COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 174560

Raw material and technology process for Brazil’s future: hydrogen and energy storage Gerhard Ett

Palestra apresentada no Conference on International Exchange of Professionals: International Technology and Innovation Collaboration Session, 15., China, 2017

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT

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Raw Material and Technology Process for Brazil’s Future

Gerhard Ett, Dr.

Chefe Laboratório de Energia Térmica - LET

Centro de Tecnologia Mecânica, Naval, e Elétrica.

INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLÓGICAS – IPT

GETT@IPT.BR - (11) 3767-4667

Hydrogen and Energy Storage

The 15th Conference on International Exchange of Professionals--International Technology Transfer and Innovation Collaboration Session – 15,16 April 2017 CHINA

Produção Mundial de Energia 2050 – Qual a aposta?

2

2050

Fonte; http://www.iea.org/etp/explore/

FINAL CONSUMPTION

3 Fonte: http://www.iea.org/Sankey/ - Ago. 2016

Consumo e produção energético mundial

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Energy EUA China Brasil Mundo

Mtoe Mtoe Mtoe Mtoe

Oil Prod 476 210 110 4216

Oil Imp 439 282 20,4 2246

Coal Prod 477 1895 3,3 3958

Coal Imp 5 182 13,3 831

Gas Prod 567 101 17,9 2909

Gas Imp 67 44 14,1 873

Hidroelétrica 23 78 33,6 326

Bio/Waste prod 97 216 82,9 1376

% renovável 3,93% 6,92% 25,29% 7,32%

Total 2464 3119 327,7 18797

218.609.110 GWh

Fonte: http://www.iea.org/Sankey/ - Ago. 2016

Índice

Fontes de hidrogênio • Biomassa, Água, petróleo

Processos de produção do hidrogênio • Rotas Termoquímicas: Reforma e Gaseificação

• Rotas Eletroquímicas: Eletrólise

• Rotas térmicas: Solar, nuclear

Armazenagem

Logística, distribuição e aspectos de segurança • Sistema de distribuição - gasoduto

• Postos de armazenamento

• Segurança – propriedades

Utilização • Células a Combustível

• Materia-prima

PROPRIEDADES HIDROGÊNIO Economia do Hidrogênio

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Status Hidrogênio

7

Hydrogen = 1,142,816 document patent results = 3.322.958

Hydrogen Storage= 38,147 document

Hydrogen Production = 95,239 document

Hydrogen Energy = 180,324 document results

Década de 70 - Os preços dobarril de petróleo atingiram valores altíssimos, chegando a aumentar até 400% em cinco meses - 3 para 12 dólares por barril HOje– 27/09/16- 47,04USD

Eco-92

http://oilprice.com/Energy/Oil-Prices/

http://www.evwind.es/2014/12/25/oil-price-plunge-and-renewable-energy/49615

Hidrogênio Elemento mais abundante do universo

(75%) - (NREL)

30% da massa do Sol

Terceiro elemento mais abundante na Terra

Incolor, inodora, densidade 0,0899g/L (14,4 menos denso que o ar)

1Kg de H2 tem aprox. a mesma energia que: 3,5L de petróleo, 2,1Kg gás natural, 2,8Kg de gasolina

Combustão do H2 - gera 28.890kcal/kg

Combustível (MJ/kg, 25°C) fator

Hidrogênio* 141.90 1.00

Gasolina 47.27 0.33

Gas Natural 47.21 0.33

Metano 55.55 0.39

Metanol 22.69 0.16

Etanol 29.70 0.21

Querosene 46.00 0.32

Carvão 31.38 0.22

Madeira 17.12 0.12

Inflamabilidade: 4,1 a 74,2% de H2 em volume de ar seco - temp. de ignição 565 - 579oC

Combustão: chama azul clara, quase invisível

Obs: Não foi o hidrogênio que explodiu! O revestimento do balão que pegou fogo.

Hidrogênio

Gasolina

Testes Fonte: DOE

Zeppelin (Hindenburg)

PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO

Rotas Termoquímicas: Reforma e Gaseificação

Rotas Eletroquímicas: Eletrólise

Rotas térmicas: Solar, nuclear

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Produção de Hidrogênio - HOJE • Opções de Energia Renovável e não e suas matérias primas

Hidrogênio Renovável

Cana de Açúcar

Resíduos/Dejetos Florestas

Óleos

Hidrelétrica

Lenha

Carvão Vegetal

Briquetes

Biodiesel, GN Álcool

Biogás

Vinhoto

Bagaço e Palha

Eletrólise da água

Solar / Eólica

ECONOMIA DO HIDROGÊNIO

Etanol Brasil 2009 27.Bilhões de litros

http://www.gasnet.com.br/

Produção de hidrogênio

11

http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=hydrogen_production

http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production

Solar thermochemical hydrogen (STCH)

Photoelectrochemical (PEC)

Conversão Térmica

Gaseificação, Pirólise

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13

Conversão Térmica

Conversão Térmica

Combustão (Excesso de ar)

Combustão (Excesso de ar)

Gaseificação (Pouco ar)

Gaseificação (Pouco ar)

Pirólise (sem ar) Pirólise (sem ar)

Calor Gás combustível (Syngas = H2 + CO)

Líquido (Bio-óleo)

Fonte: Adaptado de NREL/ EUA

Materia-prima sólida

Biomassa, carvão, RSU.

