Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
O USO DO HIDROGENIO COMO FONTE ENERGÉTICA Ana Camila Rodrigues de Oliveira (UFPB) camila_lynn@hotmail.com Natanna Glenda Soares Fernandes (UFPB) natxy_fernandes@hotmail.com Marcelo Aires Moreira (UFCG) marcelo_aires_moreira@hotmail.com Ricardo Moreira da Silva (UFPB) ricardomoreira0203@hotmail.com Um terremo e um tsunami causaram um acidente nuclear em Fukushima e assim foi colocado novamente a questão da sustentabilidade das fontes energéticas em discussão. Nessa direção o uso do hidrogênio pode ser uma alternativa interessante por que o processo de fusão nuclear (diferentemente da fissão) quase não polui a natureza, tem potencial de escala de produção em massa, pode ser estocado e transportado, entretanto ainda possui custos altíssimos. Assim esse artigo levanta questões sobre o uso do hidrogênio. Para atingir esse objetivo, esse artigo apresenta várias etapas do processo de utilização, os efeitos no ser humano e na natureza e seu uso no Brasil. Como metodologia-roteiro foi utilizado a tabela de sustentabilidade Driving force-State-Responsive (desenvolvida pelas nações unidas e colocada no anexos) para o levantamento das ações ligadas a captação e uso do combustível, análise e realização da escrita do artigo. Chega-se a conclusão que o uso do hidrogênio Assim concluímos que o Brasil apresenta grande potencial no desenvolvimento de tecnologias de hidrogênio podem: diminuir de impactos ambientais na geração e utilização de energia; aumentar da segurança energética; melhorar o aproveitamento dos recursos naturais; desenvolver a região do uso na questão de geração de empregos e renda e diversificar a matriz energética. Em nível mundial, o desenvolvimento das células de hidrogênio poderá revolucionar o uso combustível veicular alterando todo setor automobilistico. Palavras-chaves: hidrogênio; fusão nuclear; efeito estufa XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 2 1. Introdução Hidrogênio, o primeiro elemento da tabela periódica, é o elemento menos complexo e o elemento mais abundante no universo (PUSZ, 2001). O hidrogênio é um elemento-chave da água, que abrange mais de 60% da superfície do planeta. O hidrogênio aparece em diferentes formas de plantas, animais, seres humanos, os combustíveis fósseis, e outros compostos químicos (SLOOP, 1978). Esse elemento não existe na natureza no seu estado molecular. Encontra-se na composição de algumas matérias como o gás natural (aproximadamente 95% do gás natural é constituído por metano – CH4), a biomassa (celulosa), os hidrocarbonetos (carvão, petróleo) e a água. Todos os métodos de produção de hidrogênio estão baseados na sua separação a partir dos materiais que o contêm. O hidrogênio possui a maior quantidade de energia por unidade de massa que qualquer outro combustível conhecido. No estado natural e sob condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. O hidrogênio normalmente existe combinado com outros elementos, como o oxigênio na água, o carbono no metano e nos demais compostos orgânicos. Como é quimicamente muito ativo, raramente permanece puro. Quando queimado num ambiente de oxigênio puro, os únicos produtos são calor e água. Ainda assim, a queima de hidrogênio produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis fósseis (LEPECKI, 2011). Na exploração de fontes alternativas e mais sustentáveis de energia, o hidrogênio é considerado um vetor energético viável. No futuro da economia energética o hidrogênio tem um papel preponderante como fonte de energia limpa, para utilização em pilhas de combustível que podem ser utilizadas na indústria automóvel, e na produção descentralizada de energia. Dessa forma esse combustível tem potencial para se tornar o meio mais sustentável de energia do futuro. Esse artigo busca entender sua utilização enquanto importância, forma, agressão ao meio ambiente, custos e uso no Brasil. Como caminho metodológico foi preenchida a tabela DSR norteando a escrita do artigo. 2. A Utilização do Hidrogênio Os usos atuais do hidrogênio incluem processos industriais, combustível para foguetes e propulsão para cápsulas espaciais. Com pesquisa e desenvolvimento mais avançados, este combustível também pode ser utilizado como uma fonte alternativa de energia para o aquecimento e iluminação de residências, geração de eletricidade e como combustível de automóveis (LEPECKI, 2011). A célula a combustível (CaC) – fuel cell – é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre os gases oxigênio (O2) e hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica (elétrons livres), energia térmica (calor) e água (H2O) (GOMES, 2005). As pilhas a combustível são dispositivos que promovem a reação de hidrogênio (H2) com oxigênio (O2), convertendo energia química em energia elétrica e gerando como únicos subprodutos água e calor. Como não há passagem pelo ciclo de calor, sua eficiência é superior à eficiência dos motores de combustão interna. (BLOMEM, 1993). O funcionamento de uma pilha a combustível é bastante semelhante ao de uma pilha comum de lítio ou níquel-cádmio, se diferenciando apenas pelo fato de possuírem uma vida útil teórica infinita, ou seja, enquanto uma pilha comum consome seus eletrodos durante sua XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 3 operação, o que limita a sua vida, a pilha de hidrogênio pode, em tese, produzir energia enquanto forem fornecidos hidrogênio e oxigênio (PAULA, 2003) 3. O processo do hidrogênio como fonte energética Nesse item serão sumarizadas as etapas do processo de utilização do hidrogênio como fonte energética. Trata-se de um resumo, portanto, várias lacunas podem ser encontradas por especialistas da área, porém o objetivo é fornecer uma visão geral ao leitor de como é difícil e custoso o trabalho com o hidrogênio com fins energético. 