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Hidrogênio

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  • 1. Hidrogênio Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Civil Empreendimentos Energéticos Sustentáveis Jim Silva Naturesa
  • 2. Índice Introdução; Produção; Impactos ambientais; Análise econômica; Células a combustível; Exemplos; Projeto; Descrição; Conclusão.
  • 3. 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.
  • 4. 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%).
  • 5. 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 haverá 50 MW instalados no país, o que corresponde a 0,4% da potência relacionada ao Proinfa (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica).
  • 6. Produção – Demanda Mundial Setor Consumo Mundial de Hidrogênio (109 m3 / ano) 1995 1996 1997 1998 2003 Grandes 559,7 534,5 551,1 553,2 687,1 Consumidores Mercado (exceto 222,4 244,3 251,1 288,8 338,6 célula a combustível) Célula a ombustível 5,9 7,4 8,1 10,3 12,8 Total 788,0 786,2 810,3 851,5 1038,5
  • 7. Produção – Principais processos de geração de hidrogênio Processo Insumo básico Fonte de energia Aplicação Eletrólise Água Eletricidade Reforma a vapor de Hidrocarbonetos leves Calor gerado pela queima de hidrocarbonetos (metano, nafta) + Água hidrocarbonetos Oxidação parcial de óleos Hidrocarbonetos pesados + Calor gerado pela queima de Insumo químico (indústria pesados Água hidrocarbonetos petroquímica) Oxidação parcial de carvão Carvão + Água Calor gerado pela queima do Insumo energético (foguetes, carvão células a combustível) Termoquímica Água Calor gerado por usinas nucleares / energia solar Hidrólise a altas temperaturas Água Calor gerado por usinas nucleares / energia solar Eletrólise fotovoltaica Água Radiação solar/ painéis fotovoltáicos
  • 8. 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 é realizada por esse processo.
  • 9. 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.
  • 10. Produção – Eletrólise da água
  • 11. Produção – Eletrólise da água 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.
  • 12. 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.
  • 13. 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.
  • 14. Análise econômica – Estimativas do custo do hidrogênio no Brasil Forma de Geração Preço do insumo Custo do Hidrogênio 10-3 US$ Mcal-1 US$ kg-1 US$ m-3 Eletrólise (segundo 36,6 x 10-3 US$ kWh 68,38 1,956 0,176 Silva) Eletrólise (segundo 2,368x106 US$ mês-1 61,43 1,756 0,158 Bockris) Gás natural 0,1456 US$ m-3 32,91 0,941 0,085
  • 15. Análise econômica – Comparação dos custos de produção do hidrogênio
  • 16. 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.
  • 17. Célula a combustível
  • 18. Célula a combustível
  • 19. Célula a combustível 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.
  • 20. Célula a combustível 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 Fuel Cell); 5) Células a óxido sólido ( SOFC - Solid Oxide Fuel Cell).
  • 21. Célula a combustível
  • 22. Célula a combustível 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 até 200° C; e as células da segunda geração, que trabalham com uma temperatura entre 600 a 1000°C.
  • 23. Célula a combustível Tipo Características Aplicações Células Alcalinas (AFC) - Não requerem materiais de alto custo na - Aplicações remotas estratégicas sua construção; (missões espaciais, submarinas e - Possuem vida longa (15 mil horas); militares); - Alto custo. Células a Ácido Fosfórico (PAFC) - Requerem o emprego de catalisadores à - Centrais de cogeração com potência de base de metais nobres (platina); 50 a 1000 kW; - Excelente estabilidade térmica, química - Podem ser utilizadas nas dependências e eletroquímica. do consumidor (on-site power). Células a Polímero Sólido (SPFC) - Requerem o emprego de catalisadores à - São utilizadas na indústria automotiva base de metais nobres (platina). em substituição aos motores de combustão interna. Células a Carbonato Fundido (MCFC) - Elevada eficiência energética - Centrais de cogeração de médio e (combustível / energia elétrica): 55%; grande porte. - Quando o calor residual é utilizado a eficiência pode chegar a 85%. Células a Óxido Sólido (SOFC) - Elevadas temperaturas: 1000º C; - O calor produzido pode ser utilizado em - Dispensam a utilização de catalisadores aplicações de cogeração ou acionar uma à base de materiais nobres e de alto custo; turbina a vapor. - Possuem vida longa. - Pode ser usada em um ciclo combinado (eficiência da ordem de 80%).
  • 24. Exemplos
  • 25. Exemplos
  • 26. Exemplos
  • 27. Exemplos
  • 28. Exemplos
  • 29. Exemplos
  • 30. 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.
  • 31. 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).
  • 32. Projeto - Itaipu
  • 33. Projeto Essa energia pode ser novamente convertida em energia elétrica pelo uso das células a combustível e transmitida utilizando dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission Systems) 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.
  • 34. Projeto – Eletrólise e armazenagem do hidrogênio
  • 35. 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 Power Flow Controller).
  • 36. Projeto – Características do dispositivos FACTS
  • 37. 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.
  • 38. Projeto – Célula a combustível e dispositivo FACTS
  • 39. 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).
  • 40. Projeto – Característica Potência versus ângulo de carga
  • 41. 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).
  • 42. Projeto – Capacitor série controlado
  • 43. 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.
  • 44. 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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