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Biomassa

15

Potential de Materia-prima

Agricultura Bagaço de cana, palha, ….

Resíduos agrícolas (cascas)

Florestas resíduos

Plantações

Resíduos de poda Ruas, trens

Linhas de transmissão

Resíduos orgânicos

Resíduos de madeira doméstico

Resíduos orgânicos

Produtos cultivados

Milho, cana de açucar, beterraba, trigo, sorgo etc

BrasilEstados

UnidosFederação

RussaUnião

EuropéiaÍndia

ChinaCanadá

Argentina

Área já ocupada pela agricultura

Área total disponível para a agricultura

394

269

220

176169

138

7671

66

188

132

116

169

96

45

27

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Milhões hectares

Área já ocupada pela agricultura Área total disponível para a agricultura

FONTE: Exame 2005

Área disponível para a expansão da agro-energia

Adaptado por Ademar Ushima

BIOMASSAS (poder calorífico) 1Cal = 4.186J

Ref: Gasification / Higman

Cana-de-açucar Saccharum spp

Martim Affonso de Souza que em 1532 trouxe a primeira muda de cana ao Brasil e iniciou seu cultivo na Capitania de São Vicente. Lá, ele próprio construiu o primeiro engenho de açúcar.

280Kg biomassa

Cada tonelada de cana 570 kg água 140 kg de bagaço 70 kg de palha no caule 70 kg de palha na ponteira 150 kg de açúcares

Moagem de cana-de-açúcar e produção de açúcar e etanol 666,82 Mt - safra 2015/2016

Utilizando toda o bagaço e deixando 40% da palha no campo é equivalente a energia de Itaipú

Principais fontes de biomassa para

produção de energia no Brasil

•Resíduos agrícolas: palha de soja, milho, arroz, cana;

(478,09 Mtbs/ano ~ 3,0 Mbep/dia);

•Resíduos agrícolas industriais: bagaço de cana, casca de

arroz, licor negro de celulose;

(80,3 Mtbs/ano ~ 0,5 Mbep/dia)

|

•Resíduos de florestas plantadas: eucalípto e pinus (futuro:

capim elefante e cana energética);

(15,0 Mtbs/ano ~0,11 Mbep/dia)

•Total: 573,4 Mtbs/ano ~ 3,55 Mbep/dia

Mtbs: Milhões de tonelada base seca Fonte: Plano Nacional de Energia 2030 / Ademar Ushima - IPT

Resíduos Sólidos Urbanos CDR – Combustível derivado de Resíduo

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http://www.guigusgroup.com/

Fonte: EPE

no Japão, onde existem mais de 120 unidades operando em escala comercial, com capacidades variando de 19 a 314 t/dia

Carvão - Combustíveis sólidos naturais

Carvão Fóssil •Turfa •Linhito •Hulha •Antracito

Carvão vegetal • Carbonização da Lenha

http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas_par3_cap9.pdf

As reservas mundiais de carvão fóssil são cerca de quatro vezes superiores às de petróleo e gás natural, além de terem distribuição geográfica mais desconcentrada. http://dx.doi.org/10.1590/S0103-40141998000200006

Mina de carvão Problemas sociais, mas também pode ser sustentável

produção de ferro-gusa e aço.

GASIFICAÇÃO

carvão

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Gasificação

é um processo termoquímico que converte insumo sólido ou líquido em em gás (contendo principalmente CO + H2), com características basicamente combustíveis, pela oxidação parcial a temperaturas elevadas (800 – 1500o C)

Esse gás é reativo, •Pode ser queimado numa turbina para gerar EE •Pode ser reagido (syngas) e transformar-se em Biocombustíveis: biodiesel, metanol, etc •Bioprodutos: biopolímeros, amônia, hidrogênio

Principais Tipos de Gaseificadores na Atualidade

Gaseificador de leito fixo (Moving bed also called fixed bed) co- corrente (“downdraft”) e

contracorrente (“updraft”).

Gaseificador de leito fluidizado ou leito circulante.

Fluxo de arraste

Segundo MANIATIS (2001), 77,5 % dos projetos de gaseificadores são do tipo de leito fixo, 20 % são do tipo fluidizado ou circulante e 2,5 % de outros tipos

Classificação pelo tipo de fluxo

Fonte: Technische Univessitat Bergakademie Freiberg - IECc

LEITO FIXO LEITO Fluidizado Fluxo de arraste

Plantas Industriais e demonstração Gaseificação

2016

State of the Gasification Industry – the Updated Worldwide Gasification Database

http://www.gasification.org/database1/search.aspx

Existem atualmente 74 plantas em construção no mundo, contendo 238 gaseificadores que produzirão 83 MWth.

