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Fonte: http://juno.unifei.edu.br/bim/0042488.pdf
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DA ENERGIA
Samara Abou Arabi Pineschi
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA COMPACTO DE PRODUÇÃO DE GÁS
RICO EM HIDROGÊNIO
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia de Energia como parte dos requisitos para
obtenção do Título de Mestre em Ciências em Engenharia de
Energia.
Área de concentração:
Exploração do Uso Racional de Recursos Naturais e Energia
Orientador: Prof. Dr. Vladimir Rafael Mélian Cobas
Agosto de 2013
Itajubá -MG
Samara Abou Arabi Pineschi
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA COMPACTO DE PRODUÇÃO DE GÁS
RICO EM HIDROGÊNIO
Dissertação aprovada por banca examinadora em 09 de
agosto de 2013, conferindo ao autor o título de Mestre em
Ciências em Engenharia de Energia.
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Vladimir Rafael Mélian Cobas (orientador)
Prof. Dr. José Luz Silveira
Prof.a
Dr.a Maria Elena Leyva González
Itajubá -2013
Itajubá, Agosto de 2013
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA COMPACTO DE
PRODUÇÃO DE GÁS RICO EM HIDROGÊNIO
Autor: Samara Abou Arabi Pineschi
Orientador: Prof. Dr. Vladimir Rafael Mélian Cobas
ITAJUBÁ
2013
Dedicatória
Dedico este trabalho a todos aqueles que de alguma forma não se contentam em aceitar o já
estabelecido e que buscam sempre o conhecimento do novo, contribuindo para um
entendimento progressivo das evolutivas leis harmônicas que regem nossa existência.
Agradecimentos
A minha família, a quem tudo devo e agradeço...
A todos os amigos, que preenchem e alegram minha existência...
Ao meu companheiro de jornada Denício Coelho, juntos dividimos as dificuldades e alegrias
deste trabalho e a experiência da busca de um mundo melhor.
Que luz é essa que vem vindo lá do céu?
Brilha mais que a luz do sol
Vem trazendo a esperança
Prá essa terra tão escura
Ou quem sabe a profecia das divinas escrituras
Quem é que sabe o que é que vem trazendo esse clarão
Se é chuva ou ventania, tempestade ou furacão
Ou talvez alguma coisa que não é nem Sim nem Não
(Raul Seixas)
OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho é realizar uma análise técnica-energética de diferentes
arranjos das chamadas células eletrolíticas compactas. É objetivo também deste trabalho
apresentar através da realização de testes de bancada com 3 protótipos diferentes de
eletrolisadores compactos sem separação de gases (dois deles projetados e fabricados pela
equipe de pesquisa), indicadores de operação e de resposta do sistema para contribuição no
desenvolvimento e otimização de tais células almejando-se fatores como: baixo custo, boa
eficiência, padrões de segurança aceitáveis e soluções inteligentes de uso dos recursos
naturais.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
o Apresentar o “estado da arte” referente às tecnologias de produção de Gás
Hidrogênio e conceitos envolvidos; 6
o Realizar estudo a respeito do cenário atual de produção em demanda de Gás Rico
em Hidrogênio– tipos de sistemas desenvolvidos;
o Apresentar considerações sobre o gás produzido através do processo de eletrólise
sem separação de gases– Gás Rico em Hidrogênio;
o Levantar Parâmetros e Curvas de Operação das Células Eletrolíticas Propostas;
o Realizar Análise Comparativa entre os Protótipos;
o Gerar Indicadores de Desempenho do Sistema Proposto;
2.3.3 Eletrólise
Na eletrólise da água, eletricidade é conduzida através de uma solução eletrolítica,
“quebrando” a molécula da água em seus elementos constituintes, hidrogênio H+ e oxigênio
O-, segundo reação básica:
*+(&) + 345678 →
* (:) + 1 2 + ⁄ * (4)
A dissociação da molécula da água H2O em moléculas de H2 e O2 se dá através da
aplicação de corrente elétrica direta que flui entre dois eletrodos sem ligação física e imersos
em solução aquosa eletrolítica. Diversas fontes de eletricidade podem ser usadas para
alimentar o processo de eletrólise da água, incluindo fontes intermitentes (solar, eólica,
mares), como também usinas hidroelétricas, termoelétricas, nucleares ou até mesmo baterias.
