UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Francielle Gambetta
Análise Técnica e Econômica de Retificadores
de Corrente para Produção de Hidrogênio
Eletrolítico: Estudo de Caso Aproveitando a
EVT da UHE de Itaipu
Francielle Gambetta
Análise Técnica e Econômica de Retificadores
de Corrente para Produção de Hidrogênio
Eletrolítico: Estudo de Caso Aproveitando a
EVT da UHE de Itaipu
Orientador: Prof. Dr. Ennio Peres da Silva
Campinas 2010
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos.
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP
G143a
Gambetta, Francielle
Análise técnica e econômica de retificadores de corrente para produção de hidrogênio eletrolítico: estudo de caso aproveitando a EVT da UHE de Itaipu /
Francielle Gambetta. --Campinas, SP: [s.n.], 2010. Orientador: Ennio Peres da Silva.
Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
1. Hidrogênio. 2. Eletrólise. 3. Retificadores corrente elétrica. 4. Desenvolvimento energetico. 5. Energia hidreletrica. I. Silva, Ennio Peres da. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Título em Inglês: Technical and economical analysis of power rectifiers for electrolytic hydrogen production: case study considering the spilled turbinable energy of Itaipu Hydroelectric Power Plant
Palavras-chave em Inglês: Hydrogen, Electrolysis, Electric current rectifiers, Energy development, Water-power
Área de concentração:
Titulação: Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos
Banca examinadora: Carla Nakao Kazue Cavaliero, Samuel Nelson Melegari de Souza Data da defesa: 23/02/2010
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ENERGÉTICOS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Análise Técnica e Econômica de Retificadores
de Corrente para Produção de Hidrogênio
Eletrolítico: Estudo de Caso Aproveitando a
EVT da UHE de Itaipu
Autor: Francielle Gambetta
Orientador: Prof. Dr. Ennio Peres da Silva
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação: ____________________________________________________
Prof. Dr. Ennio Peres da Silva, Presidente
Instituto de Física “Gleb Wataghin” - UNICAMP
____________________________________________________ Profa. Dra. Carla Kazue Nakao Cavaliero
Faculdade de Engenharia Mecânica – UNICAMP
___________________________________________________ Prof. Dr. Samuel Nelson Melegari de Souza
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas – UNIOESTE
Dedico este trabalho aos meus pais, Genézio e Teresa Gambetta, aos meus irmãos, Lucas e Fernanda Gambetta e ao meu noivo, Ricardo Camargo Nunes Prado.
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais presto minha homenagem:
Aos meus pais, Genézio e Teresa Gambetta, e meus irmãos, Fernanda e Lucas Gambetta, pela força, incentivo, amor e confiança depositada.
Ao meu noivo, Ricardo Camargo Nunes Prado, pelo amor, incentivo, paciência e compreensão durante a realização deste trabalho. E também por suas palavras de conforto em momentos de dificuldade.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Ennio Peres da Silva, pela ótima orientação, incentivo, paciência e principalmente, pela amizade.
Aos professores Doutores Carla Kazue Nakao Cavaliero e Newton Pimenta Neves Júnior pelas produtivas observações e sugestões dadas durante minha qualificação.
À Universidade Estadual de Campinas, que me proporcionou a chance de adquirir o conhecimento necessário para a realização deste trabalho.
Aos colegas do Laboratório de Hidrogênio pela ajuda concedida, principalmente ao Cristiano, amigo indispensável para a realização deste trabalho.
Às minhas queridas amigas, Luana, Kellen e Keila pelo incentivo e pelos momentos de diversão e descontração. E às amigas do Laboratório de Hidrogênio, Karina, Aline e Rúbia pelos momentos na sala de reunião comendo brigadeiro e pela amizade.
À Itaipu Binacional pelo incentivo e apoio técnico, especialmente aos Engenheiros Marcelo Miguel e Antônio Carlos Fonseca Santos Júnior.
Ao PDTA pelo apoio financeiro.
“O mundo está nas mãos daqueles que têm coragem de sonhar e correr o risco de viver seus sonhos.” Charles Chaplin
Resumo
Para países com disponibilidade de energia elétrica relativamente barata, como o Brasil, o custo de instalação é o fator mais importante para a produção de hidrogênio eletrolítico, representando mais de 50% do custo total. O retificador de corrente é um dos principais equipamentos que compõem um sistema de eletrólise da água e é objeto de estudo desta dissertação. A partir de uma análise técnica, concluiu-se que, atualmente, o sistema de retificação mais adequado ao processo de produção de hidrogênio eletrolítico é o sistema a tiristor, principalmente por apresentar maior eficiência e confiabilidade operacional. Por meio de uma análise de mercado, concluiu-se que o mercado nacional, em sua maioria, está apto a fornecer retificadores industriais apenas para aplicação em eletrolisadores unipolares, já o mercado internacional possui uma vasta gama de retificadores com diversos níveis de tensão e corrente de saída, sendo capaz de fornecer estes equipamentos tanto para alimentar eletrolisadores industriais unipolares quanto bipolares. O custo do hidrogênio foi calculado tomando como base estudos anteriores e utilizando a Energia Vertida Turbinável (EVT) da UHE de Itaipu, o que resultou em US$ 2,66/kg para uma planta com capacidade de produzir 4.365 m3/h de hidrogênio. A influência do custo do retificador sobre o custo de produção é de 10,8% e, assim, uma diminuição de 50% no custo deste equipamento promoveria uma redução de 5,4% no custo do hidrogênio eletrolítico. Apesar de pequena, esta redução pode ser determinante em muitos casos. Assim, a introdução de uma linha de pesquisa em um pólo tecnológico para o desenvolvimento destes equipamentos é interessante, pois além de contribuir com a redução do custo do hidrogênio eletrolítico, representa uma oportunidade de crescimento econômico que pode colocar o Brasil em destaque de forma positiva dentro dos cenários energético e econômico mundiais.
Abstract
For countries with relatively cheap electricity availability, such as Brazil, the cost of installation is the most important factor for the production of electrolytic hydrogen, representing more than 50% of the total. The power rectifier is one of the main devices comprising the water electrolysis system and it is the object of study in this dissertation. From a technical analysis, it was concluded that currently the most suitable system for electrolytic hydrogen production is the thyristor system, mainly due to its higher efficiency and operational reliability. Through market analysis, it was concluded that most of rectifiers available in the domestic market are designed only for use in industrial unipolar electrolysers. On the other hand, the international market has a wide range of rectifiers with different levels of voltage and current output, being capable of providing such equipment for both industrial unipolar and bipolar electrolysers. The cost of hydrogen was calculated using previous studies of the Spilled Turbinable Energy (STE) of Itaipu Hydroelectric Energy Plant, and resulted in US$ 2.66/kg for a plant with capacity to produce 4,365 m3/h of hydrogen. The influence of the rectifier cost on the gas production cost is 10.8%, and thus a decrease of 50% in the cost of such equipment would promote a reduction of 5.4% in the cost of the electrolytic hydrogen. Although small, this reduction can be decisive in many cases. Thus the introduction of a research line at a technological center for the development of this equipment is interesting, which also contributes to lowering the cost of electrolytic hydrogen and is an opportunity for economic growth to highlight Brazil in the worldwide energy and economic scenery.
