Agradecimentos O nosso grupo gostaria de exprimir aqui os seus agradecimentos à Doutora Sofia Isabel Vieira de Sousa, nossa monitora, e ao Doutor José Miguel Loureiro, nosso supervisor, por toda a ajuda que nos concederam e por todo o tempo que disponibilizaram para nos poderem acompanhar na realização deste trabalho. Gostaríamos, igualmente, de agradecer à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto devido aos meios que esta nos proporcionou, de modo a conseguirmos efetuar o nosso projeto devidamente. i
Resumo Este trabalho centra-se no estudo do metanol e do hidrogénio como combustíveis com o objetivo final de perceber qual dos dois será a melhor escolha. O hidrogénio tem inúmeras aplicações, uma delas a sua utilização como combustível. Não existe na Natureza isolado, mas sempre ligado a outros átomos. Desta forma, é necessário recorrer a processos para o obter. A partir da água, dos combustíveis fósseis, da biomassa, do metano, do etanol e até do metanol é possível obter este elemento. Na produção de hidrogénio a partir da água (eletrólise) podem ser utilizadas fontes de energia renováveis, sendo esta uma grande vantagem, visto que na queima destes só é emitido vapor de água e não dióxido de carbono (CO 2 ). Contudo, atualmente, a sua utilização tem, maioritariamente, origem fóssil, o que anula esta vantagem, pois é emitido CO 2, responsável pelo efeito de estufa. A necessidade de um grande investimento em infraestruturas, uma vez que o armazenamento requer muitos cuidados, devido ao facto de este ser um gás, também, constitui uma desvantagem. O metanol pode ser, igualmente, utilizado como combustível, sendo obtido, maioritariamente, a partir do metano. Hoje em dia, a indústria deste composto é das maiores do mundo, sendo o Brasil dos países que mais investe nesta opção. O metanol apresenta, tal como o hidrogénio, bastantes vantagens. Uma delas é o facto deste composto ser muito fácil de produzir, devido à sua estrutura simples. Para além disso, o uso do metanol como combustível não exigiria uma grande modificação das infraestruturas já existentes, pelo que não seria necessário um grande investimento por parte do estado. Outra vantagem é o facto de haver uma diminuição das emissões de poluentes em comparação com o petróleo, o que reverte a favor deste combustível em relação às energias não renováveis. No entanto, este combustível também tem desvantagens, como por exemplo, a sua propriedade corrosiva e tóxica, sendo necessário tomar algumas medidas de segurança. Em suma, ambas as alternativas apresentam várias vantagens e varias desvantagens, sendo assim impossível afirmar qual delas é a melhor escolha. ii
Índice Agradecimentos.i Resumo...ii Índice..iii Índice de Figuras.iv 1. Introdução 1. 2. Hidrogénio 2.1. Princípios gerais 1 2.2. Processos para a produção de hidrogénio.2 2.3. Sociedade do hidrogénio 5 2.4. Vantagens da utilização do hidrogénio como um combustível..6 2.5. Inconvenientes da utilização do hidrogénio como um combustível 6 3. Metanol 3.1. Princípios gerais 8 3.2. Processos para a produção de metanol..8 3.3. Sociedade do metanol.9 3.4. Vantagens da utilização do metanol como um combustível.10 3.5. Inconvenientes da utilização do metanol como um combustível..11 4. Qual a melhor escolha à luz do conhecimento atual?...12 5. Conclusão.13 Bibliografia 14 iii
Índice de Figuras Fig. 1. Tabela periódica 2 Fig. 2. Esquema sobre a produção de hidrogénio 3 Fig. 3. Eletrólise da água 4 Fig. 4. Célula combustível.4 Fig. 5. Estrutura do metanol 8 Fig. 6. Comparação da emissão de gases de estufa entre veículos a células de combustível e veículos a gasolina convencional 10 iv
