PRINCIPAIS FONTES DE HIDROGÊNIO

A escolha do combustível deve satisfazer as seguintes condições:

- A conversão em outra forma de energia deve ser fácil para o uso final; - Deve ter alta eficiência;

- Deve ser seguro;

- Deve ser barato e de fácil disponibilidade.

O combustível de um sistema célula de combustível depende da aplicação. Nos meios de transporte e em sistemas portáteis, podem ser utilizados metanol, etanol, gás natural, gasolina e diesel. Em sistemas estacionários, destacam o consumo de gás natural, propano, butano (os dois últimos gases também fazem parte da composição do gás liquefeito de petróleo, o GLP), resíduos gasosos industriais ou combustíveis derivados da decomposição anaeróbia da biomassa como o biogás.

Há uma maior facilidade em processar combustíveis líquidos, pois são mais fáceis de serem bombeados, destacando a gasolina, por ser um combustível líquido com a maior infra-estrutura de difusão no mundo atualmente, o que pode contribuir para que as células de combustíveis entrem em estágio comercial (Fitzgerald et al., 2000).

2.3.1 Combustíveis Fósseis

2.3.1.1 Gás Natural

É um insumo energético proveniente do subsolo e que consiste em diversos componentes sendo, então, uma mistura. Aproximadamente 89% de seu volume é ocupado pelo metano (CH4), possuindo também, embora em menores proporções etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10), dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), água, compostos de enxofre, entre outros produtos incluindo hidrocarbonetos (Silveira et al., 1998). As suas propriedades estão apresentadas na tabela 2.3:

Tabela 2.3 - Propriedades físicas do gás natural (GASPETRO, 2004). Propriedade: Valor: Peso molecular médio 17,367 g / mol

Densidade (a 20°C) 0,79 g / l Calor específico (a 20°C) 2,20 kJ / kg. K

Poder calorífico inferior 41548 kJ / m3

Hoje, aproximadamente a metade da produção de hidrogênio em escala industrial no mundo provém do gás natural, pelo processo de reforma a vapor (BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY, 2004). O gás natural como combustível automotivo está se popularizando no Brasil, com a instalação de uma infra-estrutura para o abastecimento, tornando cada vez mais acessível o uso deste insumo para as células de combustível. Existem projetos de uso de células a gás natural em comunidades isoladas da Amazônia e projetos que consomem o gás natural da rede urbana para produzir energia elétrica e térmica para residências.

2.3.1.2 Gasolina, Diesel e Querosene para Aviação.

Estes combustíveis, obtidos pela destilação fracionada do petróleo, não são substâncias simples porque são constituídos basicamente por numerosos hidrocarbonetos e, em menor quantidade, por substâncias cuja fórmula química contém enxofre, nitrogênio, metais, oxigênio etc. Se descrever a fórmula geral destas substâncias como CnH2n, a fórmula da gasolina seria C7,14H14,28, do óleo diesel seria C13,57H27,14 e do querosene para aviação seria C15H30 (Brown, 2001).

A grande vantagem está no fato de aproveitar a infra-estrutura estabelecida em postos servindo como transição para prováveis postos a hidrogênio no futuro, pois ambos são alguns dos combustíveis automotivos mais consumidos no mundo. Mas a tendência deverá ser o aproveitamento da infra-estrutura estabelecida pelo álcool (etanol).

Tabela 2.4 - Propriedades físicas da gasolina (Brown, 2001). Propriedade: Valor: Peso molecular médio 100 g / mol

Densidade (a 20°C) 738 g / l Poder calorífico inferior 42.700 kJ / kg Calor específico (a 25°C) 2,08 kJ / kg . K

Tabela 2.5 - Propriedades físicas do óleo diesel (Brown, 2001). Propriedade: Valor: Peso molecular médio 190 g / mol

Densidade (a 20°C) 839 g / l Poder calorífico inferior 80.800 kJ / kg Calor específico (a 25°C) 1,9 kJ / kg . K

Tabela 2.6 - Propriedades físicas da querosene de aviação (Brown, 2001; WARDROBE REFRACTORIES P/L, 2004).

Propriedade: Valor: Peso molecular médio 210 g / mol

Densidade (a 20°C) 771 a 837 g / l Poder calorífico inferior 90.300 kJ / kg Calor específico (a 25°C) 2,1 kJ / kg . K

Fitzgerald et al. (2000) conduziram uma pesquisa de um reformador a vapor para fins automotivos, mas utilizou um combustível análogo ao da gasolina, o isooctano.

2.3.1.3 Gás Liquefeito de Petróleo (GLP)

O gás liquefeito de petróleo é composto por propano (em torno de 50%) e butano (em torno de 50%), sendo uma das alternativas à produção de hidrogênio por reforma

a vapor, já que existem vários estudos abordando a reforma destes gases. As suas propriedades físicas estão na tabela 2.7:

Tabela 2.7 - Propriedades físicas do gás liquefeito de petróleo (ALTERNATE ENERGY SYSTEMS INC., 2004).

Propriedade: Valor: Peso molecular 53,8 g / mol Densidade (a 20°C) 554 g / l Calor específico (a 20°C) 1,7053 kJ / kg . K

Poder calorífico inferior 49.148,7 kJ / kg

2.3.2 Biomassa

A biomassa oferece as melhores perspectivas entre todas as fontes de energia renováveis e como fonte de hidrogênio, seja produzindo álcool (etanol), metanol ou metano (CH4).

