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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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São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901 Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099
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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
[email protected] - (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
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Produção Mundial de Energia 2050 – Qual a aposta?
2
2050
Fonte; http://www.iea.org/etp/explore/
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Consumo e produção energético mundial
4
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
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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
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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
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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)
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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/
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Produção de hidrogênio
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http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=hydrogen_production
http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production
Solar thermochemical hydrogen (STCH)
Photoelectrochemical (PEC)
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Conversão Térmica
Gaseificação, Pirólise
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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
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Materia-prima sólida
Biomassa, carvão, RSU.
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Biomassa
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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
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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
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BIOMASSAS (poder calorífico) 1Cal = 4.186J
Ref: Gasification / Higman
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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
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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
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Resíduos Sólidos Urbanos CDR – Combustível derivado de Resíduo
20
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
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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.
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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
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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
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Classificação pelo tipo de fluxo
Fonte: Technische Univessitat Bergakademie Freiberg - IECc
LEITO FIXO LEITO Fluidizado Fluxo de arraste
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Plantas Industriais e demonstração Gaseificação
2016
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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).
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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
31
Ref: Bellot/INT
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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
32
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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
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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
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Purificação - SyNgas
Hidrogênio
36
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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
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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
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Armazenamento H2
Tanque de H2 pressurizado
700bar
40
Tanque de H2 líquido
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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
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LOGÍSTICA, DISTRIBUIÇÃO E ASPECTOS DE SEGURANÇA
Postos de hidrogênio, gasodutos, propriedades
42
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BRASIL
Gasoduto GN
Produção de etanol
Potencial eólico Álcoolduto multimodal
H2
Hidroelétricas
Transporte
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Tendências?
Hidrogênio líquido 21K
Isolante elétrico
Vácuo
Isolante
térmico
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Posto de H2 Inaugurado em Berlim 24.05.2010
Desafios?
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APLICAÇÕES
Célula a combustível, materia-prima
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SYNGAS – gás de síntese
http://www.gasification-syngas.org/
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Products from Syngas
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PAFC – 200kW SOFC – 100kW
MCFC – 1,2MW PEMFC – 1MW
Aplicação estacionária
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Aplicações portáteis
€4,90/Month for 24 months
http://www.myfcpower.com/
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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)
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Aplicação aérea & espacial
http://www.hydrogencarsnow.com
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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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