1. Introdução: Desde sempre, a energia desempenhou um papel estratégico no desenvolvimento socioeconómico a nível Mundial. É uma peça vital e insubstituível no desenvolvimento de um país. Atualmente, esta energia é obtida através de combustíveis fósseis, pelo que tem inúmeras desvantagens, sendo a maior delas a emissão de dióxido de carbono (CO 2 ), um dos gases que contribui para o efeito de estufa [1]. Todos os dias, circulam milhares e milhares de carros no mundo, e a quantidade de CO 2 que é emitida é excessiva. A concorrência para o combustível dominante foi ganha pela gasolina, assim as outras tecnologias e combustíveis foram praticamente esquecidos. A gasolina conquistou os consumidores, inicialmente, devido ao preço do veículo e de seguida pelo desenvolvimento de imensas infraestruturas de apoio. Como resposta a este consumo descomedido dos combustíveis fósseis, é importante analisar as alternativas. Duas possíveis respostas são o metanol e o hidrogénio. Ambos têm inúmeras vantagens relativamente às energias não renováveis, nomeadamente a diminuição da poluição atmosférica, a diminuição da importação de petróleo etc. Mas, o que é o metanol? Como se produz o hidrogénio, se ele não se encontra isolado na atmosfera? Quais são as vantagens e as desvantagens de ambos? Qual será a melhor solução? Qual é o mais seguro, o mais económico e o menos poluente? Todas estas perguntas foram alvo de estudo e serão desenvolvidas ao longo do trabalho. 2. Hidrogénio 2.1. Princípios gerais O hidrogénio é elemento com número atómico um, pertencente ao grupo um e ao primeiro período da tabela periódica (Fig.1.). 1
Fig.1. Tabela Periódica [2] É o elemento químico mais abundante (sendo 90% do Universo e 60% do corpo humano constituídos por hidrogénio) e o primeiro a formar-se no Universo. [3] Além disso, é o combustível de muitas estrelas, uma vez que numa fase inicial no núcleo das estrelas ocorre uma reação em que o hidrogénio se transforma em hélio. [4] O hidrogénio está presente na atmosfera ligado a outros átomos, nomeadamente o oxigénio. Este elemento não é tóxico nem venenoso e, atualmente, é utilizado como um combustível. Para ser obtido é necessário o consumo de energia, desta forma, o hidrogénio não poder ser considerado uma fonte primária de energia [3] 2.2. Processos para a produção do hidrogénio Há vários processos que podem ser utilizados para a formação do hidrogénio, como podemos ver pela figura. No entanto, os processos mais utilizados para obter o hidrogénio são a eletrólise da água e a reforma por vapor (steam reforming) do gás natural e dos outros hidrocarbonetos. Estes serão os processos que serão estudados com mais detalhes. 2
1 2 3 4 Fig.2. Esquema sobre a produção de hidrogénio [5] O processo 1 da Fig.2. refere-se à obtenção do hidrogénio a partir da exposição de hidrocarbonetos a altas temperaturas. Neste processo é mais costume a obtenção a partir do gás natural metano, sendo que o rendimento é de 70% a 90%: CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g)+3H 2 (g) (1) De seguida, a reação que ocorre é a seguinte: CO(g) +H 2 O(g) CO 2 (g)+h 2 (g) (2) [7] O processo 2 refere-se à produção do hidrogénio a partir dos combustíveis fósseis. Um exemplo é o gás natural, cujo volume é constituído 70% por metano, ocorrendo as reações (1) e (2) descritas no processo 1. 3
O processo 3 refere-se à produção de hidrogénio a partir da água (eletrólise). Este método baseia-se na seguinte equação: 2 H 2 O (l) + eletricidade 2 H 2 (g) + O 2 (g) (3) [7] Como se percebe pela equação, é consumida energia, o que faz com que o hidrogénio se dirija para o cátodo (+) e o oxigénio para o ânodo (-) (Fig.3) [3]. Toda a energia é transferida para o hidrogénio, que tem uma função de transporte e não de fonte de energia. Este processo tem um rendimento de 95%: Fig.3. Eletrólise da água [7] Depois de produzido o hidrogénio servirá de combustível nas células de combustível: Fig.4. - Célula de combustível [8] 4
