Prof. Helton Jos Alves
Tecnologias de Produo de Hidrognio
Palotina, 19/05/14
Programa de Ps-Graduao em Bioenergia
O HIDROGNIO
- Elemento mais abundante do universo (95% em
nmero de tomos e 75% em massa);
- 99% da energia do universo proveniente do
hidrognio;
- fuso nuclear (consumo de 4 milhes de ton de
hidrognio/s) / ncleo do Sol (10 milhes de oC) /
presso 10.000 vezes maior do que no centro da terra /
0,7% mais pesado que o He / sobra de matria se
transforma em luz e calor;
- ocorrncia x disponibilidade.
(o ar possui 0,000055% de hidrognio)
O HIDROGNIO
- O gs hidrognio H2 foi produzido pela reao qumica entre
metais e cidos fortes (Paracelso 1493-1541);
- Primeiro dirigvel decolado com hidrognio em 1852 (Henri Giffard);
Zeppelins: voos programados (1900) / plataformas de observao e
bombardeadores durante a 1 a Guerra Mundial (1914);
1937 primeiro acidente (New Jersey)
O HIDROGNIO
Vetor energtico: uma substncia ou fenmeno que pode ser
usado para produzir trabalho mecnico/calor, ou ento
para desencadear processos qumicos ou fsicos.
Caractersticas/exemplos:
Dentre os vetores mais comuns encontram-se molas, baterias
eletroqumicas, condensadores, o hidrognio, a gua represada
das barragens, o ar pressurizado, o carvo, o petrleo, o gs
natural, e a lenha.
O hidrognio um tipo de vetor energtico que poder vir a ser
utilizado na distribuio de energias renovveis.
Ex.: a eletricidade gerada por turbinas elicas pode ser aplicada na
produo de hidrognio atravs da eletrlise da gua, que por sua
vez usado num veculo de clulas de combustvel a hidrognio.
O HIDROGNIO
PROPRIEDADES DO H2
PROPRIEDADES VALORES
Frmula Qumica
Massa Molecular
Qtde de energia por unidade de massa
Temperatura do estado lquido
Massa volumtrica
Ponto de ebulio
Ponto de fuso
H2
1 g/mol
145,0 MJ/kg
-253C
0,08967 kg/m3
-252,88 C
259,20C
TECNOLOGIAS DE PRODUO DE HIDROGNIO
PODER CALORFICO MAIOR DO QUE QUALQUER OUTRO
TIPO DE COMBUSTVEL: 145 MJ/kg
ARMAZENAMENTO E TRANSPORTE H2
A massa das carretas
carregadas prxima da massa das carretas vazias.
Caminho: GERAO ON-SITE
Inflamvel: > 4% em mistura com o ar ou ignio
USOS DO HIDROGNIO
- Sntese da amnia ou metanol;
- Produo de ferro e ao (agente redutor);
- Tratamento de leos (hidrogenao) e
gorduras (saturao);
- Indstria do vidro e componentes eletrnicos.
- Refinarias (dessulfurizao
de diesel e gasolina)
- Aplicao direta em energia
(energia trmica ou CaC)
PRODUO DO HIDROGNIO
TECNOLOGIAS E ROTAS DE PRODUO DE HIDROGNIO
ROTAS DO HIDROGNIO A PARTIR DE FSSEIS
GERAO DE H2 VIA FONTES RENOVVEIS
CUSTOS DOS COMBUSTVEIS X EMISSO CO2
CUSTOS DO H2 X IMPACTOS AMBIENTAIS
GERAO DE H2 VIA FONTES RENOVVEIS
ROTAS DO HIDROGNIO A PARTIR DA BIOMASSA
No s por reforma a vapor...
Microorganismos
REFORMA VAPOR VRIAS FONTES
Reaes
Endotrmicas
Reforma do metano: modelo para a reforma do biogs
ROTAS ENERGTICAS - BIOGS
PRODUO DE BIOGS DIVERSOS RESDUOS
COMPOSIO DO BIOGS X DENSIDADE E PCI
IMPUREZAS E PURIFICAO DO BIOGS
PROCESSOS CONVENCIONAIS REFORMA DO BIOGS
1) Biogs in natura: 55 70% CH4, 30 45% CO2,
500-4000 ppm H2S
2) Biogs parcialmente tratado: remoo de H2S
3) Biogs enriquecido em biometano: 93 96% CH4,
4 7% CO2, < 100 ppm H2S
COMPOSIO DO BIOGS PERFIL PARA A REFORMA
Condies prximas da reforma
do gs natural ( 90% CH4)
PROCESSOS CONVENCIONAIS REFORMA DE HC
H2
REFORMA A
VAPOR
REFORMA
A SECO
REFORMA
AUTOTRMICA
REFORMA A
SECO
OXIDATIVA
REFORMA
OXIDATIVA
PARCIAL
Processo endotrmico ou exotrmico de converso cataltica, de um
combustvel lquido, slido ou gasoso para um gs que pode ser utilizado
como combustvel (Sordi el al, 2006).