3.1 – Armazenamento: Descobrir uma maneira viável de armazenamento do hidrogênio é considerado por muitos um grande desafio para facilitar o uso do hidrogênio como fonte de energia (Crabtree et al 2004; Harris et al 2004), pois ele é o elemento mais leve da tabela periódica, e também possui baixa densidade energética por unidade de volume. Assim o armazenamento do hidrogênio é claramente um dos principais desafios no desenvolvimento da economia do hidrogênio. O hidrogênio pode ser armazenado como (i) gás pressurizado, (ii) líquido criogênico, (iii) combustível sólido como cominação de materiais físicos ou, tais como hidretos metálicos, hidretos complexos e materiais de carbono, ou produzidos a bordo do veículo por reforma do metanol (Ogden, 1999). Cada uma dessas opções possui atributos atrativos e negativos (Dogan, 2006). As tecnologias disponíveis que permitem armazenar o hidrogênio modificando o seu estado físico da forma gasosa ou líquida para a forma pressurizado ou em tanques criogênicos. As instalações tradicionais de armazenamento do hidrogênio são complicadas por causa de seu baixo ponto de ebulição (-252,87 ◦C) e baixa densidade no estado gasoso (0,08988 g/l), a 1 atm. O hidrogênio líquido requer a adição de uma unidade de refrigeração para manter seu estado criogênico (Weast, 1983), assim, há a adição de peso e custos de energia e uma consequenteperda de 40% em teor energético (Trudeau, 1999). A alta pressão de armazenamento do gás hidrogênio é limitada pelo peso dos depósitos de armazenamento e por causa do potencial para o desenvolvimento de vazamentos. Além disso, o armazenamento de hidrogênio no estado líquido ou gasoso gera problemas de segurança importante para aplicações em transportes. O hidrogênio é produzido em usinas subterrâneas e caras que operam em taxas constantes. Experiências mostram que instalações subterrâneas é o único tipo de tecnologia de baixo custo disponível para armazenar gases (FORSBERG 2004, THOMPSON 1997). Qualquer outro tipo de armazenamento de hidrogênio em larga escala é muito mais caro. Ainda não foi identificado nenhum tipo de armazenamento de hidrogênio em pequena ou média escala. Tanques de alta pressão e vários outros tipos de armazenamento têm custos de armazenamento muito mais altos do que os de instalações subterrâneas. O hidrogênio líquido pode ser armazenado em tanques criogênicos a 21,2 K à pressão ambiente. Devido à baixa temperatura crítica de hidrogênio (33 K), na forma líquida só podem ser armazenados em sistemas abertos, pois não há fase líquida existente acima da temperatura crítica. O ciclo de liquefação mais simples é o ciclo de Joule-Thompson (ciclo Linde). O gás é primeiro comprimido e depois resfriado em um dispositivo antes de passar através de uma válvula de borboleta, onde ele sofre uma expansão de Joule-Thomson isenthalpic, produzindo um pouco de líquido. (FLYNN, 1992). O ciclo de Joule-Thompson trabalha para gases, como nitrogênio. Para o hidrogênio esfriar a expansão, sua temperatura deve estar abaixo de temperatura 202 K. O hidrogênio é normalmente pré-resfriada com nitrogênio líquido (78 K). XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 4 A grande quantidade de energia necessária para a liquefação e a contínua ebulição do hidrogênio limita o possível uso de sistemas de armazenamento de hidrogênio líquido para aplicações onde o custo do hidrogênio não é um problema e que o gás é consumido em um curto espaço de tempo. Entretanto, o hidrogênio não pode ser armazenado no estado líquido indefinidamente. Todos os tanques, mesmo aqueles com excelente isolamento, permitem a troca de calor com os ambientes externos. A taxa de transferência de calor depende do desenho e tamanho do tanque - neste caso, quanto maior o tanque, melhor. Outra forma de armazenamento é através da composição com metais, os hidretos metálicos. Esses podem absorver hidrogênio pressurizado e depois libertá-lo em ambiente de menor pressão ou por aplicação de calor. Alguns destes materiais, como compostos de ferro-titânio ou de lantânio-niquel e algumas ligas à base de magnésio podem guardar mais hidrogênio atômico que o equivalente contentor criogênico do mesmo volume, sem a necessidade de refrigerá-lo (SCHLAPBACH, 2001; ZÜTTEL, 2008) Já estão disponíveis alguns hidretos metálicos, mas ainda está por descobrir a liga ideal para o armazenamento. As características desejáveis, ou ideais, são a capacidade de armazenar enormes quantidades de hidrogênio, baixas pressões de carga à temperatura ambiente, rápida libertação do gás à temperatura ambiente, leve e a um custo razoável, barato de preferência. 