Como se pode verificar na figura 4, uma célula de combustível é constituída por um ânodo e por um cátodo, separados por um electrólito, que é a membrana onde decorre a transferência de protões. No ânodo ocorre a reação de oxidação do hidrogénio (eq.6) 2H 2 4H+ + 4e - (6) Os electrões libertados passam para o cátodo através de um circuito externo e produzem eletricidade. No cátodo ocorre a reação de redução tendo como resultado a formação de água (eq. 7) O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O (7) [7] 2.3. Sociedade do Hidrogénio Atualmente, a energia consumida é essencialmente de origem fóssil, o que além de poluir o planeta, também desempenha um papel importante no que diz respeito ao aquecimento global. Como tentativa de solução a este problema, entendese que o consumo energético deverá ser de forma a racionalizar essa mesma energia e começar também a usar sistemas de produção que sejam sustentáveis. A existência de vários tipos de energia renováveis só por si não é uma solução, pois estas variam conforme as condições meteorológicas, nomeadamente o sol e o vento, e apresentam alguma dificuldade no seu armazenamento. Contudo, essa energia renovável pode ser usada para a produção de hidrogénio a partir da água (eletrólise). É exatamente neste ponto que reside umas das maiores expectativas a nível mundial sob ponto de vista energético. O uso de hidrogénio usufrui de algumas alternativas para a sua produção, nomeadamente o carvão e o gás natural. Ainda muito tem que ser feito para haver a transição da economia baseada nos combustíveis fosseis para uma economia baseada no hidrogénio, mas com os custos de produção a diminuir e a eficiência dos sistemas a aumentar, a mudança não estará muito longe. Atualmente e numa primeira fase de transição, a grande maioria do hidrogénio produzido ainda tem origem fóssil, não sendo para já uma alternativa viável, apenas uma hipótese para o futuro. Todavia, um grupo de pesquisadores das universidades de Penn State e Virginia, nos Estados Unidos, descobriram como produzir hidrogénio, submergindo aglomerados de átomos de alumínio em água. Com este método, que depende muito da forma do alumínio, os investigadores conseguiram quebrar as ligações interatómicas obtendo também o oxigénio (O 2 ). 5
A transição para este sistema energético terá algumas vantagens, como por exemplo, a menor dependência do petróleo e a diminuição da poluição atmosférica, uma vez que não há uma menor emissão de gases responsáveis pelo efeito de estufa [5]. 2.4. Vantagens da utilização do hidrogénio como um combustível Como já foi referido o hidrogénio pode ser extraído da água sendo consumida energia. Caso esta energia tenha como fonte uma energia renovável, como por exemplo a solar ou eólica, e não esquecendo que a célula de combustível do hidrogénio não emite dióxido de carbono, mas somente água, este processo é totalmente limpo [3] Além da poluição atmosférica ser reduzida, a sonora também o é, uma vez que a combustão do hidrogénio não produz qualquer tipo de ruído. Uma grande vantagem é o facto de, em caso de acidente de viação, onde haja fuga de combustível num automóvel que esteve num espaço ventilado, o hidrogénio dispersa-se. Isto deve-se ao facto de o hidrogénio ser 14 vezes mais leve que o ar e, assim, difundir-se rapidamente, ascendendo no ar a uma velocidade de 20 m/s. Pelo contrário, nos automóveis cujo motor é a gasolina, em caso de um acidente, haverá um derrame do combustível. Além do mais, em casos extremos de incêndio, nos motores a hidrogénio será irradiado menos calor que num incêndio alimentado por hidrocarbonetos [9]. Há muitos reservatórios de hidrogénio, visto que este pode ser obtido através de diversos compostos, tais como água etc., sendo que muitos deles ainda não foram descobertos, o que faz com que em comparação com os outros combustíveis, a produção seja mais distribuída. Não esquecendo que vivemos numa sociedade completamente dependente do petróleo e de outras fontes de energia não renováveis, a utilização do hidrogénio faz com que haja uma diminuição dessa dependência. 2.5. Inconvenientes da utilização do hidrogénio como um combustível Como já foi referido, o hidrogénio não está presente na Natureza de forma isolada, sendo esta uma grande desvantagem. O método mais utilizado para obtenção do hidrogénio é a eletrólise da água, processo que requer um consumo de energia. Esta energia, por vezes, não é renovável, emitindo dióxido de carbono para a Natureza 6