Lista de Figuras
Figura 1.1: Matriz elétrica brasileira – ano base 2008. ...3
Figura 2.1: Fontes, processos de produção e tecnologias de conversão e utilização do hidrogênio para fins energéticos...9
Figura 2.2: Diagrama simplificado do processo de eletrólise alcalina da água. ...12
Figura 2.3: Dependência das tensões reversível e termoneutra com relação a temperatura. ...14
Figura 2.4: Curva de performance de um eletrolisador unipolar. ...15
Figura 2.5: Esquema de uma planta de eletrólise...18
Figura 2.6: Diagrama esquemático de eletrolisadores (a) unipolar e (b) bipolar. ...20
Figura 2.7: Representação esquemática do eletrolisador PEM. ...22
Figura 2.8: Influência do custo da eletricidade no custo final do hidrogênio eletrolítico...26
Figura 2.9: Composição do custo de instalação. ...28
Figura 2.10: Composição do custo do hidrogênio eletrolítico. ...29
Figura 2.11: Participação do custo de instalação no custo do hidrogênio eletrolítico. ...30
Figura 2.12: Composição do custo de instalação. ...30
Figura 2.13: Distribuição percentual do custo do hidrogênio eletrolítico...31
Figura 2.14: Participação do custo de capital no custo de produção do hidrogênio eletrolítico. ...32
Figura 2.15: Composição do custo de produção do hidrogênio eletrolítico...32
Figura 2.16: Composição do custo do sistema de eletrólise utilizando tecnologia alcalina. ...33
Figura 2.17: Composição do custo para o sistema de eletrólise da planta experimental de produção de hidrogênio da CEMIG. ...34
Figura 3.1: Fluxograma da metodologia de pesquisa utilizada. ...35
Figura 5.1: Diagrama esquemático do circuito completo de um sistema de retificação a tiristor..55
Figura 5.2: Conexão entre o transformador e o retificador. ...56
Figura 5.3: Diagrama trifilar de um retificador em configuração DB. ...57
Figura 5.4: Diagrama trifilar de um retificador em configuração DSS...57
Figura 5.6: Grupo de diodos em paralelo de um retificador de 45 kA...59
Figura 5.7: Unidade de refrigeração (a) água/ar e (b) água/água de um retificador. ...60
Figura 5.8: Seccionadora de corrente contínua de (a) 35 kA e (b) 45 kA...62
Figura 5.9: Barramentos CC e CA de um retificador...62
Figura 5.10: Eficiência de um sistema de retificação versus tensão de saída. ...67
Figura 7.1: EVT disponível em Itaipu entre 2001 e 2007. ...87
Figura 7.2: Disponibilidade média mensal de EVT e consumo de energia elétrica na planta de produção de hidrogênio eletrolítico...88
Figura 7.3: Custo unitário da planta de eletrólise em função da sua capacidade. ...91
Figura 7.4: Custo unitário do retificador em função da capacidade de produção da planta de eletrólise. ...92
Figura 7.5: Relação entre os custos unitários da planta de eletrólise e do retificador em função da capacidade de produção. ...93
Figura 7.6: Composição do custo do hidrogênio eletrolítico. ...94
Figura 7.7: Composição do custo anual de capital...95
Figura 7.8: Composição do custo do sistema de eletrólise. ...96
Figura 7.9: Análise de sensibilidade do custo do hidrogênio eletrolítico com relação ao custo do eletrolisador e ao custo do retificador. ...98
Lista de Tabelas
Tabela 2.1: Dados termodinâmicos da reação de eletrólise da água nas condições padrões. ...13
Tabela 2.2: Variação da eficiência com a tensão de operação e o consumo de energia por unidade de hidrogênio gerado. ...17
Tabela 2.3: Custo do hidrogênio produzido a partir da eletrólise. ...27
Tabela 2.4: Custo do hidrogênio eletrolítico e custos de instalação, com insumos e de operação e manutenção para os três cenários analisados por SANTOS JUNIOR (2004)...29
Tabela 3.1: Considerações para a estimativa do custo associado ao sistema de compressão. ...40
Tabela 4.1: Especificações dos eletrolisadores da linha Hydrofiller da Avalence...44
Tabela 4.2: Especificações do eletrolisador HOGEN ® H Series...44
Tabela 4.3: Especificações do eletrolisador HOGEN ® S Series. ...45
Tabela 4.4: Características dos eletrolisadores atmosféricos da Hydrogen Technologies. ...46
Tabela 4.5: Especificações dos eletrolisadores da linha TITANTM HM e TITANTM EC. ...46
Tabela 4.6: Especificações técnicas dos eletrolisadores da Hydrogenics. ...47
Tabela 4.7: Especificações técnicas dos eletrolisadores da Casale. ...48
Tabela 4.8: Especificações técnicas dos eletrolisadores da ErreDue...49
Tabela 4.9: Especificações técnicas dos eletrolisadores da AccaGen. ...50
Tabela 4.10: Especificações técnicas dos eletrolisadores da PIEL. ...51
Tabela 4.11: Especificações técnicas dos eletrolisadores atmosféricos da ELT. ...52
Tabela 4.12: Relação dos principais fabricantes mundiais de eletrolisador...53
Tabela 5.1: Comparação entre a eficiência energética de sistemas a tiristor e chopper...66
Tabela 5.2: Comparação entre os sistemas de retificação. ...71
Tabela 6.1: Fabricantes de retificador no mercado internacional e seus produtos...75
Tabela 6.2: Fabricantes de retificador no mercado nacional e seus produtos. ...78
Tabela 6.3: Relação dos fabricantes aptos a fornecer o retificador para aplicação no eletrolisador da Hydrogen Technologies Tipo n° 5040...80
Tabela 6.4: Relação dos fabricantes de retificador de corrente consultados e suas respectivas
propostas...81
Tabela 6.5: Relação do preço líquido, impostos incidentes e preço ex-works para as propostas apresentadas pelos fabricantes de retificador. ...82
Tabela 7.1: Custo associado à compra do sistema de eletrólise...85
Tabela 7.2: Custos de instalação e custos anuais de operação e manutenção. ...86
Tabela 7.3: Consumo de energia elétrica na planta de produção de hidrogênio eletrolítico...87
Tabela 7.4: Distribuição percentual média da disponibilidade de EVT da UHE de Itaipu entre janeiro de 2001 e dezembro de 2007...88
Tabela 7.5: Resultados obtidos da análise de custo do hidrogênio eletrolítico produzido...89
Tabela 7.6: Custo unitário de capital da planta de eletrólise em função da capacidade de produção. ...91
Tabela 7.7: Custo unitário do retificador. ...92
Tabela 7.8: Comparação entre os valores referentes à participação do custo de capital no custo de produção do hidrogênio eletrolítico para diferentes estudos...95
Tabela 7.9: Comparação entre os valores relacionados à participação do custo do retificador no custo de instalação entre diferentes estudos. ...96
Tabela 7.10: Determinação da influência total do custo do retificador sobre o custo do hidrogênio eletrolítico produzido. ...97
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas
C Custo anual de produção de hidrogênio eletrolítico US$/ano Cc Custo anual de capital, de operação e manutenção US$/ano
Ccap Custo de capital de instalação da planta US$
Ce Custo anual de energia elétrica US$/ano
Cele Custo de uma unidade de eletrolisador US$
CEL Custo unitário de capital da planta de eletrólise US$/kW
CEG Custo médio da energia garantida US$/MWh
CEVT Custo médio da energia vertida turbinável US$/MWh
CH Custo do hidrogênio eletrolítico m3/h
Cp Capacidade da planta de eletrólise m3/h
CR Custo unitário de capital do retificador US$/kW
Cret Custo de uma unidade de retificador US$
CΦ Custo médio da energia elétrica US$/MWh
d Taxa de desconto %
E Tensão mínima teórica V
EE Energia teórica mínima para a decomposição da água kJ/mol H2
EEG Quantidade de energia garantida utilizada MWh/ano
EEVT Quantidade de energia vertida turbinável utilizada MWh/ano
Erev Potencial reversível V
Eth Potencial termoneutro V
F Constante de Faraday C/mol
FRC Fator de recuperação de capital adimensional
I Corrente de saída do retificador A
n Período de recuperação do capital anos
N Número de elétrons transferidos na evolução de uma molécula de hidrogênio
elétrons
OM Taxa anual de custo com operação e manutenção %
p Desconto obtido com a compra de várias unidades do equipamento %
P Potência do retificador W
PH Produção anual de hidrogênio eletrolítico m3/ano
P1 Pressão inicial do gás Pa
