)

3 Produção Mundial de Energia 2050 Qual a aposta? 2050 Fonte; 2

4 FINAL CONSUMPTION Fonte: - Ago

5 Consumo e produção energético mundial Energy EUA China Brasil Mundo Mtoe Mtoe Mtoe Mtoe Oil Prod Oil Imp , Coal Prod , Coal Imp ,3 831 Gas Prod , Gas Imp ,1 873 Hidroelétrica ,6 326 Bio/Waste prod , % renovável 3,93% 6,92% 25,29% 7,32% GWh Total , Fonte: - Ago

6 Índice Fontes de hidrogênio Biomassa, Água, petróleo Processos de produção do hidrogênio Rotas Termoquímicas: Reforma e Gaseificação Rotas Eletroquímicas: Eletrólise Rotas térmicas: Solar, nuclear Armazenagem Logística, distribuição e aspectos de segurança Utilização Sistema de distribuição - gasoduto Postos de armazenamento Segurança propriedades Células a Combustível Materia-prima

7 Economia do Hidrogênio PROPRIEDADES HIDROGÊNIO 6

8 Status Hidrogênio Hydrogen = 1,142,816 document patent results = Hydrogen Storage= 38,147 document Hydrogen Production = 95,239 document Hydrogen Energy = 180,324 document results Década de 70 - Os preços dobarril de petróleo atingiram valores altíssimos, chegando a aumentar até 400% em cinco meses - 3 para 12 dólares por barril HOje 27/09/16-47,04USD Eco

9 Hidrogênio Elemento mais abundante do universo (75%) - (NREL) 30% da massa do Sol Terceiro elemento mais abundante na Terra Incolor, inodora, densidade 0,0899g/L (14,4 menos denso que o ar) 1Kg de H 2 tem aprox. a mesma energia que: 3,5L de petróleo, 2,1Kg gás natural, 2,8Kg de gasolina Combustão do H 2 - gera kcal/kg Testes Hidrogênio Fonte: DOE Zeppelin (Hindenburg) Gasolina Combustível (MJ/kg, 25 C) fator Hidrogênio* Gasolina Gas Natural Metano Metanol Etanol Querosene Carvão Madeira Obs: Não foi o hidrogênio que explodiu! O revestimento do balão que pegou fogo. Inflamabilidade: 4,1 a 74,2% de H 2 em volume de ar seco - temp. de ignição o C Combustão: chama azul clara, quase invisível

10 Rotas Termoquímicas: Reforma e Gaseificação Rotas Eletroquímicas: Eletrólise Rotas térmicas: Solar, nuclear PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO 9

11 Produção de Hidrogênio - HOJE Opções de Energia Renovável e não e suas matérias primas Lenha Carvão Vegetal Briquetes Florestas Biogás Vinhoto Bagaço e Palha Resíduos/Dejetos Hidrogênio Renovável Óleos Cana de Açúcar Biodiesel, GN Hidrelétrica Solar / Eólica Álcool Etanol Brasil Bilhões de litros Eletrólise da água ECONOMIA DO HIDROGÊNIO

12 Produção de hidrogênio Solar thermochemical hydrogen (STCH) Photoelectrochemical (PEC)

13 Gaseificação, Pirólise Conversão Térmica 12

14 Conversão Térmica Combustão (Excesso de ar) Gaseificação (Pouco ar) Pirólise (sem ar) Calor Gás combustível (Syngas = H2 + CO) Líquido (Bio-óleo) Fonte: Adaptado de NREL/ EUA 13

15 Biomassa, carvão, RSU. Materia-prima sólida 14

16 Biomassa Potential de Materia-prima Agricultura Bagaço de cana, palha,. Resíduos agrícolas (cascas) Florestas resíduos Plantações Resíduos de poda Ruas, trens Linhas de transmissão Resíduos orgânicos Resíduos de madeira doméstico Resíduos orgânicos Produtos cultivados Milho, cana de açucar, beterraba, trigo, sorgo etc 15

17 Área disponível para a expansão da agro-energia Área já ocupada pela agricultura Área total disponível para a agricultura Milhões hectares FONTE: Exame Brasil Estados Unidos Federação Russa União Européia Índia China 45 Canadá 27 Argentina Área total disponível para a agricultura Área já ocupada pela agricultura Adaptado por Ademar Ushima