Worldwide gasification capacity is expected to grow significantly by 2018, with the primary growth occurring in Asia (primarily China, India, South Korea, and Mongolia).

MATERIA-PRIMA GASOSA

Reforma – Conversão catalítica Metano

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Produção de hidrogênio

Reforma-vapor de hidrocarbonetos leves

Oxidação parcial de hidrocarbonetos pesados

Reforma-vapor do etanol e do gás natural

CH4 +2H2O 4H2 + CO2 = 1m3 GN produz 3,5 m3 hidrogênio

obs: 1MWe consome: 200m3/h GN

C2H5OH+3H2O 6H2 + 2CO2 = 1m3 etanol produz 1.958m3 hidrogênio

obs: 1MWe consome: 350L/h etanol

TC 197/WG 9 Hydrogen generators using fuel processing technologies

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Reforma a vapor

C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 6H2 = 173,4 kJ/mol

Vantagens: alto rendimento de H2

Desvantagens: Reaçao fortemente endotermica

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Ref: Bellot/INT

Oxidacao parcial do etanol

C2H5OH + 3/2 O2 → 2CO2 + 3H2 =-551 kJ/mol

Vantagens: Tempo de resposta rapido Reator mais compacto

Desvantagens: Larga faixa dos limites de inflamabilidade

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Reforma autotermica do etanol

C2H5OH+2H2O+1⁄2O2 →2CO2 +5H2 =-50kJ/mol

Vantagens: • alto rendimento de H2 • melhor balanço termico

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KAVEH METHANOL PLANT 7000 MTPD

ELETRÓLISE

Biomass

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Produção de hidrogênio

• Eletrólise da água: 1. Eletrólise tipo PEM(eletrolisadores) 2. Eletrólise alta temperatura (eletrodos e membranas especiais )

http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis

POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE ELECTROLYZERS

HIGH TEMP. ELECTROLYZERS

http://solidcell.com/techelectrolyzer.htm

Purificação - SyNgas

Hidrogênio

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Resíduos sólidos

Lavagem de gases

Gás de síntese: • remoção a seco de material particulado • remoção de H2S em leito de ZnO • remoção de CO2 por lavagem: • metanol/ aminas/carbonato de potássio

BIOGÁS Remoção simultânea de H2S e CO2 por lavagem com água/ aminas/ carbonato de potássio Purificação por membranas Purificação por PSA

Desenvolvimento/aperfeiçoamento de processo para concentração de biogás.

Projetos Projetos

Dr.Silas Derenzo, Dr.João Poco - BIONANO - Núcleo de Bionanomanufatura

Projeto MultiCentros IPT

ARMAZENAGEM DO HIDROGÊNIO

Hidrogênio gasosos - Cilindro pressurizados

Hidrogênio líquido

Hidreto metálico

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Armazenamento de Hidrogênio

Armazenamento como hidrogênio gasoso (cilindros) – Alta pressão 700bar

Armazenamento como hidrogênio líquido

Armazenamento como compostos intermetálicos Hidretos metálicos

Nanotubos de carbono

Cilindro de alumínio revestido com fibra de carbono e resina

ISO TC 197/WG 15 Gaseous hydrogen - Cylinders and tubes for stationary storage

Armazenamento H2

Tanque de H2 pressurizado

700bar

40

Tanque de H2 líquido

Hidretos metálicos

O hidrogênio reage facilmente com quase todos os tipos de elementos

Fornecendo calor ao hidreto o hidrogênio é liberado

Processos reversíveis

Alta densidade de H2 por volume

hidretos: La-Ni5H6,7 ; VH2; FeTiH1,74

1L (NaBH4=0,077KgH2 = 0,921Nm3

1Kg H2 em 10 Litros de hidreto

Fonte: Ovonic

LOGÍSTICA, DISTRIBUIÇÃO E ASPECTOS DE SEGURANÇA

Postos de hidrogênio, gasodutos, propriedades

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BRASIL

Gasoduto GN

Produção de etanol

Potencial eólico Álcoolduto multimodal

H2

Hidroelétricas

Transporte

Tendências?

Hidrogênio líquido 21K

Isolante elétrico

Vácuo

Isolante

térmico

Posto de H2 Inaugurado em Berlim 24.05.2010

Desafios?

APLICAÇÕES

Célula a combustível, materia-prima

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SYNGAS – gás de síntese

http://www.gasification-syngas.org/

Products from Syngas

PAFC – 200kW SOFC – 100kW

MCFC – 1,2MW PEMFC – 1MW

Aplicação estacionária

Aplicações portáteis

€4,90/Month for 24 months

http://www.myfcpower.com/

Aplicação móvel

http://www.mechanicalengineeringblog.com/1623-fuel-cell-car-how-fuel-cell-works-detail-explanation-of-fuel-cell-parts/

750Km autonomia

503Km autonomia (700 bar)

Aplicação aérea & espacial

http://www.hydrogencarsnow.com

53 http://www.iahe.org/whecwhtc.asp

International Journal of Hydrogen Energy Official Journal of the International Association for Hydrogen Energy

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