3.2 -Transporte do gás hidrogênio: O transporte do hidrogênio gasoso efetuado por gasodutos é semelhante ao usado para a distribuição do gás natural. Um gasoduto é uma rede de tubagens que permitem a circulação do hidrogênio sob a forma gasosa das instalações de produção deste gás para as indústrias em áreas fortemente industrializadas, bem como, em ligações mais curtas entre a produção local e os locais de consumo (WILLIAMS, 2003). Grandes quantidades de hidrogênio são geralmente transportadas na forma gasosa através de gasodutos. Hidrogênio na forma líquida e gasosa pode ser transportado por meio de caminhões para locais remotos ou para aplicações de pequena escala (Castello, 2005; Ogden, 2004). 3.3 - Distribuição do Hidrogênio: O problema com a distribuição do hidrogênio é este poder reagir com as paredes de metal do gasoduto, desgastando-as com o tempo e até mesmo poderem vir a aparecer fugas. Para se evitarem estes problemas recorre-se a métodos que incluem a mistura do gás hidrogênio com outros gases ou o uso de cimento comprimido, plásticos ou vários aços na construção do gasoduto ou à adição de inibidores desta reação no próprio tubo, gerando custos adicionais. 3.4 - Métodos de separação do hidrogênio: Os métodos disponíveis para a produção de hidrogênio a partir da biomassa podem ser divididos em duas categorias principais: termoquímica e vias biológicas (Tanksale, 2010). A biomassa pode ser processada termicamente por meio de pirólise (Caglar, 2002; Balat, 2008) ou gaseificação (Yan, 2006) para produzir hidrogênio. A principal desvantagem destes processos é a decomposição da matéria-prima de biomassa (Dermirbas, 2008). A produção biológica de hidrogênio (Biohidrogênio) como um subproduto do metabolismo dos microrganismos é uma nova área de tecnologia em desenvolvimento que oferece o potencial de produção do hidrogênio utilizável a partir de uma variedade de fontes renováveis (Cheong, 2006). O Biohidrogénio oferece um meio viável para o fornecimento sustentável de hidrogénio com baixa poluição e alta eficiência, sendo assim considerada uma forma promissora de produzir hidrogénio (Wu, 2007). Essa biotecnologia da produção de hidrogênio pode ser uma maneira mais importante para a rodução de energia no futuro próximo devido às suas características de baixos custos e regeneração (Ming, 2002). XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 5 De fato, os processos de produção biológica de hidrogênio são considerados mais amigas do ambiente e menos intensivas energeticamente se comparado aos processos termoquímicos e eletroquímicos (Veziroglu, 2001). Pesquisadores começaram a investigar a produção de hidrogênio com bactérias anaeróbias desde 1980 (Demirbas, 2008 ; Zhi, 2008, Li, 2007). Esses processos podem ser genericamente classificados em dois grupos distintos. Um deles é dependente de luz e a outra é independente da luz (Kotay, 2008). Produção de hidrogênio fotobiológica por fotossíntese de microrganismos é de interesse devido à promessa de geração de energia limpa livre de carbono e renovável de recursos naturais abundantes, tais como luz e água. Existem alguns métodos se separação do hidrogênio: a) Reforming: Essa técnica consiste em expor o gás natural ou outros hidrocarbonetos a vapor a altas temperaturas para produzir o hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono. Esta tecnologia é usada pela indústria, sendo a maioria do hidrogênio obtido pelo ―processamento do vapor‖ de gás natural (metano). O hidrogênio que é possível aproveitar do gás natural através deste processo andará na casa dos 70 a 90%. Com estes combustíveis fósseis como o metano (CH4), propano (C3H8), butano (C4H10) e octano (C8H18) que contêm hidrogênio na sua constituição, têm-se uma forma econômica de se obter o gás hidrogênio. Segundo os dados do DOE (2002) aproximadamente 48% do hidrogênio produzido mundialmente é através da reforma a vapor do gás natural. Porém este método tem três desvantagens. A primeira é que se o consumo for posterior o método fica mais caro por unidade energética, do que se o combustível primário for simplesmente usado por combustão. A segunda é que este método só se aplica aos combustíveis fósseisque são uma fonte não renovável de energia. A terceira é o dióxido de carbono que se liberta para o meio ambiente (Santos, 2005). b) Hidrólise: A quantidade de energia necessária para o processo de hidrólise é maior do que é, em última análise produzida pela célula de combustível. No entanto, se as fontes de energia renováveis (solar, eólica, biomassa, etc) são utilizados para o processo de hidrólise, é uma maneira de converter a energia disponível a partir dessas fontes (luz solar, vento, etc) em um combustível (hidrogênio) que pode ser armazenada para uso posterior. c) Gaseificação da Biomassa: A biomassa é convertida em uma mistura gasosa de hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono, e outros componentes a partir da aplicação de calor sob pressão na presença de vapor de água e de uma quantidade controlada de oxigênio. A biomassa é quebrada quimicamente pela temperatura do gás, vapor de água e oxigênio, criando uma reação química que produz uma síntese desse gás. Depois o monóxido de carbono reage com a água para formar o dióxido de carbono e mais hidrogênio (BAIN, 2004). Gaseificação de biomassa tem sido identificada como um possível sistema para a produção de hidrogênio renovável, que é benéfica para explorar recursos de biomassa, para desenvolver uma maneira altamente eficiente para limpeza em grande escala da produção de hidrogênio, e tem uma menor dependência das inseguras fontes de