P2 Pressão final do gás Pa
r Resistência ôhmica de todos os componentes do eletrolisador Ω
R Constante dos gases J/kg.k
R2 Coeficiente de correlação adimensional
So Potência do sistema de compressão referência kW
Sx Potência requerida pelo sistema de compressão kW
T Temperatura K
V Tensão de saída do retificador V
Vop Tensão de operação da célula eletrolítica V
Vpcs Tensão correspondente ao poder calorífico superior do hidrogênio V
We Consumo específico de eletricidade kWh/m3
Letras Gregas
α Custos associados à compra do sistema de eletrólise US$
β Custos associados à compra do sistema de compressão US$
βo Investimento do sistema de compressão referência US$
βx Investimento do sistema de compressão requerido US$
ε Custo com engenharia e supervisão US$
Ø Custo associado à infraestrutura civil US$
γ Custo de eventuais contingências US$
λ Custo com despesas de construção US$
Γα Consumo anual de energia elétrica do eletrolisador MWh/ano
Γβ Consumo anual de energia elétrica do compressor MWh/ano
Γr Consumo anual de energia elétrica do retificador MWh/ano
Γδ Consumo anual de energia elétrica dos periféricos MWh/ano
η Eficiência do eletrolisador %
ηa Sobretensão no ânodo V
ηc Sobretensão no cátodo V
ν Fator de escala para o sistema de compressão adimensional
∆E Aumento mínimo da tensão V
∆G Variação da energia livre de Gibbs kJ/mol
∆H Variação da entalpia kJ/mol
Abreviações
CA Corrente alternada CC Corrente contínua
CH4 Gás metano
CO2 Dióxido de carbono
COFINS Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social DB Double bridge
DSS Double star with interphase reactor EG Energia garantida
EVT Energia vertida turbinável GD Geração distribuída GEE Gás de efeito estufa H2 Gás hidrogênio
ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços IGBT Insulated gate bipolar transistor
IPI Imposto sobre Produtos Industrializados KOH Hidróxido de potássio
OECD Organization for Economic Cooperation and Development OLTC On-load tap changer
PCH Pequena Central Hidrelétrica PEM Proton Exchange Membrane PIB Produto Interno Bruto
PIS Programa de Integração Social ppm Partes por milhão
PWM Pulse-width modulation SCR Silicon Controlled Rectifier THD Taxa de Distorção Harmônica UHE Usina hidrelétrica
Siglas
CENEH Centro Nacional de Referência em Energia do Hidrogênio DOE Department of Energy
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change MME Ministério de Minas e Energia
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...1 1.1 Justificativa...4 1.2 Objetivos ...5 1.3 Estrutura da Dissertação...6 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...8 2.1 A Produção do Hidrogênio...82.1.1 Produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água ...10
2.1.2 Eletrolisadores ...20
2.1.3 Retificador ...22
2.2 Custo de produção do hidrogênio a partir da eletrólise...25
2.3 Análise de estudos econômicos sobre produção de hidrogênio eletrolítico utilizando energia hidrelétrica ...28
3 METODOLOGIA ...35
3.1 Análise do estado da arte de eletrolisadores...36
3.2 Análise do estado da arte de sistemas de retificação...36
3.3 Pesquisa de mercado de retificador ...37
3.4 Determinação e análise do custo do hidrogênio eletrolítico ...37
3.5 Análise da influência do custo do retificador no custo de produção de hidrogênio eletrolítico...42
4 ANÁLISE DO ESTADO DA ARTE DE ELETROLISADORES ...43
4.1 Fabricantes de eletrolisador e seus equipamentos...43
4.1.1 Avalence...43
4.1.2 Proton Energy System ...44
4.1.3 Hydrogen Technologies ...45
4.1.5 Hydrogenics ...47
4.1.6 Casale Chemicals S.A. ...48
4.1.7 ErreDue ...48
4.1.8 AccaGen ...49
4.1.9 PIEL ...50
4.1.10 ELT...52
4.2 Análise dos atuais eletrolisadores comerciais ...52
5 ANÁLISE DO ESTADO DA ARTE DE SISTEMAS DE RETIFICAÇÃO...54
5.1 Sistemas de Retificação...54
5.2 Comparação do desempenho de sistemas de retificação...63
5.2.1 Confiabilidade ...64
5.2.2 Eficiência...65
5.2.3 Fator de Potência ...67
5.2.4 Harmônicas...69
5.2.5 Custos Iniciais ...69
6 PESQUISA DE MERCADO DE RETIFICADOR...72
6.1 Fabricantes de retificador no mercado internacional e seus produtos...72
6.2 Fabricantes de retificador no mercado nacional e seus produtos ...75
6.3 Análise da competência de fabricação de retificadores para aplicação em plantas de eletrólise para produção de hidrogênio eletrolítico ...78
6.4 Pesquisa de preço do retificador junto a seus fabricantes ...80
7 DETERMINAÇÃO E ANÁLISE DE CUSTO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO ...84
7.1 Determinação do custo de capital de instalação...84
7.2 Determinação do custo com eletricidade ...86
7.3 Cálculo do custo do hidrogênio eletrolítico ...89
7.4 Análise do custo unitário do retificador em uma planta de eletrólise ...90
7.5 Análise da influência do custo do retificador no custo do hidrogênio produzido...94
8 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...101
8.1 Conclusões ...101
Referências Bibliográficas ...108
Anexo I - Proposta Retificador ABB ...118
Anexo II - Proposta Retificador Varixx ...123
1 INTRODUÇÃO
O modelo atual de desenvolvimento caracteriza-se por um elevado consumo energético, sendo que os combustíveis fósseis respondem por cerca de 80% do suprimento global de energia (GELLER, 2003). Essa dependência de fontes não renováveis tem acarretado, além da preocupação permanente com o esgotamento destas fontes, a emissão de grandes quantidades de Gases de Efeito Estufa (GEEs). O aumento da concentração atmosférica destes gases vem contribuindo para o aumento da temperatura média ambiente junto à superfície terrestre, caracterizando o fenômeno conhecido como Aquecimento Global. Além disso, a queima de combustíveis fósseis expõe as pessoas a níveis de poluição do ar que em muitas localidades excedem os limites máximos admitidos, causando vários problemas à saúde da população (HOGAN et al, 2000).
Do ponto de vista econômico e de segurança energética, a produção de petróleo está centralizada em determinadas regiões do mundo que são influenciadas por fatores distintos, especialmente políticos, o que contribui para preços instáveis e cada vez mais altos. Na ausência de alternativas energéticas viáveis, para muitos especialistas os fatores políticos somados ao fator físico de esgotamento das reservas provadas de petróleo, estimadas em algumas poucas décadas, resultarão em elevações progressivas do preço até atingir níveis que poderão afetar fortemente o desenvolvimento econômico de muitos países (GODOY, 2008).
Por fim, existe um enorme potencial de crescimento da chamada “Classe de Consumidores Globais” nos países e economias em desenvolvimento, tais como Índia, China e Brasil (MELLO & HOGAN, 2007), que vêm seguindo o mesmo modelo dos países industrializados. A expansão dos mercados consumidores desses países vem aumentando a pressão sobre os recursos naturais, havendo uma maior demanda por energia devido à instalação de indústrias e aquisição de eletrodomésticos e veículos automotores. O relatório World Energy Outlook 2009 (IEA, 2009) aponta que a demanda energética mundial aumentará em 40% em 2030. De acordo com as estimativas, o ritmo de crescimento da demanda mundial por petróleo será de 1% ao ano, o que significa passar de 85
milhões de barris diários consumidos em 2008 para uma demanda de 105 milhões de barris diários em 2030.
Neste contexto, considerando as questões e desafios associados ao suprimento de petróleo, o hidrogênio apresenta-se como uma alternativa que poderá contribuir com o suprimento da demanda energética futura, uma vez que pode ser obtido a partir de uma ampla gama de fontes primárias, incluindo os combustíveis fósseis, a energia nuclear e as fontes renováveis de energia. Isto pode resultar em uma maior estabilidade na disponibilidade e no preço da energia, proporcionando maior segurança energética e menores tensões políticas.
