1 ESTUDO DA OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO GASOSO A PARTIR DA
ELETRÓLISE DA ÁGUA, UTILIZANDO CÉLULA SOLAR COMO FONTE DE ENERGIA
Gabriela Roza Soldera e Laila M. Bortollotti Donadon1 Mércia Barbosa Cavalcante Fernandes2
Universidade São Francisco
gabrielarozasoldera@gmail.com; laila_donadon@hotmail.com
1Alunas do Curso de Engenharia Química, Universidade São Francisco; Campus Swift
2Professor Orientador do Trabalho de Graduação, Curso de Engenharia Química, Universidade São Francisco; Campus Swift.
Resumo. Atualmente a sociedade como um todo faz uso de recursos energéticos de fontes não renováveis e que contribuem para os processos de agressão ao meio ambiente. Tais recursos são principalmente provenientes de combustíveis fósseis, tendo como impacto a liberação de gases e resíduos poluentes. Devido a isso, pesquisas buscam encontrar uma matriz energética renovável e com baixo impacto ambiental. Existem hoje várias matrizes energéticas sendo utilizadas em menor escala do que os combustíveis fósseis, mas que de alguma maneira já contribuem para a diminuição de impactos ambientais. A energia solar, a exemplo do que foi citado, vem como fonte alternativa para a diminuição do consumo de energia elétrica, sendo renovável, limpa e acessível economicamente. O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante no universo e a obtenção desse elemento na fase gasosa pode ocorrer por um simples processo de eletrólise. Portanto, esse trabalho tem por objetivo a produção de hidrogênio gasoso a partir da eletrólise da água usando como matriz energética a energia solar, visando a não produção de resíduos. Para isso, será utilizado um sistema fotovoltaico onde reator será conectado e utilizará a energia elétrica para romper as ligações da molécula de água, separando-a entre hidrogênio gasoso e oxigênio gasoso. A partir desse sistema espera-se mensurar a quantidade de gás gerada e efetuar comparações com o mesmo reator sendo utilizado com energia elétrica.
Palavras-chave: Combustível, Inovação, Renovável, Célula Eletrolítica, Hidrogênio.
Abstract. Currently society as a whole makes use of energetic resources from nonrenewable sources and that contribute to the process of aggression to the environment. These resources are mainly from fossil fuel, having as impact the release of polluting gases and waste. Due to this, researchers seek to find a renewable energetic matrix, with low environmental impact.
There are today many energetic matrices being used in a smaller scale than fossil fuels, but in some way already contribute to the reduction of the environment impacts. The solar energy, for example, as quoted above comes as an alternative source for the reduction of electricity energy consumption, being renewable, clean and economically accessible. The Hydrogen is the simplest and most abundant element in the Universe and the acquisition of this element in the gas pHase can occur for a simple electrolysis process. Therefore, from this, the objective of this work is the production of gaseous hydrogen from the water electrolysis using as energetic matrix the solar energy, aiming the non production of waste. For this, solar system will be used as responsible for the transformation of solar energy into electric energy. In this system, the reactor will be connected and will use the electric energy to break the molecule connections of water, producing gaseous hydrogen. From this system it is expected to measure the amount of gas generated and make comparisons with the same reactor being used with electric energy.
2 Keywords: Fuel, Innovation, Renewable, Electrolytic Cell, Hydrogen.
Introdução
Atualmente, um dos grandes desafios para cientistas tem sido a busca por fontes de energia renováveis com menor degradação do meio ambiente. No Brasil, as principais fontes de energia são provenientes das hidroelétricas, usinas nucleares, combustíveis derivados de petróleo (responsáveis por cerca de 80% do consumo energético mundial - segundo BRANCO, 2008), energia solar ou energia eólica. Cada uma dessas fontes de energia tem seus prós e contras.
O processo utilizado nas hidroelétricas é o mais comum no país, pois existem rios com capacidade para tal procedimento. Entretanto ao se represar esses rios para a geração de energia promove-se um desequilíbrio na fauna e na flora do local afetando o meio ambiente.
As Usinas Nucleares, por sua vez, agregam consigo o risco de exposição e/ou contaminação por materiais radioativos, além de possibilidade de explosões. A Energia Eólica gera um desequilíbrio na migração de espécies de pássaros devido a movimentação das pás, além de necessitar de uma vasta área com fluxo de ar contínuo para funcionamento. Os combustíveis derivados do petróleo (os mais utilizados mundialmente), produzem maiores impactos ambientais e possuem tempo estimado para se extinguir. Por fim, a energia solar, considerada uma das fontes mais promissoras, depende dos raios solares para funcionamento e devido a isso, produzem energia somente durante o dia.