Uma enorme gama de configurações de eletrolisadores existe atualmente e é constantemente
otimizada para aplicação na produção de hidrogênio.
No processo de eletrólise, os elétrons são capturados ou liberados por íons na superfície
dos eletrodos criando dessa forma, um sistema de mistura gás - liquido. Uma vez que água
pura não apresenta boa condutividade de íons, a adição de reagente alcalino ou ácido (Stolten,
et al., 2010) usado como eletrólito faz-se necessária pra o aumento da propriedade de
condução de íons do meio, favorecendo assim, a ocorrência da reação química de dissociação
da água.
Segundo (Úrsua, et al., 2012) os eletrodos devem ser feitos de material que apresente
boa resistência à corrosão, alta condutividade elétrica, com propriedades catalíticas
adequadas para a reação e que apresente também integridade estrutural conveniente para a
aplicação em questão. Já o eletrólito deve manter-se inerte durante todas as etapas da reação,
ou seja, não deve sofrer nenhum tipo de mudança química ou estrutural e principalmente não
deve reagir com o material dos eletrodos.
No processo de eletrólise acontece reação de óxido-redução. A reação de redução se dá
no catodo, os elétrons fluem nesta direção e se concentram neste eletrodo polarizando-o, 25
dessa forma, negativamente. A reação de oxidação ocorre no outro eletrodo chamado de
anodo, os elétrons deixam o anodo em direção ao catodo o polarizando positivamente. Dessa
forma, gás hidrogênio H2 é formado no catodo com a interação dos íons H+ e dos elétrons
livres e gás oxigênio O2 e água H2O são formados no anodo a partir dos íons OH- conduzidos
ao anodo através da solução eletrolítica.
Eletrodos e diafragma (eletrólise com separação de gases) são os elementos que
configuram basicamente uma célula eletrolítica. Água e eletrólito compõem a solução
eletrolítica por onde corrente e íons circulam entre um eletrodo e outro.
Sistemas comercialmente disponíveis hoje são, em sua maioria, baseados em tecnologia
alcalina. Eletrolisadores alcalinos convencionais operam em temperaturas inferiores a 90ºC e
têm, usualmente, seus catodos formados por placas de aço e seus anodos por placas de liga de
níquel e aço (Vanags, et al., 2007). Variada gama de ligas metálicas pode ser utilizada como
matéria prima de eletrodos.
Eletrolisadores providos de membranas de troca de íons (PEM) têm sido desenvolvidos
e começam a ser comercializados com promessa de baixo custo. Designs experimentais de
eletrolisadores usando óxidos sólidos com altas temperaturas de operação (de 100ºC a 900ºC)
têm apresentado valores interessantes de eficiência. Sistemas eletrolisadores a altas
temperaturas oferecem uma maior eficiência de conversão de energia, pois parte do trabalho
de “quebra” da molécula da água é realizado pelo calor, entretanto este tipo de tecnologia
requer materiais com características mais específicas e apresentam um custo mais elevado
quando comparada aos eletrolisadores alcalinos (Florio, et al., 2006).
O processo de eletrólise da água possui normalmente faixa típica de eficiência de 40 a
85 % (Vanags, et al., 2007). Dentre os fatores que mais afetam a taxa de produção de
hidrogênio a partir da eletrólise da água e a eficiência deste processo estão: a seleção de
materiais para os eletrodos, a configuração das células eletrolíticas e as temperaturas de
operação do sistema.
Eletrólise da água pode ser usada para produção de hidrogênio em uma ampla escala de
valores, de alguns quilowatts a centenas de Megawatts. O custo de produção do hidrogênio
através da eletrolise é fortemente dependente do custo da eletricidade. 26
Sistemas de eletrólise são geralmente mais competitivos em relação a sistemas de
reforma de gás natural apenas onde existe um baixo custo na geração de energia elétrica.
Além da de aplicação direcionada nesta pesquisa – Gás Rico em Hidrogênio utilizado no
Setor de Transporte. Outro nicho para o desenvolvimento do mercado de hidrogênio a partir
da eletrólise da água é a implementação de seu uso como combustível em localidades de
difícil acesso, onde combustíveis convencionais apresentam alto custo de transporte, e
energia oriunda de fontes renováveis locais pode ser implementada para a produção de
hidrogênio.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DA ENERGIA
Samara Abou Arabi Pineschi
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA COMPACTO DE PRODUÇÃO DE GÁS
RICO EM HIDROGÊNIO
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia de Energia como parte dos requisitos para
obtenção do Título de Mestre em Ciências em Engenharia de
Energia.