Além disso, como o hidrogênio pode ser produzido a partir de fontes livres de carbono ou com carbono neutro e, quando produzido a partir de combustíveis fósseis, pode ser aplicado o processo de captura e armazenagem de CO2, a utilização deste vetor energético contribuiria com a diminuição das emissões de GEEs no setor de energia através de sua conversão em eletricidade em células a combustível, as quais apresentam maiores eficiências quando comparadas com os sistemas térmicos convencionais (motores-geradores e turbinas). Outra vantagem das células a combustível é a geração de eletricidade próxima ao ponto de utilização (Geração Distribuída – GD), o que proporcionaria o aproveitamento do calor gerado no processo e evitaria o uso de linhas de transmissão e seus indesejáveis impactos ambientais.
Tendo em vista que ao fixar metas para a redução das emissões de GEEs e ao introduzir mecanismos de negociação de créditos de carbono, o Protocolo de Quioto tornou-se um importante facilitador para a adoção de fontes renováveis de energia e também, indiretamente, da tecnologia e economia do hidrogênio (SANTOS, 2008), e levando em conta os benefícios ambientais e os relacionados à segurança energética, a tecnologia do hidrogênio pode se tornar economicamente competitiva. Além disso, a implantação do hidrogênio para geração de energia elétrica e como combustível em veículos de transporte traria benefícios à qualidade do ar atmosférico do local, o que resultaria em menores gastos com saúde pública (ESTEVES, 2007).
Entretanto, o hidrogênio molecular não é uma fonte primária de energia e para obtê-lo é necessário extraí-lo de substâncias onde esteja presente, como a água e os compostos orgânicos.
Um dos métodos de obtenção do hidrogênio é a eletrólise da água, que consiste na dissociação das moléculas da água em seus elementos constituintes, hidrogênio e oxigênio, com a utilização da eletricidade.
Como o processo da eletrólise para obtenção de hidrogênio envolve o gasto de energia elétrica e a energia que poderá ser fornecida pelo hidrogênio é menor do que a energia total utilizada na sua obtenção, devido às irreversibilidades do processo, o custo da eletricidade torna-se um importante contribuinte no custo final do hidrogênio eletrolítico (IVY, 2004).
De acordo com Garcia (1999), o sistema brasileiro de geração de energia elétrica é composto basicamente de usinas hidrelétricas. A Figura 1.1 apresenta a matriz elétrica brasileira do ano de 2008 (MME, 2009), onde se observa a predominância da energia renovável consumida no país frente ao resto do mundo, com destaque para a hidroeletricidade.
Figura 1.1: Matriz elétrica brasileira – ano base 2008.
Fonte: MME (2009).
Apesar da otimização da geração de energia elétrica, em períodos de chuva existe sempre a possibilidade de haver excessos de reserva hídrica. Quando um reservatório de uma usina atinge sua máxima capacidade de armazenamento, haverá o vertimento da afluência excedente. Se a demanda já tiver sido atendida e a usina ainda apresentar capacidade de turbinamento, diz-se que
ocorreu um vertimento turbinável (ESPÍNOLA, 2008) e fica configurado o conceito de “energia vertida turbinável” (EVT) (SANTOS JUNIOR, 2004).
A produção de hidrogênio por eletrólise da água utilizando a EVT de usinas hidrelétricas (UHEs) pode ser considerada bastante promissora, já que promove o aproveitamento de uma energia que seria desperdiçada, como forma de buscar alternativas aos atuais combustíveis fósseis. Além disso, considerando que o custo dessa energia é bem inferior ao da energia associada a contratos de fornecimento, existe a perspectiva de obter-se um produto viável economicamente, tendo em vista a importância do custo da energia no custo final do hidrogênio produzido (SANTOS JUNIOR, 2004).
Contudo, a disponibilidade e a capacidade de produção da planta de eletrólise são fatores que exercem grande influência sobre o custo final de produção de hidrogênio, como foi observado nos estudos desenvolvidos por Souza (1998), Godoy (2008) Espínola (2008) e Ferreira (2007). Assim, a utilização apenas da EVT para a produção de hidrogênio, pode tornar este produto inviável economicamente, sendo, portanto, necessária a associação da energia garantida com a EVT, de maneira a obter um alto fator de disponibilidade e uma capacidade de produção aceitável.
Entretanto, de acordo com Evans & Strong Junior (1986) e Espínola (2008), a produção de hidrogênio eletrolítico pode apresentar um custo elevado mesmo com baixos custos de eletricidade, sugerindo que o custo de capital associado ao processo de eletrólise é em muitos casos o fator mais importante. Assim, a solução chave não é apenas a busca por eletricidade mais barata ou produção com maior eficiência elétrica, mas também a pesquisa e o desenvolvimento de equipamentos com menores custos.
1.1 Justificativa
Tendo em vista que o retificador é um dos equipamentos que compõem o sistema de eletrólise e, portanto, colabora com o custo de instalação deste sistema e, consequentemente, com
o custo final do hidrogênio eletrolítico, faz-se necessário conhecer o atual estado da arte destes equipamentos no mercado nacional e internacional. Além disso, é importante analisar o tipo de retificador mais adequado ao processo, de forma a evitar a aquisição de um equipamento com especificação diferente da necessária. A análise do impacto causado pelo custo deste equipamento sobre o custo do sistema de eletrólise e sobre o custo final do hidrogênio eletrolítico produzido a partir do aproveitamento da EVT é interessante uma vez que permite estimar a redução obtida no custo deste energético, através da utilização de equipamentos com menores custos.
1.2 Objetivos
Esta dissertação tem como objetivos gerais determinar a contribuição dos retificadores de corrente no custo final do hidrogênio produzido por eletrólise alcalina da água aproveitando a EVT disponível na UHE de Itaipu e verificar as possibilidades de redução desse custo através do desenvolvimento de retificadores específicos para essa aplicação.
Os itens seguintes constituem objetivos específicos deste trabalho:
1. Descrever o atual estado da arte dos retificadores de corrente que podem ser utilizados no processo de eletrólise da água, nos mercados nacional e internacional.
2. Detalhar a estrutura de custos do hidrogênio eletrolítico, determinando a participação dos retificadores no custo final.
3. Determinar a variação do custo final do hidrogênio obtido pelo processo de eletrólise da água através do uso de energia elétrica secundária (não assegurada) em função da variação do custo do retificador.
1.3 Estrutura da Dissertação
Esta dissertação está dividida em 8 capítulos, descritos a seguir:
Capítulo 1 - Introdução: representada por este capítulo, inclui as justificativas do trabalho, os objetivos e a estrutura.
Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica: neste capítulo é apresentada uma revisão dos principais tópicos abordados e necessários ao desenvolvimento do trabalho, a partir de textos fundamentais e específicos que tratam dos temas centrais da dissertação. Essa revisão permite situar o trabalho no contexto atual dos demais estudos da mesma área, bem como permite a percepção da contribuição dada.
Capítulo 3 - Metodologia: este capítulo apresenta, de forma lógica, as principais etapas seguidas para o desenvolvimento da dissertação, partindo da pesquisa básica até chegar aos objetivos propostos
Capítulo 4 – Análise do Estado da Arte de Eletrolisadores: apresenta os principais fabricantes de eletrolisador atualmente no mercado. Ao final deste capítulo é realizada uma análise comparativa entre os equipamentos comercialmente disponíveis, de forma a determinar as especificações técnicas dos retificadores a serem aplicados em uma planta de eletrólise.
Capítulo 5 – Análise do Estado da Arte de Sistemas de Retificação: apresenta os detalhes de um sistema de retificação típico: topologia, princípios e principais equipamentos componentes. No final deste capítulo é realizada uma análise comparativa dos tipos de sistemas de retificação. Os capítulos 4 e 5 constituem a base de dados do trabalho, uma vez que é através deles que se determinam as necessidades do sistema de retificação para o processo de eletrólise, promovendo o conhecimento do sistema de forma a facilitar os próximos passos do trabalho.