e aumentando o efeito de estufa. No final do processo, é emitido vapor de água, que leva à formação de nuvens e consequentemente à precipitação, ou seja, leva a alterações climáticas. [10] Por outro lado, o hidrogénio pode ser extraído de hidrocarbonetos, emitindo também CO 2, tendo inúmeros efeitos negativos para o planeta. [10] Uma outra grande desvantagem é o facto do armazenamento do hidrogénio ser muito difícil. As duas formas de armazenamento mais comuns são o gás comprimido e o hidrogénio líquido. No primeiro, o hidrogénio é armazenado em tanques semelhantes ao do gás natural, onde é suportada uma pressão de 350 a 500 bar. No segundo, o hidrogénio está no estado líquido (temperatura inferior a -253 o C). Este tipo de armazenamento é feito para o transporte a longas distâncias e atualmente é utilizado na maioria dos voos espaciais. [11] A verdade é que o armazenamento e a distribuição do hidrogénio requerem a ocupação de um grande espaço, uma grande quantidade de energia para colocar o hidrogénio no sistema de armazenamento, um longo período de tempo para o enchimento de um tanque e um elevado custo, comparando com sistemas de armazenamento de combustíveis fósseis. [6] Outro inconveniente é que na presença de concentrações volumétricas de hidrogénio acima de 4% este elemento é suscetível de fácil ignição. Por isso é que, em áreas de maior probabilidade de fuga, não se deve fumar, manipular equipamentos elétricos, etc. [7] 7
3. Metanol 3.1. Princípios gerais O metanol, também conhecido como álcool metílico, é um composto químico, cuja fórmula é CH 3 OH, sendo assim formado por uma molécula de carbono, quatro de hidrogénio e uma de oxigénio, tal como se pode observar na Fig.5. Este composto é o álcool mais simples e, como tal, tem um grupo hidroxilo, o grupo funcional dos álcoois, que lhe confere polaridade. Quando puro, o metanol consiste num líquido incolor, volátil, límpido, inflamável e muito tóxico. Devido ao grupo OH, este composto é capaz de formar ligações de hidrogénio, pelo que é solúvel em água, para além de o ser nos solventes orgânicos vulgares. [12] Fig.5. Estrutura do metanol 3.2. Processos para a produção do metanol Atualmente o metanol é obtido, maioritariamente, a partir do metano, que reage com vapor de água na presença de um catalisador a uma pressão moderada e a altas temperaturas de acordo com a seguinte equação química: CH 4 (g) + H 2 O (g) CO (g) + 3 H 2 (g) [12] Assim, é possível observar que a reação inicial para a produção metanol é a mesma que para a produção do hidrogénio, nomeadamente a de reforma por vapor do gás natural. Seguidamente os produtos reagem na presença de outro catalisador, uma mistura de cobre, óxido de zinco e alumínio, produzindo assim metanol. Esta reação 8
dá-se a pressões muitíssimo elevadas, entre 200 a 300 atm, e a uma temperatura de cerca de 300º C: CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (l) [12] Contudo, este não é o único método para produzir metanol. De facto, este composto químico é muito flexível quanto à sua matéria-prima, uma vez que qualquer fonte carbonácea, fóssil ou renovável, pode ser convertida em gás de síntese, uma mistura combustível de gases, produzida através duma combustão incompleta de combustíveis sólidos, e de seguida em metanol. A tecnologia de produção do metanol tem evoluído de forma notável ao longo dos