Área de concentração:
Exploração do Uso Racional de Recursos Naturais e Energia
Orientador: Prof. Dr. Vladimir Rafael Mélian Cobas
Agosto de 2013
Itajubá -MG
Samara Abou Arabi Pineschi
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA COMPACTO DE PRODUÇÃO DE GÁS
RICO EM HIDROGÊNIO
Dissertação aprovada por banca examinadora em 09 de
agosto de 2013, conferindo ao autor o título de Mestre em
Ciências em Engenharia de Energia.
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Vladimir Rafael Mélian Cobas (orientador)
Prof. Dr. José Luz Silveira
Prof.a
Dr.a Maria Elena Leyva González
Itajubá -2013
Itajubá, Agosto de 2013
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA COMPACTO DE
PRODUÇÃO DE GÁS RICO EM HIDROGÊNIO
Autor: Samara Abou Arabi Pineschi
Orientador: Prof. Dr. Vladimir Rafael Mélian Cobas
ITAJUBÁ
2013
Dedicatória
Dedico este trabalho a todos aqueles que de alguma forma não se contentam em aceitar o já
estabelecido e que buscam sempre o conhecimento do novo, contribuindo para um
entendimento progressivo das evolutivas leis harmônicas que regem nossa existência.
Agradecimentos
A minha família, a quem tudo devo e agradeço...
A todos os amigos, que preenchem e alegram minha existência...
Ao meu companheiro de jornada Denício Coelho, juntos dividimos as dificuldades e alegrias
deste trabalho e a experiência da busca de um mundo melhor.
Que luz é essa que vem vindo lá do céu?
Brilha mais que a luz do sol
Vem trazendo a esperança
Prá essa terra tão escura
Ou quem sabe a profecia das divinas escrituras
Quem é que sabe o que é que vem trazendo esse clarão
Se é chuva ou ventania, tempestade ou furacão
Ou talvez alguma coisa que não é nem Sim nem Não
(Raul Seixas)
OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste trabalho é realizar uma análise técnica-energética de diferentes
arranjos das chamadas células eletrolíticas compactas. É objetivo também deste trabalho
apresentar através da realização de testes de bancada com 3 protótipos diferentes de
eletrolisadores compactos sem separação de gases (dois deles projetados e fabricados pela
equipe de pesquisa), indicadores de operação e de resposta do sistema para contribuição no
desenvolvimento e otimização de tais células almejando-se fatores como: baixo custo, boa
eficiência, padrões de segurança aceitáveis e soluções inteligentes de uso dos recursos
naturais.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
o Apresentar o “estado da arte” referente às tecnologias de produção de Gás
Hidrogênio e conceitos envolvidos; 6
o Realizar estudo a respeito do cenário atual de produção em demanda de Gás Rico
em Hidrogênio– tipos de sistemas desenvolvidos;
o Apresentar considerações sobre o gás produzido através do processo de eletrólise
sem separação de gases– Gás Rico em Hidrogênio;
o Levantar Parâmetros e Curvas de Operação das Células Eletrolíticas Propostas;
o Realizar Análise Comparativa entre os Protótipos;
o Gerar Indicadores de Desempenho do Sistema Proposto;
2.3.3 Eletrólise
Na eletrólise da água, eletricidade é conduzida através de uma solução eletrolítica,
“quebrando” a molécula da água em seus elementos constituintes, hidrogênio H+ e oxigênio
O-, segundo reação básica:
*+(&) + 345678 →
* (:) + 1 2 + ⁄ * (4)
A dissociação da molécula da água H2O em moléculas de H2 e O2 se dá através da
aplicação de corrente elétrica direta que flui entre dois eletrodos sem ligação física e imersos
em solução aquosa eletrolítica. Diversas fontes de eletricidade podem ser usadas para
alimentar o processo de eletrólise da água, incluindo fontes intermitentes (solar, eólica,
mares), como também usinas hidroelétricas, termoelétricas, nucleares ou até mesmo baterias.