Capítulo 6 – Pesquisa de Mercado: tendo como base os dados apresentados no Capítulo 5 foi realizado um levantamento dos fabricantes e seus retificadores disponíveis no mercado
nacional e internacional. A partir da escolha do eletrolisador, baseada na análise desenvolvida no Capítulo 4, são determinadas as especificações do retificador e os possíveis fornecedores deste equipamento. Ao final deste capítulo são apresentados os resultados das consultas de preço do retificador realizadas junto aos fabricantes selecionados para o estudo
.
Capítulo 7 – Determinação e Análise do Custo da Produção de Hidrogênio Eletrolítico: são apresentados os resultados obtidos utilizando os dados econômicos do Capítulo 6. No final deste capítulo é realizada uma análise da influência do custo do retificador no custo de produção do hidrogênio eletrolítico.
Capítulo 8 - Conclusões e Sugestões para Trabalhos Futuros: são apresentadas as principais conclusões obtidas nesta dissertação, bem sugestões para novos trabalhos complementares a serem realizados, que não puderam ser aqui contemplados.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo foi realizada uma introdução aos processos de produção de hidrogênio, dando ênfase à produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água, descrevendo tal processo e analisando os principais componentes de uma planta de eletrólise. Por fim, foi apresentada a análise de estudos econômicos, desenvolvidos em outros trabalhos, sobre produção de hidrogênio eletrolítico utilizando energia hidrelétrica.
2.1 A Produção do Hidrogênio
Embora seja considerado o elemento químico mais abundante do universo, o hidrogênio molecular não é encontrado na natureza em quantidade expressiva e suficiente para suprir a demanda, cuja aplicação principal atualmente é como insumo químico, em particular como matéria prima para processos de tratamento do petróleo e produção de fertilizantes. Assim, para a obtenção do hidrogênio é necessário extraí-lo de substâncias onde esteja presente, tais como água e compostos orgânicos, sendo por isso necessário o fornecimento de energia (APOLINÁRIO, 2004). A Figura 2.1 apresenta as principais fontes e seus respectivos processos para a obtenção do hidrogênio.
De acordo com o tipo de fonte considerada, existem diferentes tecnologias para a produção de hidrogênio. Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido é proveniente da reforma de combustíveis, em especial da reforma a vapor do gás natural, sendo o processo de eletrólise da água utilizado em menor escala (LOPES, 2009). Os equipamentos utilizados nesses dois processos de produção de hidrogênio são os reformadores de combustível e os eletrolisadores de água, respectivamente.
Energia Elétrica
Eletrólise da Água
Biomassa
Etanol, Óleos, Bagaço
Fósseis GN, Gasolina, Carvão Líquidos Gases Sólidos Gaseificação Reforma a Vapor
H
2 Separação Células a Combustível Móveis Veicular U.A. Potência En. Elétrica Cogeração Estacionárias Eletro-Eletrônicos Portáteis Veículos a Combustão Interna Geração de Eletricidade Geração de Calor Turbogeradores Integração Dispositivos Integração Sistemas Armazena/, Transporte, Distribuição Códigos, Padrões Segurança Fontes Primárias Processos para produção H2 Usos Atividades Suporte Hidroelétrica PCH Eólica Solar Fotovoltaica Energia Elétrica Eletrólise da Água BiomassaEtanol, Óleos, Bagaço
Fósseis GN, Gasolina, Carvão Líquidos Gases Sólidos Gaseificação Reforma a Vapor
H
2 Separação Células a Combustível Móveis Veicular U.A. Potência En. Elétrica Cogeração Estacionárias Eletro-Eletrônicos Portáteis Veículos a Combustão Interna Geração de Eletricidade Geração de Calor Turbogeradores Integração Dispositivos Integração Sistemas Armazena/, Transporte, Distribuição Códigos, Padrões Segurança Fontes Primárias Processos para produção H2 Usos Atividades Suporte Fontes Primárias Processos para produção H2 Usos Atividades Suporte Solar Térmica Nuclear Nuclear Eletrólise da Água Separação Termoqúimica CalorFigura 2.1: Fontes, processos de produção e tecnologias de conversão e utilização do hidrogênio para fins energéticos.
Fonte: CENEH (2004).
Na reforma a vapor, o hidrogênio é produzido a partir de uma reação entre o combustível e a água, sendo que o insumo energético é o próprio combustível utilizado (a princípio, qualquer hidrocarboneto pode ser processado para a produção de hidrogênio: etanol, diesel, querosene, gasolina, etc.). Na eletrólise da água, a fonte de hidrogênio é a água e o insumo energético é a eletricidade, em geral proveniente da rede elétrica de distribuição, cuja origem pode ser de fontes renováveis como, por exemplo, usinas hidrelétricas, painéis fotovoltaicos ou turbinas eólicas, ou de fontes não renováveis, como térmicas a gás natural, carvão ou reatores nucleares.
Outros processos alternativos de produção de hidrogênio podem ser considerados, tais como a gaseificação de carvão mineral, a gaseificação de biomassa, especialmente resíduos de madeira, bagaço de cana e até mesmo resíduos de processo e lodos. Processos não convencionais de produção de hidrogênio, em estágio de pesquisa básica, incluem a bioprodução (a partir da decomposição de matéria orgânica por bactérias), a fotobioprodução (similar à anterior, mas na presença de luz), a separação termoquímica da água (a altas temperaturas, provenientes de concentradores solares ou reatores nucleares, e na presença de catalisadores), entre outros.
Conforme exposto até agora, o hidrogênio pode ser obtido a partir de uma ampla variedade de fontes e processos. Neste trabalho foi considerado e analisado o processo de eletrólise da água, utilizando como fonte de energia a hidreletricidade.
2.1.1 Produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água
A eletrólise da água1 é praticada em escala industrial desde o início do século XX, porém com instalações de tamanhos relativamente pequenos. Entre 1920 e o final da década de 30, um grande número de projetos diferenciados para eletrolisadores de grande porte foram desenvolvidos, levando à construção de plantas de até 25.000 m3/h de hidrogênio, as quais utilizavam como fonte de energia a hidreletricidade de baixo custo, disponível no Canadá, na Noruega e em outras localidades, para suprir a produção de amônia para fertilizantes nitrogenados (LeROY, 1983).
A disponibilidade de hidrocarbonetos a baixo custo como alternativa à energia hidrelétrica, em alguns poucos anos que antecederam a Segunda Guerra Mundial, fez cessar o desenvolvimento dessas grandes instalações baseadas em eletrolisadores de grande porte. Apenas a instalação de Aswan High Dam foi construída neste período, apresentando no início de sua operação capacidade nominal de produção de 40.000 m3/h de hidrogênio (APOLINÁRIO, 2004).
Somente na década de 70 renasceu o interesse na produção de hidrogênio em grande escala para fins energéticos, com fortes programas de desenvolvimento nos países da Comunidade Européia, Canadá, Estados Unidos, Japão e outros, os quais consideraram a eletrólise da água como um importante processo para a produção de grandes quantidades de hidrogênio. No final da década de 80, as maiores instalações mundiais totalizavam quase 140.000 m3/h de hidrogênio (APOLINÁRIO, 2004).
Atualmente, apenas 4% da produção mundial de hidrogênio é proveniente da eletrólise da água (SILVA et al, 2003). Isto se deve ao custo da eletricidade, que geralmente equivale a dois
1
Apesar da descoberta da decomposição eletrolítica da água ter sido observada pela primeira vez utilizando eletrólito ácido, atualmente o eletrólito utilizado em plantas de eletrólise industriais é do tipo alcalino, tal como o hidróxido de potássio (KOH). Esta tecnologia tem a vantagem de ser mais barata e menos suscetível à corrosão quando comparada à tecnologia que utiliza eletrólito ácido. Existe ainda a eletrólise da água utilizando eletrólito sólido, tal como a membrana trocadora de prótons (PEM – Proton Exchange Membrane), a qual está atualmente disponível comercialmente apenas em pequeno porte (ZOULIAS et al, 2004).
terços do custo operacional da produção de hidrogênio, sendo, portanto, mais caro que outros métodos, tais como a reforma a vapor do gás natural.