Diante do exposto, estudos estão sendo realizados em busca da solução do alto consumo de energia versus novas fontes de energias renováveis, limpas e de baixo valor agregado. Portanto, visando ser uma alternativa ao esgotamento dos combustíveis derivados do petróleo e a diminuição da emissão de gases poluentes na atmosfera terrestre, o hidrogênio torna-se alvo de estudos para ser o novo vetor energético.
O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante no universo. Estima-se que este átomo corresponda a 89% dos átomos do universo e a 75% dos átomos da Terra, porém não se encontra em sua forma livre. Está presente em misturas gasosas, ligado a outros elementos, em estados físicos diversificados, compondo principalmente moléculas de água (H2O), minerais, argilas e hidrocarbonetos de combustíveis fósseis, como o carvão, petróleo e o gás natural (ATKINS; JONES, 2012).
É extremamente abundante em oceanos e outras fontes. Atualmente possui diversas aplicações, é renovável, possui alta reatividade, é de fácil transporte (pode ser transportado por meio de gasodutos), possui alto potencial energético (seu poder calorífico, ou seja, a quantidade de energia por unidade de massa liberada na oxidação, é aproximadamente três vezes maior que o de combustíveis derivados de petróleo), é um gás que traz a água como único produto de sua combustão e não gera poluição, deste modo deixa de contribuir com o efeito estufa, podendo ser chamado de combustível limpo (NETO, 2007).
Existem atualmente várias formas de extração do hidrogênio gasoso, como por exemplo: pela reforma a vapor de gás natural, pela gaseificação ou então, pode-se obtê-lo através da eletrólise da água.
A Eletrólise da água
Todos os corpos são formados de moléculas, compostas de diferentes átomos que, para manterem-se unidos, precisam de uma força de atração entre eles. Assim, toda molécula possui uma energia química que mantém os átomos ligados uns aos outros e mantém as moléculas ligadas umas às outras. Por este motivo, algumas substâncias liberam calor quando reagem e se dissociam (oxidação).
3 A energia da molécula pode ser utilizada com a oxidação ou combustão do composto, que é o que ocorre ao queimarmos lenha, álcool ou petróleo, que contém grandes quantidades de energia (BRANCO, 2008).
Para que seja possível a dissociar a molécula e liberar sua energia, pode-se realizar o processo de eletrólise que, para produção de hidrogênio de alta pureza, passa uma corrente elétrica contínua através de uma solução alcalina, separando a água entre hidrogênio gasoso (H2) e oxigênio gasoso (O2), onde o oxigênio da reação é geralmente rejeitado, pois o gás de interesse, nesta reação, é o hidrogênio gasoso (SHREVE; BRINK JR, 1997).
A reação desse processo é:
2 H2O (l) → 2 H2(g) + O2 (g) (Equação 1)
Os eletrolisadores podem ser do tipo tanque (unipolares) ou do tipo filtro prensa (bipolares). O tipo tanque (Figura 1) é composto por dois eletrodos arranjados em paralelo que são inseridos em uma cuba, onde um eletrodo é de polo positivo (formando oxigênio gasoso) e o outro negativo (formando hidrogênio gasoso). Já no tipo bipolar (Figura 2), cada eletrodo processa duas reações, sendo de um lado cátodo (formando hidrogênio gasoso) e do outro um ânodo (formando oxigênio gasoso), no qual os eletrodos são arranjados em série (ROTTAVA, 2016).
Fonte: BACH, 2013.
Figura 1: Esquema de um reator do tipo bipolar.
4 Fonte: BACH, 2013.
Figura 2: Esquema de um reator do tipo unipolar.
A escolha do eletrólito
A água destilada, utilizada em eletrólise, não é boa condutora de eletricidade, devido sua baixa autoionização. Por isso, necessita-se escolher um soluto que contenha íons mais reativos que os íons da água e que não participem da reação, para que seja adicionado à solução e então possa ocorrer a eletrólise. Assim, numa reação de eletrólise da água, podem ser utilizados aqueles que são mais reativos que a molécula de H2O, como o hidróxido de sódio, composto por Na+ e OH-, em que o cátion é mais reativo que H+ e o ânion é o mesmo que o da água, o OH- (FOGAÇA).