energia fósseis (Demirbas, 2006). Em geral, a temperatura da gaseificação é maior do que a pirólise e a produção de hidrogênio a partir da gaseificação é maior do que a pirólise (Balat, 2008). A gaseificação a vapor é uma tecnologia promissora e o hidrogênio é produzido a partir da gaseificação de vapor de palha de leguminosas e serragem de pinho (Wei, 2007), casca de avelã (Demirbas, 2005), o papel, lascas de madeira de pinho amarelo (Kriengsak, 2009), XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 6 musgos, algas (Demirbas, 2009), a serragem de madeira (Demirbas, 2004), palha de trigo (Demirbas, 2006), e resíduos de madeira (Wu, 2006). A tecnologia de gaseificação da biomassa é mais apropriada para produção em larga escala e descentralizada do hidrogênio, devido à natureza do manuseamento de grandes quantidades de biomassa e a economia de escala requerida para este tipo de processo. d) Pirólise: A pirólise de biomassa é um caminho promissor para a produção de sólidos, líquidos (alcatrão e outros produtos orgânicos), e produtos gasosos como possíveis fontes alternativas de energia (Demirbas, 2009; Balat, 2010). e) Eletrólise da água: Este método baseia-se na utilização da energia elétrica, para separar os componentes da água (hidrogênio e oxigênio). A corrente elétrica decompõe a molécula da água e os gases são produzidos nos eletrodos (H2 no cátodo e O2 no ânodo). Sendo o rendimento global do processo da ordem dos 95% (Santos, 2005). A energia elétrica utilizada neste método poderá vir de fontes renováveis, como a energia solar, eólica, hídrica, maremotriz, geotérmica, etc. Com este tipo de fontes renováveis o uso da eletrólise tem como vantagem ser uma forma de produzir hidrogênio perfeitamente limpa. O único aspecto negativo é a necessidade de grandes quantidades de energia. f) Biofotólise: É a ação da luz sobre um sistema biológico que resulta na dissociação de um substrato, geralmente água, para produzir hidrogênio (Das et al, 2008). O processo é semelhante a uma fotossíntese ao inverso. Ocorrente nas plantas verdes, que somente reduz dióxido de carbono, a fotossíntese feita por microalgas, em decorrência da presença de enzimas como hidrogenase e nitrogenase, produz, sob certas condições, hidrogênio (Sacramento, 2007). Há dois tipos de biofotólise: a biofotólise direta e a biofotólise indireta (Sacramento, 2007). A biofotólise direta é um processo biológico que utiliza sistemas de microalgas fotossintetizantes para converter energia solar em energia química na forma de hidrogênio (Das et al, 2008). Essa tecnologia é intrinsecamente atraente já que a energia solar é utilizada para converter um substrato prontamente disponível, água, em oxigênio e hidrogênio. A produção de hidrogênio por Algas pode ser considerada economicamente viável e sustentável em termos da utilização de água como fonte renovável e consumo de CO2, dado que este é um dos poluentes atmosféricos existente. Contudo, este processo apresenta algumas limitações como a inibição da enzima hidrogenase, em presença do oxigênio e o fato de não utilizar resíduos como substrato (Kapdan e Kargi, 2006). As cianobactérias são os organismos mais estudados na biofotólise indireta. O metabolismo desse microorganismo para a produção de hidrogênio envolve três enzimas, que são a nitrogenase, a hidrogenase de assimilação e a hidrogenase bidirecional (Sacramento ET AL, 2006). A nitrogenase é muito sensível ao oxigênio e em decorrência disso, as cianobactérias desenvolveram mecanismos e estratégias para proteger esse complexo enzimático tanto do oxigênio atmosférico, como do oxigênio gerado intracelularmente pela fotossíntese (TAMAGNINI ET AL, 2003). Na intenção de uma produção eficaz de hidrogênio, pesquisas visam produzir e selecionar mutantes deficientes na atividade de assimilação de H2 e selecionar mutantes cuja hidrogenase bidirecional seja menos sensível ao oxigênio (TAMAGNINI ET AL, 2003). f) Fermentação: Os carboidratos (principalmente glicose) são os principais substratos para a produção de hidrogênio. Entretanto, amido, celulose e resíduos orgânicos também podem ser utilizados (Vardar-schara et al, 2008). Industrialmente, a seleção do melhor substrato leva em XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 7 conta a sua disponibilidade, o custo e a biodegradabilidade. A fermentação anaeróbica ou ―fermentação escura‖ (dark fermentation) é realizada por diversos microorganismos como os anaeróbios obrigatórios da espécie Clostridium, bactérias do rúmen, os anaeróbios facultativos da espécie Enterobacter, Escherichia coli, Citrobacter sp., ou culturas mistas (Vardar-schara et al, 2008). Os produtos finais da fermentação e conseqüentemente o rendimento da reação para produção de hidrogênio variam devido às condições climáticas e aos tipos de microorganismos utilizados (Vardar-schara et al, 2008). As condições ideais para a produção de hidrogênio ainda estão sendo estudadas. Testes em batelada utilizando culturas mistas têm demonstrado que baixos pH’s e altas concentrações de substratos podem reduzir a produção de hidrogênio. O acúmulo de hidrogênio dissolvido no meio e altas pressões parciais de H2 também influenciam negativamente no processo. Logan et. al. (2002) utilizou uma cultura mista de microorganismos para analisar a produção de hidrogênio a partir de diferentes substratos. A produção de hidrogênio por fermentação geralmente apresenta bons rendimentos. Além disso, este processo não exige a presença de luz e a taxa de produção é constante, diversas fontes de carbono podem ser utilizadas como matéria-prima, o crescimento dos microorganismos fermentativos é rápido, menor energia é necessária e o processo é tecnicamente mais simples quando comparado com a fotossíntese (Vardar-schara et al, 2008). A dificuldade da fermentação está em selecionar culturas de microorganismos que não contenham nenhum tipo de bactéria consumidora de hidrogênio, tais como bactérias metanogênicas ou sulforedutoras. 