Considerando o potencial hidrelétrico brasileiro e a possibilidade de excessos de reserva hídrica nos períodos de chuva, o Brasil poderá produzir, no futuro, hidrogênio a partir da eletrólise alcalina da água, por meio do aproveitamento da EVT disponível nas usinas hidrelétricas (NETO, 2005), associada com a energia garantida, de forma a obter um produto economicamente viável (SOUZA, 1998; ESPÍNOLA, 2008).
A eletrólise da água para a produção de hidrogênio é uma tecnologia demonstrada há mais de um século e apresenta diversas vantagens em potencial, tais como a utilização de água e energia elétrica disponíveis localmente, emissões nulas e possibilidade de sinergismo com fontes renováveis (SERRA et al, 2005).
2.1.1.1 Descrição do Processo de Eletrólise
O processo de eletrólise da água consiste na decomposição química da água em seus elementos constituintes, hidrogênio e oxigênio, com a utilização de eletricidade. Para o caso de um meio condutor básico, as reações do processo são as seguintes (ESPÍNOLA, 2008 apud ULLMANN’S, 1989): - No cátodo: − − → + + 2(g) (aq) (l) 2O 2e H 2OH 2H Equação 2.1 - No ânodo: (l) 2 2(g) (aq) 2e 12O H O 2OH− − − → + Equação 2.2 - Global: 2(g) 2(g) (l) 2O H 12O H → + ∆H0 =286kJ/mol Equação 2.3
O processo de eletrólise alcalina da água está representado esquematicamente na Figura 2.2.
Figura 2.2: Diagrama simplificado do processo de eletrólise alcalina da água.
Fonte: Adaptação de SILVA (1991).
Utilizando-se os dados da Tabela 2.1 é possível realizar um balanço energético da eletrólise da água. Considerando o processo como sendo reversível, tem-se que a energia elétrica fornecida pelo gerador deve ser igual à variação da energia química do sistema (SILVA, 1991), ou seja:
rev E ∆G N*F*E
E = = Equação 2.4
Onde: ∆G - variação da energia livre de Gibbs (variação da energia química do sistema) N - número de elétrons transferidos na evolução de uma molécula de hidrogênio (N=2) F - constante de Faraday (96.485 C/mol)
EE - energia elétrica necessária
Erev - potencial ideal de decomposição (potencial reversível da eletrólise), que nas condições padrão pode ser expresso como na Equação 2.5.
V 1,229 F * N ∆G Erev = = Equação 2.5
Nestas condições, a energia teórica mínima para a decomposição da água é de 2,94 kWh por m3 de hidrogênio produzido.
Tabela 2.1: Dados termodinâmicos da reação de eletrólise da água nas condições padrões.
Nome Símbolo Valor Unidade
Entalpia da reação ∆Ho298K 286 kJ/mol
Entropia da reação ∆So298K 163 J/mol.K
Energia livre de Gibbs da reação ∆Go298K 237 kJ/mol
Fonte: Espínola (2008) apud Ullmann’s (1989).
Na prática, para que a eletrólise aconteça, a tensão aplicada nos eletrodos (V) deve ser superior ao valor da reversibilidade (Erev). A diferença (V−Erev) se perde por efeito Joule, sendo, desta forma, dissipada na forma de calor irreversível (∆Qi) (SOUZA, 1998 apud SCIENTIA, 1980): F * N ∆Q E V i rev = − Equação 2.6
Quando a célula de eletrólise opera em condições adiabáticas, ou seja, a quantidade de calor fornecida à célula é neutralizada pela energia dissipada sob a forma de calor no eletrólito, a tensão de eletrólise é chamada de tensão termoneutra, que é o potencial mínimo teórico de decomposição. Em condições padrão, a tensão termoneutra é descrita como:
V 1,482 F * N ∆H Eth =− = Equação 2.7
Isto equivale a uma energia mínima para a produção de hidrogênio por eletrólise de 3,55 kWh por m3 de hidrogênio produzido.
A Figura 2.3 mostra a variação da tensão reversível e termoneutra com a temperatura. A eletrólise da água não ocorre para tensões abaixo da tensão reversível (região A). Na região B, a produção de hidrogênio só ocorre se calor for fornecido ao sistema (processo endotérmico). Acima da tensão termoneutra (região C) ocorre a eletrólise e calor é transferido ao meio ambiente (processo exotérmico).
Figura 2.3: Dependência das tensões reversível e termoneutra com relação a temperatura.
Fonte: Apolinário (2004).
Na prática, os eletrolisadores comerciais operam na região C, pois nesta região é possível obter a produção de hidrogênio apenas com o fornecimento de energia elétrica, havendo também a produção de calor devido às irreversibilidades do processo. Termodinamicamente é estabelecida uma tensão mínima para a eletrólise (tensão termoneutra), sendo a diferença entre esta e a tensão de operação da célula eletrolítica conhecida como sobretensão da célula.
De acordo com Silva (1991), esta sobretensão é provocada também pelos seguintes fatores: limitada condutividade do eletrólito em decorrência da concentração de íons próximos aos eletrodos e ao redor dos íons de carga oposta (dupla camada elétrica, camada difusa, etc.), causando uma menor capacidade de locomoção dos mesmos; taxa de reação lenta nos eletrodos, acúmulo de gases junto aos eletrodos reduzindo a área disponível à reação, sendo importante que os gases que se formam sejam retirados rapidamente.
Quando se consideram os fatores de sobretensão, a equação para tensão de operação da eletrolisador fica expressa como:
r) * (i η η E Vop = + c + a + Equação 2.8
Onde: Vop - tensão de operação (aplicada entre os eletrodos) [V] E - tensão mínima teórica (termodinâmica) [V]
ηc - sobretensão no cátodo [V] ηa- sobretensão no ânodo [V] i - corrente elétrica na célula [A]
r - resistência ôhmica de todos os componentes da célula [Ω].
O termo (i*r) se refere à queda de tensão devido à perda ôhmica nas células, dependendo de fatores como: condutividade do meio condutor iônico, distância entre os eletrodos, condutividade do diafragma, condutividade dos eletrodos, resistência de contato entre os componentes da célula, entre outros (SILVA, 1991).
A Figura 2.4 mostra a variação da tensão reversível (região A), perda ôhmica no eletrólito (região B), sobretensão no ânodo (região C), no cátodo (região D) e nos eletrodos (região E) em um eletrolisador unipolar operando à temperatura de 75˚C e tensão de 2,15 V. Pela Equação 2.8 a soma das regiões A, B, C, D e E resulta na tensão de operação da célula.
Figura 2.4: Curva de performance de um eletrolisador unipolar.
Fonte: LeROY (1983).
Segundo Silva (1991), o aumento da temperatura de operação da célula reduz a sobretensão, por outro lado, provoca uma maior evaporação da água do eletrólito, causa o
aumento da corrosão e diminui a resistência dos materiais utilizados na construção das células. Dessa maneira, sua vida útil é reduzida, tornando necessária a pressurização da célula a fim de evitar perda de água e eletrólito por evaporação. No caso de um processo reversível, a energia mínima teórica exigida na pressurização dos produtos da reação de eletrólise é dada pela Equação 2.9 (SILVA, 1991). = 1 2 P P ln * F * 4 T * R * 3 ∆E Equação 2.9
Onde: E∆ - aumento mínimo de tensão [V] R - constante dos gases
1
P - pressão inicial dos gases [Pa] 2
P - pressão final dos gases [Pa]
A Equação 2.10, a seguir, mostra o consumo específico de eletricidade (We em kWh/m3) em função da tensão de operação da célula, deduzida a partir das afirmações acima e da relação elétrica “Potência = Tensão x Corrente elétrica”.