Utilização do hidrogênio gasoso
O hidrogênio gerado a partir da eletrólise pode ser utilizado como combustível para veículos adaptados e/ou misturado a combustíveis já existentes para aumentar a eficiência e diminuir o impacto ambiental. Podemos também empregar esse potencial energético para geração de energia elétrica utilizada em rede doméstica ou industrial.
A única inviabilidade desse processo, por enquanto, é a produção em larga escala, pois ainda há um valor agregado alto para que haja uma usina elétrica de hidrogênio. Neste contexto, o presente estudo visa adaptar um dispositivo eletrolítico, para que utilizando energia fotovoltaica em comparação com a energia elétrica, promova a eletrólise da água produzindo hidrogênio gasoso, que possa ser utilizado como fonte de combustível a base de energia limpa, de forma que não tenha geração de resíduos que agridem o meio ambiente.
Energia Fotovoltaica
De toda energia que é irradiada pelo Sol, aproximadamente 60% retorna ao espaço, por reflexão ou absorvida pela atmosfera, constituindo a energia dos ventos, tufões e tempestades e a outra parcela chega à superfície do solo e dos oceanos. Essa parcela representa uma quantidade equivalente a cerca de 5 ou 6 milhões de vezes a energia que é produzida pelas potentes usinas de Itaipu, no Rio Paraná (BRANCO, 2008).
Uma célula solar ou fotovoltaica constitui-se de um diodo com área extensa e é composto de um material semicondutor, com a característica de criar internamente um campo
5 elétrico que seja constante (chamado junção pn). Uma vez que a radiação da luz solar incide sobre os átomos desse material (geralmente feita de silício), o mesmo faz com que desprenda elétrons, de forma que esses elétrons liberem um espaço do átomo e ocupem o espaço vago do átomo seguinte. Este processo ocorre de forma contínua, numa mesma direção, produzindo então a corrente elétrica. (BRITO; SILVA, 2006).
Essencial para a transformação de radiação solar em energia elétrica, a célula fotovoltaica é apenas uma unidade dentro de um sistema, pois geralmente essas células são pequenas gerando corrente e tensão mínimas. Devido a isso, são construídos os sistemas fotovoltaico-solares, que se baseiam em várias dessas células organizadas em séries ou em paralelo na intenção de obterem-se maiores tensões e/ou correntes.
Por fim, a efetividade de um sistema de energia solar pode ser mensurada de acordo com sua eficiência de conversão ou rendimento das células solares. Essa informação é obtida através da razão entre a potência de radiação solar em forma de luz que é absorvida na superfície dessa célula pela potência elétrica disponível aos seus terminais. Como qualquer outro processo termodinâmico de transformação de energia, há um limite máximo para essa taxa de eficiência de conversão fotovoltaica (BRITO; SILVA, 2006).
Os sistemas de energia solar fotovoltaica possuem alguns componentes básicos, agrupados em diferentes classificações: o bloco gerador, composto pelos painéis solares, cabos e estrutura de suporte, o bloco de condicionamento de potência, composto pelos controladores de carga e o bloco de armazenamento, composto pelas baterias.
Material e Métodos
O Reator
Para realização dos experimentos deste estudo sobre a eletrólise da água para obtenção do hidrogênio gasoso, foi utilizado o Reator BIO3-LAB1000 do Laboratório de Engenharia Química da Universidade São Francisco (USF) de Campinas-SP. O reator é de vidro equipado com agitador mecânico e camisa de aquecimento. Possui controle de temperatura, pH e produção de oxigênio acoplados a um software que fornece os resultados a serem interpretados.
Para utilização do reator, foi necessário projetar um suporte (Anexos 1 e 2) com eletrodos de Alumínio e base isolada, para que os eletrodos ficassem em um nível mais baixo da cuba, reduzindo a quantidade de solução utilizada em cada experimento, obtendo também eletrodos com material inerte e com área superficial adequada. Além disso, foi necessário comprar e montar a fiação para que a eletricidade fosse conduzida durante os experimentos.