4. Efeitos sobre o ser humano e anatureza Nenhuma tecnologia é absolutamente segura! Cada tecnologia é relativamente segura, e cada uma tem a sua norma de segurança específica que, naturalmente, aplica-se também às tecnologias de energia e sistemas, a energia do hidrogênio não é diferente. Em qualquer caso, a segurança é uma conseqüência da ciência e engenharia específicas da tecnologia em questão e, portanto, seus riscos em condições de funcionamento. As instalações de hidrogênio deverão ser fechadas, a fim de evitar vazamentos. Se ocorrer uma fuga de hidrogênio ou um acidente onde o hidrogênio é liberado para o exterior, há uma grande chance de que a mistura inflamável de hidrogênio e oxigênio seja construída. Assim, o hidrogênio gera alguns perigos à segurança humana, de potenciais detonações e incêndios quando misturado com o ar a ser um asfixiante em sua forma pura, livre de oxigênio. Em adição, hidrogênio líquido é um criogênico e apresenta perigos (como congelamento) associados a líquidos muito gelados. O elemento também pode dissolve-se em alguns metais, e, além de vazar, pode ter efeitos adversos neles, como a fragilização por hidrogênio. O vazamento de gás hidrogênio no ar externo pode espontaneamente entrar em combustão. Além disso, o fogo de hidrogênio, enquanto sendo extremamente quente, é quase invisível, e, portanto pode levar a queimaduras acidentais. No Brasil o anexo número 11 da Norma Regulamentadora 15 (NR 15), considera o produto como asfixiante simples e não impõe limites de exposição, entretanto, no ambiente de trabalho, deve-se garantir que a concentração mínima de oxigênio seja de 18% em volume. Mesmo sem considerar o enorme risco de explosão, as situações na qual a concentração de oxigênio estiver abaixo deste valor serão consideradas de risco grave e iminente. Em caso de XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 8 super exposição ao produto, ele pode causar asfixia e neste caso os sintomas são: náuseas, pressão na testa e nos olhos, podendo ainda causar perda de consciência e morte. As células a combustível, comentadas no item anterior, podem fornecer energia limpa e com alta eficiência (cerca de 80%) em uma grande variedade de aplicações. Seja qual for ela, as células a combustível oferecem um número considerável de benefícios aos seus usuários, desde o seu uso na indústria automobilística até junto às termelétricas, possibilitando uma maior confiabilidade no fornecimento de energia com emissões mínimas ou nulas de poluentes no ar (GOMES, 2005). 5. A Produção de hidrogênio no Brasil O Brasil apresenta as maiores oportunidades no mundo para a criação de uma infra-estrutura baseada no hidrogênio, energias renováveis e células a combustível. É um país com abundância de água potável e de fontes energéticas renováveis, como o sol, vento, biocombustíveis (como biomassa, biogás, biodiesel e álcool), hidrelétricas e fácil acesso ao mar. As células a combustível fornecem energia limpa e com alta eficiência em uma grande variedade de aplicações (Gomes, 2005). Embora a capacidade da célula de combustível instalada no Brasil seja limitada, várias atividades de investigação financiadas pelo governo que têm sido realizado em muitas universidades e institutos. Estas atividades começaram no final de 1980 e o número de organizações envolvidas tem vindo a aumentar ao longo das décadas de aproximadamente 30- 35 (Geiger, 2003). Em 2002, o governo brasileiro começou a um Programa de célula de combustível (PROCAC) (CGEE). Inicialmente, três redes principais foram formadas para apoiar a cooperação em pesquisa e desenvolvimento em sistemas de combustível de óxido sólido celular, eletrólito polimérico de sistemas de células de combustível e produção de hidrogênio. Em 2005, PROCAC foi renomeado PROH2 ou programa de ciência, tecnologia e inovação para a economia do hidrogênio. O governo tem duas importantes agências de apoio que são os Ministérios de Minas e Energia (MME) e o Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). Este último é uma das principais agências de financiamento com seus programas de CT-Energ (Fundo de Energia), CTPetro (Fundo de petróleo e gás natural) e CT-Infra (Infra-estrutura Fundo). Outros órgãos governamentais relacionados, que desempenham um papel importante e ativo na célula de combustível do Brasil do programa são Fundação Federal de Investigação e Desenvolvimento (FINEP), que apóia as empresas privadas, o Conselho Nacional de Investigação e Desenvolvimento (CNPq) e do Estado de São Fundação Paulo de Pesquisa (FAPESP). 