2.3.2.1 Etanol ou Álcool Etílico

É um líquido incolor, volátil, com odor e sabor característicos. Sua fórmula molecular é C2H5OH. Pode ser dissolvido com água em todas as proporções e não libera fuligem com a sua queima. Ele é utilizado como solvente, como matéria prima para diversos produtos industriais, como desinfetantes e em processos fermentativos.

Os álcoois (como o etanol e o metanol) podem ser usados como uma ótima matéria-prima para a produção de hidrogênio, tendo em vista a facilidade de decomposição na presença de vapor de água e de gerar uma mistura rica em hidrogênio. Em anos recentes, o metanol foi um álcool muito estudado, esbarrando, porém, em sua principal desvantagem, que é a toxicidade. Já o etanol não é nocivo ao meio ambiente na ocorrência de derramamentos ou vazamentos. Por estas circunstâncias que o etanol tem se destacado como um dos combustíveis ideais para células de combustível (RENEWABLE FUELS ASSOCIATION, 2004).

O etanol permite a formação de um ciclo fechado de CO2, o que não agrava o efeito estufa. Tecnicamente, o etanol apresenta a vantagem de não conter enxofre, sendo um dos mais indicados para a extração de hidrogênio e um dos menos prejudiciais ao meio ambiente. É um composto químico orgânico com algumas características listadas na tabela 2.8:

Tabela 2.8 - Propriedades físicas do etanol (SUGARSOFT, 2004).

Propriedade: Valor:

Peso molecular 46 g / mol Densidade (a 20°C) 789,1 g / l Calor específico (a 20°C) 2,849 kJ / kg . K

Poder calorífico inferior 30.238 kJ / kg

O etanol, se aplicado em células de combustível, possibilita uma eficiência energética maior que a dos motores de combustão interna. Deve ser destacada a presença de uma ampla rede de distribuição do produto. Mas o etanol também pode ser obtido através do etileno, este obtido do craqueamento* da nafta, oriundo do petróleo e de outros combustíveis fósseis como gás natural, da nafta petroquímica e do carvão (Pinazza et al., 2004; Brown, 2001).

* craqueamento: quebra de moléculas maiores, como as que estão presentes no petróleo, em moléculas menores.

2.3.2.2 Metanol ou Álcool Metílico

O metanol é um líquido incolor, possuindo um odor suave na temperatura ambiente. Sua fórmula molecular é CH3OH. Este combustível é produzido em grandes volumes consumindo gás natural principalmente (Brown, 2001). Existem tecnologias para a síntese de metanol consumindo CO2 proveniente do ar, inclusive (Bockris, 1999). A maior utilização do metanol atualmente está na produção de formaldeído, metil-tert-butil-éter (MTBE) - aditivo para a gasolina e que está sendo banido aos

poucos nos EUA - e como combustível puro ou em mistura com gasolina para automóveis leves.

As principais propriedades físicas do metanol estão na tabela 2.9:

Tabela 2.9 - Propriedades físicas do metanol (BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY, 2004).

Propriedade: Valor:

Peso molecular 32,04 g / mol Densidade (a 20°C) 0,7932 g / l Calor específico do líquido (a 20°C) 2,51 kJ / kg . K

Poder calorífico inferior 19.900 kJ / kg

2.3.2.3 Biogás

O biogás é um material produzido através da decomposição da matéria orgânica, oriunda de diversas fontes (resíduos agrícolas, resíduos de poda de árvores, lixo doméstico, resíduos industriais, esgoto, entre outras), podendo ser utilizado em diversos setores, em especial no setor doméstico (cocção, aquecimento de água e de ambientes internos).

A produção de biogás é uma ótima alternativa para a produção de energia, em especial para os países em desenvolvimento, por ser abundante em hidrogênio. Dependendo da tecnologia de digestão utilizada e da matéria-prima, a composição do biogás produzido é de aproximadamente 55 a 65% de CH4, de 35 a 45% de dióxido de carbono, além de conter traços de hidrogênio, compostos de enxofre (que devem ser extraídos), amônia e vapor de água (que deve ser eliminado) (PROJETO BIOGÁS, 2004). A sua queima contribui para mitigar o efeito estufa, pois com isso, há a produção de gases menos prejudiciais ao efeito estufa como o dióxido de carbono (Shiga et al., 1998).

2.3.3 Água

Este insumo deverá ser uma das principais fontes de hidrogênio no futuro, destacando as análises de viabilidade econômica de sua produção a partir da água de reservatórios das grandes usinas hidrelétricas brasileiras. A idéia é produzir durante a madrugada, período em que a demanda por energia é baixa e de menor custo.

A eletrólise, um dos métodos mais conhecidos, permite romper a molécula de água em átomos de hidrogênio e oxigênio através da passagem de corrente elétrica. Com isto, são criadas partículas carregadas (cátions e ânions).

Algumas das propriedades da água estão na tabela 2.10:

Tabela 2.10 - Propriedades físicas da água.

Propriedade: Valor:

Peso molecular 18 g / mol Densidade (a 20°C) 1 g / l Calor específico do líquido (a 20°C) 4,19 kJ / kg . K

2.3.4 Outros materiais

Podemos analisar na literatura pesquisas sobre a produção de hidrogênio utilizando insumos como o dimetil éter (Galvita et al., 2001), amônia, n-heptano, nafta (Joensen et al., 2002). Há também estudos com isooctano, hexeno, tolueno, além da gasolina realizados por Springmann et al. (2002). Rice et al. (2002) desenvolveram um estudo utilizando ácido fórmico.