Hidrogênio

Hidrogênio

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia CivilEmpreendimentos Energéticos

SustentáveisJim Silva Naturesa

Índice

� Introdução;� Produção;� Impactos ambientais;� Análise econômica;� Células a combustível;� Exemplos;� Projeto;� Descrição;� Conclusão.

Introdução

Vantagens do Hidrogênio:� Pode ser obtido por diversas fontes (fósseis ou

renováveis);� Sua conversão produz apenas água.

Desvantagens:� Não é uma fonte primária de energia;� É um vetor energético assim como a eletricidade;� Precisa ser extraído, podendo gerar poluição;� Difícil de ser armazenado em grandes quantidades.

Introdução

� A maioria do hidrogênio produzido atualmente no mundo está associada ao petróleo (78%), sendo apenas 4% de origem renovável utilizando, basicamente, a hidroeletricidade.

� O Laboratório de Hidrogênio da UNICAMP estimou a composição percentual do mercado brasileiro de hidrogênio para o ano de 1984: amônia para fertilizantes (75,6%), refino de petróleo (8,5%), produção de metanol (3,5%), subproduto da industria de soda cáustica (8,6%).

Introdução

� Segundo dados do Programa Brasileiro de Células a Combustível, há aproximadamente 0,8 MW provenientes de projetos de demonstração de células a combustível de ácido fosfórico no Brasil (2003).

� Esse programa prevê que até o ano de 2012 haverá50 MW instalados no país, o que corresponde a 0,4% da potência relacionada ao Proinfa (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica).

Produção – Demanda Mundial

1038,5851,5810,3786,2788,0Total

12,810,38,17,45,9Célula a ombustível

338,6288,8251,1244,3222,4Mercado (exceto célula a

combustível)

687,1553,2551,1534,5559,7Grandes Consumidores

20031998199719961995

(109 m3 / ano)HidrogênioMundial deConsumoSetor

Produção – Principais processos de geração de hidrogênio

Radiação solar/ painéis fotovoltáicos

ÁguaEletrólise fotovoltaica

Calor gerado por usinas nucleares / energia solar

ÁguaHidrólise a altas temperaturas

Calor gerado por usinas nucleares / energia solar

ÁguaTermoquímica

Insumo energético (foguetes, células a combustível)

Calor gerado pela queima do carvão

Carvão + ÁguaOxidação parcial de carvão

Insumo químico (indústria petroquímica)

Calor gerado pela queima de hidrocarbonetos

Hidrocarbonetos pesados + Água

Oxidação parcial de óleos pesados

Calor gerado pela queima de hidrocarbonetos

Hidrocarbonetos leves (metano, nafta) + Água

Reforma a vapor de hidrocarbonetos

EletricidadeÁguaEletrólise

AplicaçãoFonte de energiaInsumo básicoProcesso

Produção – Processo de Reforma

� A reforma é definida como a conversão catalítica e endotérmica de um combustível líquido, sólido ou gasoso para um gás combustível (H2).

� A maioria dos processos utiliza hidrocarbonetos leves - cadeias carbônicas situadas entre o metano e a nafta com pontos de ebulição inferiores a 250°C.

� Os três métodos de reforma mais comuns são: reforma a vapor, oxidação parcial e reforma autotérmica.

� A reforma a vapor do gás natural (metano) é o método mais barato de produzir hidrogênio.

� Aproximadamente 48% da produção mundial de hidrogênio érealizada por esse processo.

Produção – Eletrólise da água

� A eletrólise da água é um processo que utiliza uma fonte eletromotriz externa para a produção de hidrogênio e oxigênio, através de reações eletroquímicas.

� No processo há dois eletrodos: o catodo, onde se deposita o hidrogênio; e o anodo, de onde se retira o oxigênio.

� Os eletrolisadores convencionais podem ser de dois tipos: unipolar e bipolar.

� Ambos são compostos por células individuais justapostas (catodo e anodo interligados); conectadas em paralelo, no tipo unipolar e em série no tipo bipolar.


� Os eletrolisadores avançados são do tipo bipolar, pois possuem tamanhos menores e uma eficiência maior.

� Os principais são os alcalinos a médias temperaturas com eletrólito sólido.

� Os componentes mais importantes de uma planta de hidrogênio por eletrólise da água são: retificador, desmineralizador, sistemas de separação de gases, armazenamento intermediário, sistemas de purificação e armazenamento.

Impactos ambientais

� A eletrólise da água é um processo quase isento de emissões, sendo que o oxigênio gerado pode ser liberado para a atmosfera ou armazenado.