6. Considerações finais Cabe aos formuladores de políticas públicas distinguir as ações governamentais que estão em fase de estruturação e que tem o foco nas tecnologias do hidrogênio. A segurança de usinas nucleares foi posta mais uma vez em xeque com o acidente em Fukushima, entretanto, a tecnologia de fusão do hidrogênio se apresenta anos luz na frente quanto ao risco ambiental, entretanto ainda é muito expressivo os custos ligados a esse tipo de energia. Por isso é que muito necessário que pesquisadores e executivos de instituições de governo e de empresas estudem a utilização do hidrogênio como fonte energética. Nesse sentido, o que se tem atualmente é uma síntese que o Brasil pode atuar em quatro frentes para a implantação de tecnologias de hidrogênio: XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 9 Recomendações gerais para o incentivo à economia do hidrogênio; Recomendações para o incentivo à produção do hidrogênio; Recomendações para o incentivo ao desenvolvimento da logística do hidrogênio; Recomendações para o incentivo aos sistemas de utilização do hidrogênio. Essas linhas centrais propositivas são desdobradas em recomendações para o incentivo e desenvolvimento das tecnologias do hidrogênio apresentando ações para o estabelecimento de uma agenda tecnológica, voltada à pesquisa e desenvolvimento científico e tecnológico; e ações para o estabelecimento de uma agenda de inovação, voltada para o incentivo ao desenvolvimento industrial dessas tecnologias. Assim concluímos que o Brasil apresenta grande potencial no desenvolvimento de tecnologias de hidrogênio, por meio de instituições governamentais e empresariais deve propiciar ganhos consideráveis na forma de: Diminuição de impactos ambientais na geração e utilização de energia; Aumento da segurança energética; Melhoria do aproveitamento dos recursos naturais; Desenvolvimento regional com geração de emprego e renda e desenvolvimento de parque industrial competitivo e; Diversificação da matriz energética Em nível mundial, o desenvolvimento de células a combustível, incentivado pelos governos de praticamente todas as nações industrializadas, está em curso, principalmente visando o uso de combustível de hidrogênio no transporte, mas também para grandes unidades de geração estacionária de energia elétrica. Parece que este grande esforço atingiu o pico, pois várias questões técnicas importantes devem ser resolvidas antes de atingir as células de combustível de penetração de mercado significativo, e os custos devem ser reduzidos por uma ordem de magnitude. Veículos movidos a célula de combustível de hidrogênio são também cada vez mais vistos como um atrativo a outros veículos de emissão zero, como carros elétricos movidos a bateria, porque a densidade de energia química do hidrogênio é significativamente maior do que encontrados em materiais da bateria elétrica. Células a combustível dehidrogênio poderia também oferecer vida útil muito mais operacional do que as baterias elétricas e, simultaneamente, fornecem a mesma energia alta específica tradicional de motores de combustão. Apesar das vantagens apresentadas e das pesquisas em andamento, há diversas dificuldades para a introdução e utilização em larga escala do hidrogênio como combustível. Além das questões de custo e de infra-estrutura, há dificuldades tecnológicas inclusive a segurança, forma de combustível, produção e armazenamento (USDOE). Para o futuro previsível, o hidrogênio precisará ser produzido utilizando combustíveis existentes ou energia elétrica. O custo ainda é alto demais para ser combustível de uso comum. A infra-estrutura necessária, como postos de abastecimento, precisa ser estabelecida. Assim a utilização do hidrogênio continuará limitada aos casos especiais, como combustíveis de ônibus espacial, e ao uso em células de combustível para aplicações em aparelhos eletrônicos, veículos elétricos de mercado limitado e para a geração elétrica em locais remotos. XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 10 Segundo Lepecki (2011) a demanda global de energia crescerá cerca de 60% nos próximos 20 anos, até 2030. A preocupação global causada por este aumento de demanda, pelo aumento dos custos dos recursos fósseis, pela segurança do abastecimento e pela degradação ambiental está valorizando o uso da energia nuclear via hidrogênio para alavancar as reservas existentes de hidrocarbonetos. Nesse caso, ao contrário da fissão nuclear, a fusão do hidrogênio apresenta-se como mais uma possibilidade ao necessário é o equilíbrio dos recursos energéticos. É necessário abandonar a inércia para construir um novo futuro energético. Referências Andreas Züttel, Andreas Borgschulte and Louis Schlapbach, ―Hydrogen as a Future Energy Carrier‖, Wiley- VCH, 2008; Bain, Richard L. Biomass Gasification Overview. NREL National Renewable Energy Laboratory. US DOE United State Departament of Energy, 2004, 48 pg. Balat H. Prospects of biofuels for a sustainable energy future: a critical assessment. Energy Educ Sci Technol A 2010; 24:85–111. Balat M. Hydrogen-rich gas production from biomass via pyrolysis and gasification processes and effects of catalyst on hydrogen yield. Energy Source A 2008;30:552–64. Blomem, L. J. M. J.