Uma enorme gama de configurações de eletrolisadores existe atualmente e é constantemente
otimizada para aplicação na produção de hidrogênio.
No processo de eletrólise, os elétrons são capturados ou liberados por íons na superfície
dos eletrodos criando dessa forma, um sistema de mistura gás - liquido. Uma vez que água
pura não apresenta boa condutividade de íons, a adição de reagente alcalino ou ácido (Stolten,
et al., 2010) usado como eletrólito faz-se necessária pra o aumento da propriedade de
condução de íons do meio, favorecendo assim, a ocorrência da reação química de dissociação
da água.
Segundo (Úrsua, et al., 2012) os eletrodos devem ser feitos de material que apresente
boa resistência à corrosão, alta condutividade elétrica, com propriedades catalíticas
adequadas para a reação e que apresente também integridade estrutural conveniente para a
aplicação em questão. Já o eletrólito deve manter-se inerte durante todas as etapas da reação,
ou seja, não deve sofrer nenhum tipo de mudança química ou estrutural e principalmente não
deve reagir com o material dos eletrodos.
No processo de eletrólise acontece reação de óxido-redução. A reação de redução se dá
no catodo, os elétrons fluem nesta direção e se concentram neste eletrodo polarizando-o, 25
dessa forma, negativamente. A reação de oxidação ocorre no outro eletrodo chamado de
anodo, os elétrons deixam o anodo em direção ao catodo o polarizando positivamente. Dessa
forma, gás hidrogênio H2 é formado no catodo com a interação dos íons H+ e dos elétrons
livres e gás oxigênio O2 e água H2O são formados no anodo a partir dos íons OH- conduzidos
ao anodo através da solução eletrolítica.
Eletrodos e diafragma (eletrólise com separação de gases) são os elementos que
configuram basicamente uma célula eletrolítica. Água e eletrólito compõem a solução
eletrolítica por onde corrente e íons circulam entre um eletrodo e outro.
Sistemas comercialmente disponíveis hoje são, em sua maioria, baseados em tecnologia
alcalina. Eletrolisadores alcalinos convencionais operam em temperaturas inferiores a 90ºC e
têm, usualmente, seus catodos formados por placas de aço e seus anodos por placas de liga de
níquel e aço (Vanags, et al., 2007). Variada gama de ligas metálicas pode ser utilizada como
matéria prima de eletrodos.
Eletrolisadores providos de membranas de troca de íons (PEM) têm sido desenvolvidos
e começam a ser comercializados com promessa de baixo custo. Designs experimentais de
eletrolisadores usando óxidos sólidos com altas temperaturas de operação (de 100ºC a 900ºC)
têm apresentado valores interessantes de eficiência. Sistemas eletrolisadores a altas
temperaturas oferecem uma maior eficiência de conversão de energia, pois parte do trabalho
de “quebra” da molécula da água é realizado pelo calor, entretanto este tipo de tecnologia
requer materiais com características mais específicas e apresentam um custo mais elevado
quando comparada aos eletrolisadores alcalinos (Florio, et al., 2006).
O processo de eletrólise da água possui normalmente faixa típica de eficiência de 40 a
85 % (Vanags, et al., 2007). Dentre os fatores que mais afetam a taxa de produção de
hidrogênio a partir da eletrólise da água e a eficiência deste processo estão: a seleção de
materiais para os eletrodos, a configuração das células eletrolíticas e as temperaturas de
operação do sistema.
Eletrólise da água pode ser usada para produção de hidrogênio em uma ampla escala de
valores, de alguns quilowatts a centenas de Megawatts. O custo de produção do hidrogênio
através da eletrolise é fortemente dependente do custo da eletricidade. 26
Sistemas de eletrólise são geralmente mais competitivos em relação a sistemas de
reforma de gás natural apenas onde existe um baixo custo na geração de energia elétrica.
Além da de aplicação direcionada nesta pesquisa – Gás Rico em Hidrogênio utilizado no
Setor de Transporte. Outro nicho para o desenvolvimento do mercado de hidrogênio a partir
da eletrólise da água é a implementação de seu uso como combustível em localidades de
difícil acesso, onde combustíveis convencionais apresentam alto custo de transporte, e
energia oriunda de fontes renováveis locais pode ser implementada para a produção de
hidrogênio.