Experimento utilizando protótipo
Enquanto o suporte do reator estava em produção na Usinagem Soldera, foi realizado um experimento de eletrólise da água com um protótipo utilizando energia elétrica, com o intuito de estimar a quantidade de energia consumida, tempo gasto para a realização do experimento e concentração do fluído de trabalho. O protótipo foi composto por um vidro de aproximadamente 800 mL, com tampa plástica e possuindo duas cavidades que recebiam os eletrodos de alumínio. Ao vidro (cuba), foi inserido a solução de H2O + NaOH (água + hidróxido de sódio) e uma fonte de energia foi adicionada aos eletrodos para ceder energia ao sistema. Assim, foram realizados alguns testes com a solução para planejar os parâmetros dos próximos experimentos.
Experimentos utilizando reator
6 Assim que o suporte do reator ficou pronto, foram realizados experimentos de eletrólise com o reator conectado a uma fonte de energia elétrica (sistema 1) e com um painel fotovoltaico (sistema 2) com o objetivo de comparar o desempenho das duas fontes de energia. O reator foi fechado e preparou-se a solução eletrolítica de H2O + NaOH com concentrações de 10%, 5% e 1% de NaOH. E as soluções foram adicionadas separadamente - a cada experimento - ao reator por uma cavidade na tampa com o auxílio de um funil, vedou- se a cavidade e iniciou-se o reator. À parte externa dos fios que se conectam aos eletrodos dentro do reator, foram conectados dois fios vindos da fonte de alimentação, a qual foi ligada e configurada com 3V. Em seguida foi promovida a agitação do sistema através do computador do reator, até atingir 150 rpm (rotações por minuto). Finalmente, o registro de dados foi acionado. Para a montagem dos dois sistemas, o suporte foi inserido dentro da cuba do reator, conforme pode ser visto na da Figura 3, onde a fonte de alimentação transfere energia elétrica para os eletrodos do reator, que efetua a reação e registra os dados em seu computador. Posteriormente, os dados obtidos podem ser registrados em um Pen Drive para tratamento e interpretação dos mesmos.
Fonte: Própria.
Figura 3: Esquemas de montagem do reator com energia elétrica (Sistema 1) e solar (Sistema 2).
Experimento com painel fotovoltaico
7 Após realizados os ensaios com a fonte de energia elétrica, foi possível planejar a montagem da placa solar no Campus da USF para utilizá-la no Laboratório de Engenharia Química, o qual foi configurado como mostrado no Sistema 2 da Figura 3.
Este experimento foi possível devido a uma parceria com os fornecedores de placas solares da empresa MR3 Energia Solar, que cederam todo o material necessário para que fossem realizados os experimentos de eletrólise com o Sistema 2. O painel solar utilizado no experimento foi do tipo policristalino, com 36 células solares e 55W, além de um controlador de carga e uma bateria Moura do tipo Nobreak de 12V e 7Ah. Toda as especificações de carga e tensões necessárias foram previamente realizadas e baseadas em pesquisas em artigos que desenvolveram temas semelhantes.
A placa solar recebe energia dos raios solares e transmite através dos fios para o controlador de carga, que libera essa energia para a bateria de forma controlada, para que a mesma não receba mais energia ou menos que o necessário. A bateria armazena a energia gerada e a libera aos fios do reator, que estão em contato com os eletrodos, conforme a necessidade da reação. Assim, os eletrodos recebem a energia e a eletrólise acontece, permitindo que o computador do reator registre os dados da reação.
Os equipamentos foram instalados em suas posições, o suporte foi inserido dentro da cuba do reator, a solução de H2O + NaOH foi preparada nas concentrações de 10% e 5% e 1%
e foi dado início aos experimentos.
Experimentos finais para quantificações
O Sistema 3 (Figura 4) foi construído para comprovar que nos Sistemas 1 e 2 só havia geração de hidrogênio e oxigênio gasoso, isto porque ao reator utilizado não existia o sensor correto para mensurar a geração de hidrogênio e, por isso, foi necessário garantir que todas as outras variáveis (temperatura, pH e concentração do eletrólito) se mantivessem constantes.
Para este experimento, foi utilizado um béquer como protótipo e alguns sensores do reator ligados ao computador do mesmo.
Fonte: Própria.
Figura 4: Esquemas de montagem do protótipo com Energia elétrica.
Nesse novo sistema, foi utilizado um béquer como cuba do reator, onde foi inserido o suporte com os eletrodos, a solução de H2O + NaOH e um peixinho para agitação do sistema.
O béquer foi colocado sobre uma plataforma de agitação magnética, ligada na tomada. A
8 fonte de alimentação foi instalada ao lado do sistema, cedendo 6 volts de energia elétrica para os eletrodos, através dos fios a eles conectados. Do outro lado, foi colocado um suporte universal, que posicionou os sensores de pH e temperatura, que também foram conectados ao computador do reator, para que então houvesse um registro de dados do experimento.