� Mas, emissões significativas ocorrem quando se utiliza energia elétrica (necessária para o processo) gerada por combustíveis fósseis.

� Se forem utilizadas fontes primárias para a produção de energia elétrica para a eletrólise, como a energia solar e a energia eólica, essas emissões são bastante reduzidas.

Impactos ambientais

� Porém, se a fonte for de origem hidroelétrica, devem ser consideradas as emissões de CO2 e CH4 devido à decomposição anaeróbica da biomassa submersa nos reservatórios.

� Os processos de tratamento e armazenagem do hidrogênio praticamente não aumentam a emissão de poluentes.

Análise econômica – Estimativas do custo do hidrogênio no Brasil

0,0850,94132,910,1456 US$ m-3Gás natural

0,1581,75661,432,368x106 US$ mês-1Eletrólise (segundo Bockris)

0,1761,95668,3836,6 x 10-3 US$ kWhEletrólise (segundo Silva)

US$ m-3US$ kg-110-3 US$ Mcal-1

HidrogêniodoCusto Preço do insumoForma de Geração

Análise econômica – Comparação dos custos de produção do hidrogênio

Célula a combustível

� A célula a combustível é basicamente uma bateria, ou seja, um dispositivo que produz energia elétrica a partir de reações eletroquímicas.

� Logo, as células a combustível são dispositivos eletroquímicos que produzem energia elétrica utilizando como combustível o hidrogênio.

� Na célula, o hidrogênio é fornecido constantemente a um dos eletrodos - o anodo-, que reage eletroquimicamente com o oxigênio (oxidante) suprido no outro eletrodo - o catodo.


Vantagens:� Alta eficiência (pode ultrapassar 70%);� Baixo nível de ruído (não possui partes móveis);� Instalações modulares ajustam-se à carga e aumentam a

confiabilidade (de W a MW);� Emissão baixa ou nula de SOX, NOX, CO2, compostos

orgânicos e particulados.

Desvantagens:� Alto custo: platina ou cerâmicas especiais, montagem;� Vida útil limitada e baixo nível de reciclagem;� Infra-estrutura de produção/distribuição de hidrogênio.


As cinco principais tecnologias de células a combustível são:

1) Células alcalinas (AFC - Alkaline Fuel Cell);

2) Células a ácido fosfórico (PAFC - Phosforic Acid Fuel Cell);

3) Células a polímero sólido (SPFC - Solid Polymer Fuel Cell);

4) Células a carbonato fundido (MCFC - Molten Carbonate FuelCell);

5) Células a óxido sólido ( SOFC - Solid Oxide Fuel Cell).


� As tecnologias diferem entre si pelo eletrólito utilizado na célula, por suas reações eletroquímicas e pelas temperaturas envolvidas.

� Com relação à temperatura de operação, as células são divididas em dois grupos: células da primeira geração, que operam em temperaturas de até200° C; e as células da segunda geração, que trabalham com uma temperatura entre 600 a 1000°C.


- O calor produzido pode ser utilizado em aplicações de cogeração ou acionar uma turbina a vapor.- Pode ser usada em um ciclo combinado (eficiência da ordem de 80%).

- Elevadas temperaturas: 1000º C;- Dispensam a utilização de catalisadores à base de materiais nobres e de alto custo;- Possuem vida longa.

Células a Óxido Sólido (SOFC)

- Centrais de cogeração de médio e grande porte.

- Elevada eficiência energética (combustível / energia elétrica): 55%;- Quando o calor residual é utilizado a eficiência pode chegar a 85%.

Células a Carbonato Fundido (MCFC)

- São utilizadas na indústria automotiva em substituição aos motores de combustão interna.

- Requerem o emprego de catalisadores àbase de metais nobres (platina).

Células a Polímero Sólido (SPFC)

- Centrais de cogeração com potência de 50 a 1000 kW;- Podem ser utilizadas nas dependências do consumidor (on-site power).

- Requerem o emprego de catalisadores àbase de metais nobres (platina);- Excelente estabilidade térmica, química e eletroquímica.

Células a Ácido Fosfórico (PAFC)

- Aplicações remotas estratégicas (missões espaciais, submarinas e militares);

- Não requerem materiais de alto custo na sua construção;- Possuem vida longa (15 mil horas);- Alto custo.

Células Alcalinas (AFC)

AplicaçõesCaracterísticasTipo

Exemplos

Projeto

� O excedente de energia em uma hidrelétrica é a diferença entre a geração verificada e a geração assegurada. A geração assegurada é a energia que a usina fornece aos seus clientes e distribuidoras de energia elétrica.