V * 393 , 2 We= Equação 2.10
A eficiência energética de um eletrolisador é definida como a relação entre o poder calorífico superior do hidrogênio formado e a energia elétrica fornecida ao sistema, desta forma:
op pcs V V
η= Equação 2.11
Onde: Vop - tensão operacional do eletrolisador [V]
Vpcs - tensão correspondente ao poder calorífico superior do hidrogênio que pode ser determinada em função da temperatura [°C] pela Equação 2.12 (LeROY, 1983).
2 8 4
pcs(T,p 1,01bar) 1,4756 2,252.10 T 1,52.10 T
V = = + − + − Equação 2.12
Onde: T - temperatura do processo [°C].
A Equação 2.12 é válida somente para a pressão atmosférica (LeROY, 1983). Nas condições padrão (P = 1,01 bar e T = 25°C), o Vpcs é igual a 1,482 V; então nestas condições a Equação 2.12 pode ser reescrita como:
op V 1,482
η= Equação 2.13
A Tabela 2.2 apresenta a variação da eficiência do processo de eletrólise e consumo de energia do eletrolisador com a tensão de operação nas condições padrão.
Tabela 2.2: Variação da eficiência com a tensão de operação e o consumo de energia por unidade de hidrogênio gerado.
Eficiência (%) Tensão de Operação (V) Consumo de Energia (kWh/m3)*
100 1,48 3,5 96 1,54 3,7 92 1,61 3,8 88 1,68 4,0 84 1,76 4,2 80 1,84 4,4 78 1,90 4,5 76 1,95 4,7 74 2,00 4,8 72 2,06 4,9 70 2,12 5,1 *1 kWh = 3,6 MJ Fonte: Souza (1998). 2.1.1.2 Planta de Eletrólise
A Figura 2.5 mostra o esquema de uma planta de eletrólise com os equipamentos mais importantes. Os componentes principais de uma planta de eletrólise, com exceção do eletrolisador e do retificador, que serão detalhados nas seções 2.1.2 e 2.1.3, respectivamente, são definidos abaixo, de acordo com Silva (1991).
Figura 2.5: Esquema de uma planta de eletrólise.
Fonte: Souza (1998) apud Ullmann’s (1989).
a) Deionizador ou desmineralizador
A água consumida durante a eletrólise tem que ser reposta continuamente, sendo o consumo de aproximadamente 1 L/ m3 de hidrogênio produzido, levando-se em conta as perdas por evaporação. A água deve atingir alta pureza, a fim de evitar problemas de corrosão e acúmulo de substâncias indesejáveis no interior do eletrolisador, mantendo-se a resistividade elétrica inferior a 106 Ω/cm. No desmineralizador, o processo de purificação ocorre por meio de troca iônica, com auxílio de resinas catiônicas e aniônicas.
b) Sistemas de separação de gases
Dependendo do tipo de arranjo, a separação dos gases (H2 e O2) é realizada de maneira diferenciada. Nos eletrolisadores unipolares, os gases são separados no interior das células, emergindo para resfriadores ou separadores que devolvem o eletrólito arrastado para o sistema de alimentação de água das células. No caso dos eletrolisadores bipolares, a separação dos gases do eletrólito é feita fora da célula em resfriados/separados e após esse processo os gases são enviados para os próximos processos e o eletrólito é filtrado e bombeado para o interior do arranjo celular.
c) Armazenamento intermediário
Após serem separados, os gases, quando a baixas pressões, são armazenados em gasômetros a selos d’água ou a pressões altas em vasos de pressão. Os gasômetros mantêm a pressão do gás constante e agem como um equipamento de alívio hidráulico.
d) Sistemas de purificação
Em muitos casos, a aplicação ou o armazenamento final dos gases exige um processo de purificação para retirada de contaminantes do hidrogênio. Os tipos e quantidades de impurezas dependem do processo de produção, da temperatura e pressão de operação das células, bem como da qualidade dos materiais e insumos utilizados. De qualquer forma, os contaminantes mais comuns no hidrogênio são a água, arrastada junto com o gás, e o oxigênio, proveniente da dissolução do oxigênio no eletrólito. Além destes, podem aparecer outros devido à forma de armazenamento, tal como acontece no caso do gasômetro de selo d’água, através do qual ocorre a difusão para o hidrogênio de nitrogênio e gás carbônico do ar. Após deixar o gasômetro, o gás é filtrado e comprimido em um compressor para atingir uma pressão mínima de trabalho para o sistema de purificação. No caso são usados comumente purificadores catalíticos e secadores mecânicos de gás.
O gás é armazenado em reservatórios a alta pressão de saída das unidades de purificação ou pode ser transportado por tubulações a pressões mais elevadas, o que demanda o uso de compressores que não contaminem o gás. No caso de necessidade de manutenção da alta pureza do gás, os compressores de diafragma são aconselháveis.
2.1.2 Eletrolisadores
É onde ocorre a produção do hidrogênio e do oxigênio e podem ser divididos em dois tipos: os eletrolisadores alcalinos e os eletrolisadores do tipo PEM (Proton Exchange Membrane).
2.1.2.1 Eletrolisadores Alcalinos
Os eletrolisadores alcalinos são assim chamados devido ao tipo de eletrólito utilizado, uma solução alcalina, geralmente de hidróxido de potássio (KOH), com uma concentração de 30% g/g. Podem ser do tipo unipolar (também conhecido como tipo tanque) ou bipolar (filtro-prensa). Ambos os tipos de eletrolisadores são compostos por células individuais justapostas, ligadas em paralelo no tipo unipolar e em série no tipo bipolar, conforme ilustrado na Figura 2.6.
Figura 2.6: Diagrama esquemático de eletrolisadores (a) unipolar e (b) bipolar.
Os eletrolisadores unipolares requerem altas correntes em baixas tensões, utilizando barramentos de alta capacidade para distribuição da corrente entre os eletrodos. Já os eletrolisadores bipolares utilizam o próprio eletrólito para distribuição da corrente, permitindo a obtenção de configurações mais compactas (SILVA, 1991).
Arranjos unipolares são utilizados em unidades de produção de até 100 m3/h de hidrogênio (SILVA, 1991). No entanto, atualmente, os principais fabricantes pesquisados apresentam, em sua relação de produtos, apenas eletrolisadores bipolares, por serem mais compactos (ESPÍNOLA, 2008). Conforme MME (2005), os eletrolisadores bipolares se caracterizam por elevada densidade de corrente e, por isso, apresentam maiores capacidades de produção de hidrogênio por unidade de área de eletrodo. São compactos, proporcionando alta eficiência e menores custos de materiais de construção e equipamentos auxiliares. Com as atuais técnicas de construção e materiais, esses eletrolisadores podem operar a temperaturas entre 60oC e 100oC e pressões entre 1 bar e 30 bar.
2.1.2.2 Eletrolisadores do tipo PEM
A principal característica do eletrolisador PEM é ter um eletrólito sólido. O eletrólito é uma fina membrana polimérica feita, por exemplo, de Nafion (um polímero sulfonado similar ao politetrafluoretano, Teflon). A membrana tem somente 0,25 mm de espessura e serve também como uma membrana separadora entre os gases evoluídos, permitindo maior proximidade entre os eletrodos (SOUZA, 1998; ZOULIAS et al, 2004). Neste tipo de eletrolisador, a circulação de água deionizada é muito importante, pois além de fornecer água para a eletrólise, umedece a membrana, retira os gases e resfria a célula. Na presença de água, a membrana rapidamente absorve o líquido e os íons positivos presentes na membrana ganham mobilidade, ficando livres para transportar cargas positivas através da membrana. Já os íons negativos ficam presos firmemente à estrutura química da membrana (BARBIR, 2005). A Figura 2.7 apresenta uma representação esquemática do eletrolisador PEM.
Figura 2.7: Representação esquemática do eletrolisador PEM.
Fonte: Barbir (2005).