18 BIOMASSAS (poder calorífico) 1Cal = 4.186J Ref: Gasification / Higman

19 Cana-de-açucar Saccharum spp Martim Affonso de Souza que em 1532 trouxe a primeira muda de cana ao Brasil e iniciou seu cultivo na Capitania de São Vicente. Lá, ele próprio construiu o primeiro engenho de açúcar. Cada tonelada de cana 570 kg água 140 kg de bagaço 70 kg de palha no caule 70 kg de palha na ponteira 150 kg de açúcares 280Kg biomassa Moagem de cana-de-açúcar e produção de açúcar e etanol 666,82 Mt - safra 2015/2016 Utilizando toda o bagaço e deixando 40% da palha no campo é equivalente a energia de Itaipú

20 Principais fontes de biomassa para produção de energia no Brasil Resíduos agrícolas: palha de soja, milho, arroz, cana; (478,09 Mtbs/ano ~ 3,0 Mbep/dia); Resíduos agrícolas industriais: bagaço de cana, casca de arroz, licor negro de celulose; (80,3 Mtbs/ano ~ 0,5 Mbep/dia) Resíduos de florestas plantadas: eucalípto e pinus (futuro: capim elefante e cana energética); (15,0 Mtbs/ano ~0,11 Mbep/dia) Total: 573,4 Mtbs/ano ~ 3,55 Mbep/dia Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 / Ademar Ushima - IPT Mtbs: Milhões de tonelada base seca

21 Resíduos Sólidos Urbanos CDR Combustível derivado de Resíduo Fonte: EPE no Japão, onde existem mais de 120 unidades operando em escala comercial, com capacidades variando de 19 a 314 t/dia 20

22 Carvão - Combustíveis sólidos naturais Carvão Fóssil Turfa Linhito Hulha Antracito Carvão vegetal Carbonização da Lenha Mina de carvão Problemas sociais, mas também pode ser sustentável As reservas mundiais de carvão fóssil são cerca de quatro vezes superiores às de petróleo e gás natural, além de terem distribuição geográfica mais desconcentrada. produção de ferro-gusa e aço.

23 carvão GASIFICAÇÃO 22

24 Gasificação é um processo termoquímico que converte insumo sólido ou líquido em em gás (contendo principalmente CO + H 2 ), com características basicamente combustíveis, pela oxidação parcial a temperaturas elevadas ( o C) Esse gás é reativo, Pode ser queimado numa turbina para gerar EE Pode ser reagido (syngas) e transformar-se em Biocombustíveis: biodiesel, metanol, etc Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio

25 Principais Tipos de Gaseificadores na Atualidade Gaseificador de leito fixo (Moving bed also called fixed bed) cocorrente ( downdraft ) e contracorrente ( updraft ). Gaseificador de leito fluidizado ou leito circulante. Fluxo de arraste Segundo MANIATIS (2001), 77,5 % dos projetos de gaseificadores são do tipo de leito fixo, 20 % são do tipo fluidizado ou circulante e 2,5 % de outros tipos

26 Classificação pelo tipo de fluxo LEITO FIXO LEITO Fluidizado Fluxo de arraste Fonte: Technische Univessitat Bergakademie Freiberg - IECc

27 2016 Gaseificação Plantas Industriais e demonstração

28 State of the Gasification Industry the Updated Worldwide Gasification Database Existem atualmente 74 plantas em construção no mundo, contendo 238 gaseificadores que produzirão 83 MWth. Worldwide gasification capacity is expected to grow significantly by 2018, with the primary growth occurring in Asia (primarily China, India, South Korea, and Mongolia).

29 Reforma Conversão catalítica Metano MATERIA-PRIMA GASOSA 28

30 Produção de hidrogênio Reforma-vapor de hidrocarbonetos leves Oxidação parcial de hidrocarbonetos pesados Reforma-vapor do etanol e do gás natural CH 4 +2H 2 O 4H 2 + CO 2 = 1m 3 GN produz 3,5 m 3 hidrogênio obs: 1MW e consome: 200m3/h GN C 2 H 5 OH+3H 2 O 6H 2 + 2CO 2 = 1m 3 etanol produz 1.958m 3 hidrogênio obs: 1MW e consome: 350L/h etanol TC 197/WG 9 Hydrogen generators using fuel processing technologies

