O documento discute a produção e aplicações do hidrogênio como vetor energético sustentável, mencionando: 1) A eletrólise da água como método de produção renovável; 2) O uso de células a combustível para converter hidrogênio de volta em energia elétrica; 3) Um projeto proposto utilizando o excedente de energia da hidrelétrica de Itaipu para gerar hidrogênio via eletrólise.
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.
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
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.
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).
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%).
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).
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.
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).
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.
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).
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).
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.