– Fuel Cell Systems. Ed. Plenum Press. New York. 1993. Caglar A, Demirbas A. Conversion of cotton cocoon shell to hydrogen rich gaseous products by pyrolysis. Energy Convers Manage 2002;43:489–97. Castello P, Tzimas E, Moretto P, Peteves SD. Technoeconomic assessment of hydrogen transmission & distribution systems in Europe in the medium and long term. Petten: The Institute for Energy; 2005. Cheong DY, Hansen CL. Bacterial stress enrichment enhances anaerobic hydrogen production in cattle manure sludge. Appl Microbiol Biotechnol 2006;72:635–43. Crabtree, G. W., Dresselhaus, M. S. & Buchanan, M. V. 2004 The hydrogen economy. Phys. Today 57, 39–44. Das, D., & Veziroglu, T.. Advances in biological hydrogen production processes. International Journal of Hydrogen Energy, 33(21), 6046-6057. Elsevier Ltd. 2008 _______. Hydrogen production by biological processes: a survey of literature. Int J Hydrogen Energy 2001;26:13–28. Demirbas A. Biohydrogen generation from organic waste. Energy Source A 2008;30:475–82. _______ Hydrogen production from carbonaceous solid wastes by steam reforming. Energy Source A 2008;30:924–31. _______ Thermochemical conversion of mosses and algae to gaseous products. Energy Source A 2009;31:746– 53. ______ Thermochemical conversion of hazelnut shell to gaseous products for production of hydrogen. Energy Source A 2005;27:339–47. ______. Technological options for producing hydrogen from renewable resources. Energy Source A 2006;28:1215–23. _______. Producing hydrogen from biomass via non-conventional processes. Energy Explor Exploit 2004;22:225–33. _______. Hydrogen from various biomass species via pyrolysis and steam gasification processes. Energy Source A 2006;28:245–52. DOE - U.S. Departament of Energy. Fuel Cell Handbook (6ª edição). EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Morgantown, West Virginia, EUA, pp. 352. 2002. Dogan B. Hydrogen storage tank systems and materials selection for transport applications. ASME Conference PVP2006- ICPVT-11, Vancouver, Canada, July 23–27, 2006, Conference Proceedings CD, Track: Materials and XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 11 Fabrication, Session: Materials for Hydrogen Service, Paper No. 93868, pp. 1–8. Flynn, T. M., A Liquification of Gases. In: McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 7th ed., Parker, S. P. (ed), McGraw-Hill, New York (1992) 10,106 Forsberg C., Nuclear Hydrogen for Peak Electricity Production and Spinning Reserve, ORNL/TM-2004/194, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee. 2004. Gomes Neto, e.h.. Hidrogênio, Evoluir sem Poluir: a era do hidrogênio, das energias renováveis e das células a combustível. Brasil H2 Fuel Cell Energy. Curitiba, PR. 2005. Harris, R., Book, D., Anderson, P. A. & Edwards, P. P. 2004. Hydrogen storage: the grand challenge. The Fuel Cell Rev. 1, 17–23. Jones MD. Towards hydrogen economy. Presented in the IEA Renewable Energy Working Party Seminar, Paris, March 3. 2003. Kriengsak SN, Buczynski R, Gmurczyk J, Gupta AK. Hydrogen production by high-temperature steam gasification of biomass and coal. Environ Eng Sci 2009;26:739–44. Lepecki, W. A energia nuclear e a economia do hidrogênio. INEE, 2011. Li J, Li B, Zhu G, Ren N, Bo L, He J. Hydrogen production from diluted molasses by anaerobic hydrogen producing bacteria in an anaerobic baffled reactor (ABR). Int J Hydrogen Energy 2007;32:3274–83. Logan, B.E.; Oh S.; Kim, I.S.; Ginkel, S.V.. Biological Hydrogen Production Measured in Batch Anaerobic Respirometers. Environmental Science and Technology, v. 36, p.2530-2535, 2002. Louis Schlapbach, Andreas Züttel, ―Hydrogen-storage materials for móbile applications‖, Nature,Vol 414, 2001; Kapdan, I, Karapinar e Kargi, F. ―Bio-hydrogen production from waste materials.‖ Enzyme and Microbial Technology, 2006: 569-582. Kotay SM, Das D. Biohydrogen as a renewable energy resource – prospects and potentials. Int J Hydrogen Energy 2008;33:258–63. Maidana, Ana. Boggi, Cassandra. Descarbonização: relevância ambiental e aspectos tributários. Disponível em: http://www.diritto.it/pdf/28061.pdf. Acesso em: 20 de fevereiro de 2011. Mendes, Paulo. Disponível em: http://www.energiasealternativas.com/extrair-energia-biomassa.html. Ming L, Nanqi R, Aijie W. Hydrogen production efficiency of mixed-culturing bacteria with non-immobilized technology in a hydrogen-producing bioreactor. In: VII. Latin American workshop and symposium on anaerobic digestion, Merida, Mexico; October 22–25, 2002. Ogden JM. Developing an infrastructure for hydrogen vehicles: a Southern California case study. Int J Hydrogen Energy 1999;24(8): 709–30. Ogden JM. Conceptual design of optimized fossil energy systems with capture and sequestration of carbon dioxide. Princeton: Princeton Environmental Institute; 2004. ORGANIZAÇÃO DAS NAÇÕES UNIDAS. Protocolo de Kyoto. Kyoto, 1997. Disponível em: <http://www.onu-brasil.org.br/doc_quioto.php>. Acesso em: 20 de fevereiro de 2011. Parkinson G. The utility of hydrogen. ChemEng 2001;108(10):29–37. Paula, M. C. de – Avaliação das Pilhas a Combustívelcomo Principal Promotor do Hidrogênio como Vetor Energético. Tese de Mestrado. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro. 2003. Pusz J. Alternative energy sources. Disponível em: http://www.fuelcells.prv.pl. 2001. p. 57–8. Sacramento, E. Um Sistema de Energia a Hidrogênio-Solar-Eólico para o Estado do Ceará. 