31 30

32 Reforma a vapor C2H5OH + 3H2O 2CO2 + 6H2 = 173,4 kj/mol Vantagens: alto rendimento de H2 Desvantagens: Reaça o fortemente endote rmica Ref: Bellot/INT 31

33 Oxidac a o parcial do etanol C2H5OH + 3/2 O2 2CO2 + 3H2 =-551 kj/mol Vantagens: Tempo de resposta ra pido Reator mais compacto Desvantagens: Larga faixa dos limites de inflamabilidade 32

34 Reforma autote rmica do etanol C2H5OH+2H2O+1 2O2 2CO2 +5H2 =-50kJ/mol Vantagens: alto rendimento de H2 melhor balanço te rmico KAVEH METHANOL PLANT 7000 MTPD 33

35 Biomass ELETRÓLISE 34

36 Produção de hidrogênio Eletrólise da água: 1. Eletrólise tipo PEM(eletrolisadores) 2. Eletrólise alta temperatura (eletrodos e membranas especiais ) POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE ELECTROLYZERS HIGH TEMP. ELECTROLYZERS

37 Hidrogênio Purificação - SyNgas 36

38 Projetos Resíduos sólidos Lavagem de gases Projeto MultiCentros IPT Desenvolvimento/aperfeiçoamento de processo para concentração de biogás. Gás de síntese: remoção a seco de material particulado remoção de H 2 S em leito de ZnO remoção de CO 2 por lavagem: metanol/ aminas/carbonato de potássio BIOGÁS Remoção simultânea de H 2 S e CO 2 por lavagem com água/ aminas/ carbonato de potássio Purificação por membranas Purificação por PSA Dr.Silas Derenzo, Dr.João Poco - BIONANO - Núcleo de Bionanomanufatura

39 Hidrogênio gasosos - Cilindro pressurizados Hidrogênio líquido Hidreto metálico ARMAZENAGEM DO HIDROGÊNIO 38

40 Armazenamento de Hidrogênio Armazenamento como hidrogênio gasoso (cilindros) Alta pressão 700bar Armazenamento como hidrogênio líquido Armazenamento como compostos intermetálicos Hidretos metálicos Nanotubos de carbono Cilindro de alumínio revestido com fibra de carbono e resina ISO TC 197/WG 15 Gaseous hydrogen - Cylinders and tubes for stationary storage

41 Armazenamento H2 Tanque de H2 pressurizado 700bar Tanque de H2 líquido 40

42 Hidretos metálicos O hidrogênio reage facilmente com quase todos os tipos de elementos Fornecendo calor ao hidreto o hidrogênio é liberado Processos reversíveis Alta densidade de H 2 por volume hidretos: La-Ni 5 H 6,7 ; VH 2 ; FeTiH 1,74 1L (NaBH 4 =0,077KgH 2 = 0,921Nm 3 1Kg H 2 em 10 Litros de hidreto Fonte: Ovonic

43 Postos de hidrogênio, gasodutos, propriedades LOGÍSTICA, DISTRIBUIÇÃO E ASPECTOS DE SEGURANÇA 42

44 Álcoolduto multimodal BRASIL Transporte Potencial eólico Gasoduto GN H 2 Hidroelétricas Produção de etanol

45 Tendências? Vácuo Isolante térmico Isolante elétrico Hidrogênio líquido 21K

46 Desafios? Posto de H2 Inaugurado em Berlim

47 Célula a combustível, materia-prima APLICAÇÕES 46

48 SYNGAS gás de síntese

49 Products from Syngas

50 Aplicação estacionária PAFC 200kW SOFC 100kW MCFC 1,2MW PEMFC 1MW

51 Aplicações portáteis 4,90/Month for 24 months

52 Aplicação móvel 750Km autonomia 503Km autonomia (700 bar) fuel-cell-car-how-fuel-cell-works-detailexplanation-of-fuel-cell-parts/

53 Aplicação aérea & espacial

54 International Journal of Hydrogen Energy Official Journal of the International Association for Hydrogen Energy 53

55 Bem vindos ao IPT! Contato: Gerhard Ett - gett@ipt.br (11) Instituto de Pesquisas Tecnológicas Laboratório de Engenharia Térmica e Motores - LET (centros tecnológico/ctmne/let) +55 (11) / 4283