Após a montagem, o experimento foi realizado com as concentrações de 5% e 1% de NaOH e então a cada 5, 10 e 15 minutos, foram retiradas alíquotas de 40 mL da solução contida no béquer, para que pudesse ser feito as titulações e a verificação das concentrações de NaOH presente na solução, a partir da quantidade de HCl utilizado para a titulação de cada alíquota. Foi tomado o cuidado de não retirar mais que 20% (320 mL) da solução que estava sendo utilizada, retirando 6 alíquotas de 40 mL de cada experimento, resultando em 240 mL totais. Ambos os experimentos tiveram sua agitação com base no primeiro nível da plataforma de agitação e aproximadamente 1 hora de experimento.
Para garantir também que a solução de H2O + NaOH não estava reagindo com os eletrodos de alumínio, o suporte foi pesado em uma balança analítica antes e depois de cada reação.
Resultados e Discussão
Experimento utilizando protótipo
Foi realizado um experimento de eletrólise em um protótipo para que a concentração da solução de H2O + NaOH fosse previamente definida como ideal. Com 700 mL de solução, concentração de 30% de NaOH e com uma tensão de 3 volts, realizou-se o primeiro experimento, observando grande geração de gás.
O experimento foi realizado novamente com as concentrações de 25% e 20% de NaOH, obtendo geração de gases com a mesma tensão elétrica cedida, que foi mantida constante durante todo o experimento.
Experimentos utilizando reator
Ao realizar os ensaios no reator de bancada, tipo batelada, notou-se que as concentrações da solução deveriam ser reduzidas devido a um aumento substancial da formação de bolhas ao redor dos eletrodos, estas bolhas aumentam a resistência do sistema elevando a temperatura e consequentemente diminuindo a sua eficiência. No experimento utilizando protótipo, esta geração de bolhas já havia sido notada e agora confirmada. Desta forma, as concentrações de trabalho foram redefinas para 10%, 5% e 1% de NaOH.
Avaliação dos resultados
Para melhor tratamento dos dados obtidos houve a necessidade de correlacionar alguns fenômenos ocorridos e comprovados empiricamente. Os diferentes comportamentos dos dados obtidos foram explicados através de comparativos de modelos que utilizam analogia entre circuitos elétricos e células eletrolíticas, bem como fenômenos de transporte de massa e termodinâmicos, para isso, algumas considerações foram feitas:
Resistências elétricas: é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. Esse comportamento foi observado quando houve a necessidade de prolongar-se a conexão dos fios que ligavam a placa solar ao controlador de carga, além do aumento do número de equipamentos do sistema 2. Sendo assim, o comprimento do sistema foi ampliado, aumentando a resistência e, portanto, diminuindo sua eficiência (NETO, 2007).
Resistências relacionadas ao transporte: Trata-se das resistências físicas observadas no processo de eletrólise, ou seja, as bolhas de gás que cobrem as superfícies do eletrodo e as que estão presentes na própria solução do eletrólito. As bolhas geradas nos eletrodos são
9 consideradas resistências de transporte. Existe também a resistência à transferência iônica no eletrólito, que seria a dificuldade encontrada pelos íons em fluir pelo meio. Estas resistências ao transporte causam a geração de calor de acordo com a lei de Joule e fenômenos de transporte gerando, portanto, perda de eficiência no processo (NETO, 2007).
Resistência das reações eletroquímicas: Ocorrem devido os sobrepotenciais necessários para ultrapassar as energias de ativação das reações de formação de hidrogênio e oxigênio na superfície do cátodo e do ânodo, devido a isso ocorre o aumento do potencial total da célula. Esses são os obstáculos relacionados às reações e que determinam a cinética química (NETO, 2007).
Sobrepotencial e resistências para a célula eletrolítica: O potencial da célula eletrolítica contém as reações do ânodo e do cátodo. Para entender o sobrepotencial devem-se identificar as contribuições de cada reação no ânodo e no cátodo, além dos fatores que os influenciam (NETO, 2007).
Eletrólise com Energia Elétrica
Com todos os parâmetros previamente definidos, foram realizados três experimentos de eletrólise com a solução eletrolítica de NaOH, tensão de 3V de uma fonte de alimentação e 150 RPM de agitação. Cada experimento foi realizado por 10 minutos.