DEFINIO DE REFORMA
Reformador Convencional
REFORMADOR PARA A PRODUO DE H2
- Reator: leito fixo ou fluidizado
- Catalisador: p, pastilha,
monoltico, etc
Reforma a Seco do Biogs
REFORMA DO BIOGS PARA A PRODUO DE H2
Reforma a Vapor do Glicerol
REFORMA DO GLICEROL PARA A PRODUO DE H2
Catalisadores Heterogneos
REFORMA PARA A PRODUO DE H2
Ni/Al2O3
Reforma do Glicerol
REFORMADOR PARA A PRODUO DE H2
PROPRIEDADES VALORES
Frmula Qumica C3H8O
Massa Molecular 92,09 g/mol
Densidade (20 C) 1,261 g/cm3
Viscosidade (20 C) 1,5 Pa.s
Ponto de fuso 18C
Ponto de ebulio (1atm) 290 C
EQ. EQUAO H0 298 (kJ/mol)
TIPO DE REAO
1 C3H8O3 + 3 H2O 3CO2 + 7H2 + 128 Global de reforma a vapor ou reforma da fase lquida
2 C3H8O3 + O2 CO + 2CO2 + 4H2 -314,76 Oxidao do glicerol
3 C3H8O3 + 1,5 O2 3CO2 +4H2 - 598 Oxidao do glicerol
4 C3H8O3 + 3,5 O2 3CO2 + 4H2O -1564,93 Oxidao do glicerol
5 C3H8O3 4H2(g) + 3CO(g) +250 Decomposio do Glicerol
USINAS DE BIODIESEL DO PR - GLICEROL
USOS DO GLICEROL
PRODUO E USO DE H2 NA AGROINDSTRIA
Preo no interior:
R$0,35 - 1,20 / m3
Reao endotrmica
(1) - Reao entre o metano e o vapor dgua
(2) - Reao de deslocamento gs-gua (Shift)
(3) - Formao do coque
REFORMA A VAPOR DO METANO
(1)
(2)
(3)
Maior relao H2/CO (3:1)
PROBLEMAS COM O CATALISADOR NA REFORMA
Desativao:
- Depsito de C (coque)
- Envenenamento (enxofre)
- Sinterizao (fase lquida)
Solues
- Vapor de H2O
- Catalisador com
suportes bsicos
contendo Ca, Mg
ou K
Reaes exotrmicas
(4) - Reao parcial: entre metano e oxignio
(5) - Reao completa: entre metano e oxignio
Seguido de reaes paralelas
Formao de pontos quentes
REFORMA OXIDATIVA
(4)
(5)
Relao H2/CO (2:1)
Reao endotrmica
(6) - Reao entre metano e CO2
Processo Fischer-Tropsch (gs de sntese)
Maior tendncia de formao de coque
Uso de gases de efeito estufa
REFORMA A SECO
Menor razo H2/CO (1:1)
(6)
Reaes exotrmicas e endotrmicas
(4, 5) - Reao entre o metano e oxignio
(1) - Reao entre metano e vapor dgua
(6) - Reao entre metano e CO2
Maior eficincia energtica
Maior controle reacional
REFORMA AUTOTRMICA
(1)
(4)
(5)
(6)
REFORMAS MAIS UTILIZADAS
MEMBRANA SELETIVA HIDROGNIO
Leito cataltico
envolvido por
membrana densa
de Paldio
GERAO DE H2 - GASEIFICAO
TECNOLOGIAS DE PRODUO DE HIDROGNIO
PURIFICAO DO HIDROGNIO
PURIFICAO DO HIDROGNIO
PURIFICAO DO HIDROGNIO
PARMETROS PROCESSOS DE REFORMA
Reforma interna do biogs -
clulas a combustvel SOFC
(solid oxide fuel cell) de alta
temperatura
REFORMA INTERNA FORMAO DE COQUE
FLUXOGRAMA: BIOGS - HIDROGNIO CaC
TRABALHOS COM HIDROGNIO UFPR / PTI-ITAIPU
ESTUDO DE CASO: POTENCIAL DE OBTENO DE
HIDROGNIO NA REGIO OESTE DO PARAN
PARMETROS E DADOS UTILIZADOS
Dados utilizados na estimativa de produo de biogs
- Fonte: Biogs
- Processo de Reforma: Autotrmica
- Clula a Combustvel: PAFC (phosphoric acid fuel cell)
VOLUME DE BIOGS ESTIMADO DA REGIO OESTE DO PARAN
PARMETROS E DADOS UTILIZADOS
PARMETROS E DADOS UTILIZADOS
PRODUO DIRIA DE RESDOS NA REGIO OESTE DO PARAN
POTENCIAL: HIDROGNIO E ENERGIA ELTRICA
Representa 28% da
energia consumida.
Tecnologia aumenta a
gerao de energia
eltrica em 109% quando comparada
tecnologia de
motogerador.
- Produo de 1,7 milhes de m3/dia de H2
- Produo de energia eltrica 2405 MWh /dia
OUTRAS TECNOLOGIAS DE PRODUO DE H2
ARGENTINA: Asociacin Argentina del Hidrgeno (AAH2)
BRASIL: Programa de Cincia, Tecnologia e Inovao para a economia do hidrognio (ProH2)
Centro Nacional de Referncia em Energia do Hidrognio (CENEH)
PARAGUAI: Universidad Nacional de Asuncin e Itaipu
OUTROS: grupos de P&D em universidades (UNICAMP, USP, UFSCar...)
Programas de Hidrognio na Amrica Latina
HIDROGNIO NA AMRICA LATINA
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