2007. Sacramento E. ; De Lima, L. C.; Carvalho, P. C.. Estado da arte da tecnologia em um sistema hidrogênio- solar-eólico. Revista Tecnologia (UNIFOR), v. 27, p. 150-162, 2006. Sloop LJ. Liquid hydrogen as a propulsion fuel. The NASA History Series, Washington (DC); 1978. Swami SM, Chaudhari V, Kim DS, Sim SJ, Abraham MA. Production of hydrogen from glucose as a biomass simulant: integrated biological and thermochemical approach. Ind Eng Chem Res 2008;47:3645–51. XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 12 Tamagnini, p.; Leitão, e.; Oliveira, p. Biohidrogênio: produção de H2 utilizando cianobactérias. Boletim de Biotecnologia, 75: 3-6, 2003. Tanksale A, Beltramini. JN, Lu GM. A review of catalytic hydrogen production processes from biomass. Renew Sustain Energy Rev 2010;14:166–82. Thompson J. M., U.S. Underground Storage of Natural Gas in 1997: Existing and Proposed, Natural Gas Monthly September 1997, U.S. Energy Information Administration, Washington D.C. 1997. Trudeau ML. Advanced materials for energy storage. MRS Bull 1999;24:23–6. Usdoe, Eren, Hydrogen – The fuel for the future, <http://www.eren.doe.gov/hydrogen/pdfs/hydrofut.pdf >. Vardar-Schara, G.; Maeda T.; Wood, T. K.. Metabolically engineered bactéria for producing hydrogen via fermentation. Microbial Biotechnology, v. 1, n. 2, p. 107-125, 2008. Weast RC, Astle MJ, Beyer WH. CRC handbook of chemistry and physics. 64th ed., Boca Raton, FL: CRC Press; 1983. Wei L, Xu S, Zhang L, Liu C, Zhu H, Liu S. Steam gasification of biomass for hydrogen-rich gas in a free-fall reactor. Int J Hydrogen Energy 2007;32: 24–31. Williams B., Heavy Hydrocarbons Playing a Key Role in Peak-Oil Debate, Future Energy Supply, Oil & Gas Journal, 20-27. July 28, 2003 Winter C-J. Energy sustainability—the road is the destination. Invited paper presented at the Energy and Sustainability Forum of the Federal Institute of Technology, Lausanne, Switzerland, March 28, 2000. EPFL; 2000. Wu K, Chang JS. Batch and continuous fermentative production of hydrogen with anaerobic sludge entrapped in a composite polymeric matrix. Process Biochem 2007;42:279–84. Wu W, Kawamoto K, Kuramochi H. Hydrogen-rich synthesis gas production from waste wood via gasification and reforming technology for fuel cell application. J Mater Cycles Waste Manage 2006;8:70–7. Yan Q, Lu Y. Thermodynamic analysis of hydrogen production from biomass gasification in supercritical water. Energy Convers Manage 2006;47:1515–28. Zhi X, Yang H, Yuan Z, Shen J. Bio-hydrogen production of anaerobic bacteria in reverse micellar media. Int J Hydrogen Energy 2008;33: 4747–54. Anexos Hidrogênio Força Motriz Estado Resposta Econômico Armazenamento do hidrogênio Necessidade de investimentos em tecnologias para distribuição de energia. Tecnologia para armazenamento de hidrogênio ainda são muito caras [4,5] Transporte do gás hidrogênio. Necessidade de investimentos em tecnologias avançadas. É mais caro de ser transportado do que o gás natural porque é mais leve e exige gasodutos e compressores mais largos [1, 2, 3] Segurança. Detectar e prevenir vazamentos e explosões. Custos adicionais são utilizados para prevenir acidentes [16]. Ambiental Vazamento do gás hidrogênio em gasodutos. Possibilidade de ocorrência de explosões. Emissão de gases poluentes na atmosfera. Extração do hidrogênio pelo método térmico através do Uso do Gás Natural para extração do Hidrogênio. Emissão de CO2 [6] XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011. 13 reforming. Extração do hidrogênio pelo método térmico através da hidrólise. Uso da Água para extração do Hidrogênio. Sem emissões Extração do hidrogênio pelo método térmico através da gaseificação. Uso do carvão e biomassa para extração do Hidrogênio. Algumas emissões [7, 8, 9]. Extração do hidrogênio pelo método térmico através da pirólise. Uso da biomassa para extração do Hidrogênio. Algumas emissões [10, 11]. Extração do hidrogênio pelo método elétrico através da eletricidade. Uso da Água para extração do Hidrogênio. A geração de emissões varia com a energia primária utilizada [6]. Extração do hidrogênio pelo método elétrico através do processo de foto eletroquímica. Uso da água para extração do Hidrogênio. Sem emissões [6]. Extração do hidrogênio pelo método biológico através do processo biofotólise direta. Uso de água para extração do Hidrogênio. Sem emissões [17]. Extração do hidrogênio pelo método biológico através do processo biofotólise indireta. Uso de água e algas para extração do Hidrogênio. Sem emissões [18, 19]. Extração do hidrogênio pelo método biológico através do processo de fermentação. Uso da Biomassa para extração do Hidrogênio. Algumas emissões [20]. Utilização do hidrogênio Substituição de combustíveis fósseis por hidrogênio. Sem emissões [12, 13, 14, 15]. Social Vazamento do gás hidrogênio em gasodutos. Possibilidade de danos à saúde da população local. Em caso de super exposição ao produto, ele pode causar asfixia, podendo ainda causar perda de consciência e morte. Institucional Decisão política sobre o uso do hidrogênio como fonte de energia. Necessidade de produção descentralizada. Necessidade de políticas públicas Tabela DSR Fontes: Elaborado pelos autores a partir de 1: Ogden (1999); 2: Ringer (2005); 3: Pottier (1995); 4: Fosberg (2004); 5: Thompson (1997); 6: Santos (2005); 7: Bain (2004); 8: Demirbas (2006); 9: Balat (2008); 10: Demirbas (2009); 11: Balat (2010); 12: Lepecki (2011); 13: Gomes (2005); 14: Blomem (1993); 15: Paula (2003); 16: Trudeau (1999); 17: Das et al, 2008; 18: Sacramento et al (2006); 19: Tamagnini et al (2003); 20: Vardar-schara et al (2008).
Compartilhar