últimos anos. O metanol pode ser usado como um solvente e um anticongelante. Para além disso, este composto é utilizado como matéria-prima na produção de várias outras substâncias, tais como formaldeído, propileno e ácido acético. O metanol pode ainda ser usado como combustível, opção que vai ser explorada mais detalhadamente, uma vez que o uso deste composto tem as suas vantagens e desvantagens. [12] 3.3. Sociedade do metanol Desde dos tempos mais remotos que o metanol é utilizado. Já os antigos Egípcios o usavam para o processamento duma mistura de substâncias que incluía o metanol. [12] Atualmente, esta substância é das matérias-primas mais consumidas na indústria química. Esta indústria é uma das mais vibrantes do mundo, englobando a Ásia, a África, a América do Norte e do Sul, a Europa e o Médio Oriente. Em todo o mundo, mais de 90 fábricas de metanol têm uma capacidade de produção combinada de cerca de 75 milhões de toneladas, e cada dia mais de 100 mil toneladas de metanol é utilizado. [13] O metanol tem como aplicação o uso para combustíveis. O primeiro carro movido a metanol surgiu em 1978. O facto de o metanol ter um maior índice de octano, permite que o desempenho do veículo seja superior em comparação a um movido a gasolina. Muitos países adotaram ou estão a tentar expandir os programas de abastecimento do metanol. Isto deve-se, em grande parte, ao preço acessível do metanol comparado com a gasolina ou o etanol e o custo adicional muito pequeno para modificar veículos atuais para serem alimentados com misturas de combustível de metanol. Metanol também produz emissões muito menos tóxicas do que a gasolina, o combustível mais utilizado hoje em dia. [11] 9
O uso deste combustível tem várias vantagens, nomeadamente, o facto de reduzir a emissão de gases responsáveis pelo efeito de estufa e, todavia, ser possível a sua utilização em motores a gasolina, não sendo preciso um grande investimento 3.4. Vantagens da utilização do metanol como combustível O uso de metanol como um combustível foi sugerido em 2006 por George Olah, portador de um prémio Nobel de química. Este cientista defende que o metanol é o melhor candidato para ser o combustível do futuro. Na verdade, existem inúmeras vantagens em usar o metanol como combustível. Devido à sua estrutura química simples, este composto é muito fácil de produzir e como dito anteriormente pode ser obtido através de diversas matérias-primas [12]. Além do mais, é muito mais fácil e seguro de armazenar e transportar, pois a energia é convertida em líquido e não em gás, como seria o caso do hidrogénio. Uma vez que o metanol se encontra no estado líquido, seria mais fácil de modificar as já existentes infraestruturas, sendo que não seria necessário um grande investimento por parte do estado [11]. Assim, o metanol poderia ser distribuído da mesma maneira e nas mesmas instalações onde se distribui a gasolina, pelo que seria necessário apenas umas ligeiras alterações. Outra vantagem do metanol é que o uso deste combustível iria contribuir para a diminuição de CO 2 na atmosfera, uma vez que em comparação aos combustíveis convencionais, o metanol liberta menos gases poluentes para a atmosfera [9]. Como é possível observar na Fig.6. Fig. 6 Comparação da emissão de gases de estufa entre veículos a células de combustível e veículos a gasolina convencional [9] Em termos de segurança, o metanol apresenta, igualmente, uma vantagem em relação aos outros combustíveis, pois este composto queima mais lentamente e emite 10