� Segundo Ferreira no ano de 1999 a usina hidrelétrica de Itaipu verteu 4.806.000 MWh/ano, o que representou 11,6% da sua capacidade de produção.

� A energia excedente, água não turbinada, de Itaipu pode ser convertida em hidrogênio através de eletrólise e armazenada.

Projeto - Itaipu

� A potência instalada da Usina é de 12.600 MW, com 18 unidades geradoras de 700 MW cada. Sendo 9 geradores em 60 Hz e 9 em 50 Hz.

� A produção recorde de 2000 - 93,4 bilhões de quilowatts-hora (KWh) - foi responsável pelo suprimento de 95% da energia elétrica consumida no Paraguai e 24% de toda a demanda do mercado brasileiro.

� Parte da energia dos grupos de 50 Hz são transmitidos para o Brasil através de uma linha de transmissão em corrente contínua (HVDC - High Voltage Direct Current).

Projeto - Itaipu

Projeto

� Essa energia pode ser novamente convertida em energia elétrica pelo uso das células a combustível e transmitida utilizando dispositivos FACTS (Flexible AC TransmissionSystems) para as áreas de consumo.

� Os dispositivos FACTS têm o objetivo de flexibilizar os sistemas de transmissão de energia elétrica.

� Esses dispositivos, normalmente compensadores de reativos em série ou em derivação com as linhas, são controlados por tiristores - semicondutores de alta potência.

Projeto – Eletrólise e armazenagem do hidrogênio

Projeto

Os dispositivos que têm sido mais aplicados em sistemas de energia elétrica são:

� Compensador estático de reativos (SVC - Static Var Compensator);

� Compensador estático (STATCON - Static Condenser);

� Compensador Série Controlado (CSC - Controlled Series Compensator);

� Controlador de fluxo de potência (LFC - Load Flow Controller) e

� Controlador de fluxo de potência unificado (UPFC - Unified PowerFlow Controller).

Projeto – Características do dispositivos FACTS

Projeto

� O componente FACTS empregado é o capacitor série controlado - TSCS (Thyristor-

Controlled Series Capacitor).

� Utilizando o capacitor série controlado pode-se aumentar a capacidade de transmissão de potência ativa sem a necessidade de alteração das linhas de transmissão.

Projeto – Célula a combustível e dispositivo FACTS

Projeto

A potência ativa de um sistema de geração e transmissão de energia elétrica é dada por:

P = [ V1 V2 sen (δ1 - δ2) ] / x

Onde:

V1 é a tensão da barra de geração (Volts),V2 é a tensão da barra de carga (Volts),δ1 é o ângulo da barra de geração (graus),δ2 é o ângulo da barra de carga (graus) e x é a impedância total da linha de transmissão (Ohms).

Projeto – Característica Potênciaversus ângulo de carga

Projeto

O capacitor altera a impedância desta linha, pois seu efeito se contrapõe ao do indutor.

A figura apresenta a característica do capacitor série controlado, esse dispositivo possui uma capacitância variável.

A impedância total da linha é definida como:x = xl – xc

Dessa forma, a impedância da linha pode ser alterada possibilitando um aumento significativo da potência ativa transmitida.

A capacidade de transmissão de energia será limitada pela característica térmica da linha de transmissão, ou seja, pela sua potência dissipada (Ri2).

Projeto – Capacitor série controlado

Conclusão

� Para a produção de grandes quantidades de hidrogênio são necessários altos investimentos na montagem da planta eletrolítica, na aquisição de eletrolisadores, retificadores AC/DC, sistemas de controle, refrigeração e estocagem.

� Os dispositivos FACTS (capacitor série-controlado) também possuem um custo elevado e o país não detém o know-how da tecnologia.

� Outro problema não considerado refere-se à armazenagem de grandes quantidades de hidrogênio.

� Uma análise detalhada poderá indicar as melhores soluções para se evitar desmatamentos e desapropriações com as instalações dos reservatórios.

Referências

� Figuras

Revista Scientific American Brasil. www2.uol.com.br/sciam/

Song, Y. and Jonhs A. Flexible AC transmission system (FACTS). The Institution of Electrical Engineers.

www.fuelcelltoday.com

www.unicamp.br

� Tabelas

Reis, L. B. Geração de Energia Elétrica. Manole. 2003.

Tolmasquim, M (Organização). Fontes renováveis de energia no Brasil. Editora Interciência. 2003.

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