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Prof. Helton José Alves “Tecnologias de Produção de Hidrogênio” Palotina, 19/05/14 Programa de Pós-Graduação em Bioenergia

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Gerador de Hidrogênio

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  • 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