menos calor, que o petróleo, por exemplo [11]. Além do mais, o metanol é menos inflamável que as restantes opções de combustível, o que significa que apresenta um menor risco de combustão indesejável do que a gasolina ou o hidrogénio. 3.5. Inconvenientes da utilização do metanol como combustível Este composto, contudo, também tem as suas desvantagens, que tornam o uso deste como combustível suscetível de dúvidas. Um dos maiores inconvenientes é o facto de o metanol ser tóxico para o organismo humano [12], o que significa que seria necessário adotar medidas de segurança estritas tanto na produção como na distribuição e consumo deste composto químico, uma vez que não pode haver contacto direto entre este combustível e o utente. O metanol é, também muito corrosivo, sendo assim necessária uma manutenção rigorosa dos meios de armazenamento e transporte e o revestimento dos mesmos, de modo a evitar potenciais fugas ou derrames. Apesar do metanol ser menos poluente do que a gasolina, emite, todavia, quantidades de CO 2 para a atmosfera, pelo que no que toca a este argumento o hidrogénio seria uma melhor solução. Outro argumento contra o uso de metanol, é o facto de este combustível produzir uma chama invisível [11], sendo assim difícil de detetar, o que afeta a segurança. Para além disso, o metanol possui um baixo potencial energético [6], comparado com os outros combustíveis existentes, como indicado na Tab.1., que mostra o poder calorífico dos diferentes combustíveis: Tab. 1. Valor do Poder Calorífico dos diversos combustíveis Combustível: Valor do Poder Calorífico Superior (a 25ºC e 1 atm) Hidrogénio 141,86 kj/g 119,93 kj/g Metano 55,53 kj/g 50,02 kj/g Propano 50,36 kj/g 45,6 kj/g Gasolina 47,5 kj/g 44,5 kj/g Gasóleo 44,8 kj/g 42,5 kj/g Metanol 19,96 kj/g 18,05 kj/g Valor do Poder Calorífico Inferior (a 25ºC e 1 atm) 11
4. Qual a melhor solução à luz do conhecimento actual? Antes de responder à problemática inicial, é importante confrontar os dois combustíveis. A verdade é que comparando as emissões de CO 2, concluímos que a utilização do metanol é a que emite mais. No entanto, da combustão do hidrogénio resulta vapor de água, gás responsável pelo efeito de estufa, que irá levar à formação nuvens e consequentemente à precipitação, alterando, assim, o clima. Por outro lado, enquanto que o hidrogénio não é tóxico, o metanol é, sendo, por isso, importante tomar algumas medidas de precaução aquando da sua utilização. Também, o facto de o metanol ser mais fácil de armazenar e mais seguro que o hidrogénio constituem duas vantagens deste combustível. Depois de confrontar os dois combustíveis é possível concluir que não há uma resposta concreta à pergunta de qual será a melhor escolha. Ambas as utilizações têm factores a favor e factores contra e, deste forma, cabe ao consumidor analisar qual será a melhor escolha, tendo em atenção as suas necessidades. 12
Conclusão É urgente diminuir a dependência dos combustíveis fósseis, uma vez que estes emitem gases responsáveis pelo efeito de estufa. Desta forma, o hidrogénio e o metanol são possíveis alternativas. O hidrogénio tem inúmeras vantagens que o metanol não apresenta. Por exemplo, o facto de, da sua combustão só resultar vapor de água, o que torna este combustível mais limpo que o metanol, pois este último emite CO 2, responsável pelo efeito de estufa. Para além disso, a utilização do hidrogénio como combustível não produz qualquer tipo de ruído, facto que não verifica com o metanol. Contudo, o metanol também apresenta vantagens que o hidrogénio não verifica. O facto, por exemplo, de o metanol se encontrar no estado liquido faz com que seja mais fácil modificar as infraestruturas já existentes, enquanto que para o hidrogénio seria necessário a sua construção. Outro ponto a favor da sua utilização é o facto de o metanol ser menos inflamável que os restantes combustíveis, o que significa que apresenta um menor risco de combustão indesejável do que a gasolina ou o hidrogénio Assim, é possível concluir que tanto o hidrogénio como o metanol têm as suas vantagens e desvantagens, não sendo possível chegar a uma conclusão concreta de qual será a melhor escolha. 13
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