2.1.3 Retificador
Segundo Vervloet (1982), em virtude das facilidades de geração, transmissão e distribuição, a energia elétrica em corrente alternada é, sem dúvida, a mais utilizada nos tempos modernos. Entretanto, existem casos em que há necessidade de grandes quantidades de energia elétrica em corrente contínua, como acontece em certas indústrias que utilizam processos eletrolíticos, sendo um deles a produção de hidrogênio através da eletrólise da água.
Por definição, um conversor converte energia de uma forma para outra. No caso dos retificadores, a energia é transferida da rede de alimentação trifásica para a carga conectada na saída do conversor, caracterizando a transferência de energia da forma alternada (CA) para a forma contínua (CC) (ALVES, 2008).
Existem, atualmente, quatro tipos de retificador para aplicação em processos industriais: retificador a diodos, retificador a tiristor, retificador chopper e retificador ativo ou PWM (pulse width modulation).
2.1.3.1 Retificador a diodo
O retificador a diodo é a mais simples das topologias de retificadores. Robustez e baixo custo são as características mais atrativas, as quais permitem que estas estruturas sejam empregadas em aplicações de potência bastante elevada (ALVES, 2008). Entretanto, o controle da corrente e da tensão de saída, requerido por quase todas as aplicações industriais, não pode ser realizada pelo conversor em si, sendo necessário para isso o emprego de OLTCs (on-load tap changers) e reatores de núcleo saturado, o que restringe o uso deste tipo de conversor em determinadas aplicações.
O OLTC é instalado no enrolamento primário do transformador acoplado ao retificador e ajusta a relação entre o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário do transformador (SIEBERT et al, 2002). Sendo assim, a variação obtida na corrente e na tensão de saída do retificador se dá de maneira discreta, ou seja, em degraus. Além do aumento do peso e volume causados pela inserção do OLTC, os maiores inconvenientes observados na aplicação deste método de controle são o desgaste e a manutenção preventiva requerida pelos sistemas mecânicos responsáveis pelas comutações. Os reatores de núcleo saturado são instalados no secundário do transformador e realizam o “ajuste fino” entre os degraus. Segundo SIEBERT et al (2002), os reatores de núcleo saturado introduzem uma impedância variável conectada em série com a carga. A queda de tensão resultante permite o controle da tensão e da corrente de saída do retificador.
Além disso, a elevada THD2 (total harmonic distortion) observada na corrente de entrada é
2
A distorção harmônica mede o grau de deformação de uma onda de corrente ou de tensão, a qual caracteriza a qualidade de energia. Quanto maior a THD, menor é a qualidade de energia.
outro importante fator que diminui ainda mais a aceitação desta topologia pela indústria (ALVES, 2008; PINTO, 2005; BORGONOVO, 2005). Para compensar a distorção harmônica gerada pelos retificadores a diodo, filtros passivos lineares e estruturas para correção do fator de potência3 podem ser empregados. Para aplicações com níveis de potência muito elevados é comum o emprego de técnicas de multiplicações de pulsos baseadas em arranjos especiais de enrolamentos de transformadores. Com isso, estas estruturas tornam-se ainda mais pesadas e volumosas.
2.1.3.2 Retificador a tiristor
O retificador a tiristor apresenta a mesma robustez do retificador a diodo. A complexidade e os custos de implementação são um pouco superiores (quando não é considerado o custo com a aplicação de técnicas de controle de corrente e de tensão em retificadores a diodo), devido ao circuito de disparo dos tiristores. Por outro lado, o controle de saída é obtido através do ajuste do ângulo de disparo dos tiristores, dispensando quaisquer técnicas adicionais, tais como OLTCS e reatores de núcleo saturado (SIEBERT et al, 2002). Devido a sua simplicidade, robustez, confiabilidade e eficiência, os retificadores a tiristor são as estruturas mais empregadas em retificação de alta potência.
2.1.3.3 Retificador chopper
Nas últimas décadas, a evolução dos transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) de alta corrente a preços competitivos permitiu a introdução de uma nova família de conversores de energia para geração de corrente na faixa de quiloampères (RODRÍGUEZ et al, 2003). Tais conversores são conhecidos como retificadores chopper e utilizam a combinação de retificadores
3 Fator de potência é definido pela razão entre a potência ativa e a potência aparente e é um indicador que afeta a
eficiência da transmissão e da geração de energia elétrica. Assim, as concessionárias estabelecem que os consumidores, especialmente os que possuem cargas maiores, mantenham os fatores de potência de suas instalações elétricas dentro de um limite mínimo de 0,92, caso contrário serão penalizados com cobranças adicionais.
a diodo e transistores de potência para gerar altos níveis de corrente controlada (RODRÍGUEZ et al, 2005). Esta topologia consolidou-se e difundiu-se em aplicações de tração em corrente contínua, mas os avanços recentes na tecnologia vêm permitindo a aplicação destas estruturas em níveis de potência cada vez mais elevados. Este tipo de retificador traz como vantagens a redução do peso e volume dos elementos magnéticos utilizados na filtragem da corrente de saída. Quando comparado com os retificadores a diodo e os retificadores a tiristor, além do aumento do número de componentes eletrônicos necessários para a implementação desta estrutura, destaca-se como aspecto negativo a redução do rendimento e da confiabilidade (ALVES, 2008).
2.1.3.4 Retificador ativo
Nos retificadores ativos, também conhecidos como retificadores PWM, controla-se ativamente as correntes de entrada, através de semicondutores de potência comandados (BORGONOVO, 2005). Apesar de ainda não estar disponível para aplicações envolvendo retificação de altas correntes, devido parcialmente à indisponibilidade de equipamentos eletrônicos de potência com custo efetivo adequado, esta topologia é a mais promissora de um ponto de vista de qualidade de energia (SIEBERT et al, 2002), sendo vista como uma futura alternativa para a retificação de níveis elevados de corrente.
2.2 Custo de produção do hidrogênio a partir da eletrólise
Como citado anteriormente, apenas uma pequena parcela do hidrogênio consumido no mundo é produzida a partir de eletrólise da água. Para usuários que precisam de pequenas quantidades de hidrogênio extremamente puro, a eletrólise da água pode ser um método atraente de obtenção do hidrogênio.
Padró & Putsche (1999) destacam a importância do custo da eletricidade no custo final do hidrogênio eletrolítico, o qual, em alguns casos, considerando o preço padrão de eletricidade de
US$ 0,063/kWh4, pode representar mais de 80% do preço de venda do hidrogênio. Para tecnologias renováveis, o custo de capital é o fator mais importante, sendo que para um sistema fotovoltaico, os custos anuais de capital podem representar mais de 85% do preço do hidrogênio. Ainda de acordo com Padró & Putsche (1999), o custo da energia elétrica é uma grande preocupação uma vez que esta é até cinco vezes mais cara como insumo quando comparada aos combustíveis fósseis. A Figura 2.8 mostra como o custo da eletricidade influencia no custo final do hidrogênio eletrolítico.
Figura 2.8: Influência do custo da eletricidade no custo final do hidrogênio eletrolítico.
Fonte: Adaptação de Ivy (2004).
É de grande interesse o uso de tecnologias renováveis para a produção de hidrogênio, tais como as energias solar fotovoltaica e eólica. Entretanto, estas tecnologias enfrentam desafios com relação a custos e por serem intermitentes. Para um sistema solar, o fator de capacidade típico é de cerca de 25% e para sistemas eólicos o fator de capacidade é cerca de 35% (KROPOSKI et al, 2006).
A eletrólise pode ainda utilizar a energia proveniente de usinas hidrelétricas. Considerando que em períodos hidrológicos favoráveis há excessos de reserva hídrica, essa energia excedente pode ser aproveitada em associação com a energia garantida para produzir hidrogênio através do
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Valor atualizado para o ano de 2008, utilizando o Consumer Price Index com auxílio do programa computacional (MeasuringWorth) disponibilizado na internet por Williamson (2009).