Os resultados experimentais da eletrólise nas diferentes concentrações de NaOH (10%
(5,325 mol/L), 5% (2,662 mol/L) e 1% (0,532 mol/L)) podem ser observados no Gráfico 1.
Gráfico 1: Comparativo entre as três concentrações de eletrólito utilizadas no Experimento 1, 3volts, 150 rpm.
Observando o Gráfico 1, pode-se verificar que na concentração de NaOH 1% e 5%
tem-se curvas crescentes. Entretanto, na concentração de 5% verifica-se uma maior produção, ou seja, nessa concentração há íons o suficiente para promover a passagem de eletricidade sem promover uma resistência significativa a essa passagem. Portanto, essa seria a melhor solução para trabalho nestas condições.
Eletrólise com Energia Fotovoltaica
10 Assim como no Experimento 1, utilizando os mesmos parâmetros, foram realizados três experimentos de eletrólise com a solução eletrolítica de NaOH, energia fornecida pelo painel solar e transferida via controlador de carga à bateria com capacidade máxima de 12 volts. Também foi mantido os 150 rpm de agitação. Cada experimento foi realizado por 10 minutos.
Os resultados experimentais da eletrólise nas diferentes concentrações [10% (5,325 mols/L), 5% (2,662 mols/L) e 1% (0,532 mols/L)] podem ser observados no Gráfico 2.
Gráfico 2: Comparativo entre as três concentrações de eletrólito utilizadas no Experimento 2.
Utilizando-se dos mesmos parâmetros de avaliação feitos no experimento com energia elétrica, observa-se no Gráfico 2, que para o Sistema 2 a curva que apresenta comportamento crescente e consequentemente melhor solução para se trabalhar nas condições deste ensaio é a de NaOH 1%.
Comparativo entre os Sistemas 1 e 2
Nos gráficos contidos na Figura 3 podemos ver uma análise comparativa de todas as concentrações estudados com os diferentes sistemas.
11 Figura 3: Comparação entre os Sistemas 1 e 2 para cada concentração de eletrólito utilizada
Analisando os dois sistemas paralelamente, pode-se afirmar que em ambos o objetivo de produção de hidrogênio gasoso foi alcançado. Ao comparar-se a produção obtida em cada sistema, observa-se maior efetividade para o sistema a base de Energia Elétrica e o eletrólito com concentração de 5%. Nesta concentração, de acordo com o gráfico, obtém-se produção crescente e contínua, isso porque, o sistema não impõe resistência elevada à passagem de eletricidade, e os íons no meio favorecem a passagem de eletricidade (transporte de massa) e por consequência a produção de hidrogênio. O mesmo ocorre com a concentração de 1% para o mesmo sistema, entretanto a geração do produto de interesse é menor.
Para o sistema a base de Energia Fotovoltaica, observa-se a produção crescente quando a concentração é de 1%, isto ocorreu pois, para que tal energia fosse gerada foi necessário estender o comprimento dos fios de ligação da placa com o controlador de carga, aumentando a resistência do sistema. Justamente por esse fator, quando houve o aumento da concentração do eletrólito – maior quantidade de íons livres no sistema – a maior resistência promoveu uma barreira que impossibilitou melhor eficácia. Em ambos os sistemas pode-se constatar a diminuição de produção quando a concentração do eletrólito é de 10%. Esse cenário acontece pois, saturando o eletrólito com íons livres, há o aumento da resistência do sistema, além do aumento da viscosidade do mesmo. Com isso, a tensão aplicada não é suficiente para promover a passagem de corrente e os gases produzidos nos eletrodos (oxigênio e hidrogênio) tem dificuldade de desprender-se do fluido, formando uma camada em volta desses eletrodos diminuindo a superfície de contato.
Por fim, avaliando todos os experimentos realizados e visando aprimorar o sistema de produção do hidrogênio Gasoso a base de Energia Fotovoltaica, para aumentar a eficácia desse sistema seria necessário redimensionar estruturalmente o experimento, para que houvesse a diminuição da resistência do sistema melhorando assim a passagem da corrente elétrica.
Dados obtidos a partir do experimento com Sistema 3
Com a realização do experimento com o Sistema 3, foi possível obter todas as informações que complementam a investigação, como por exemplo, variações de pH e temperatura apresentadas nos gráficos abaixo:
12 Gráfico 3: Comparativo da variação de Temperatura pelo tempo em que o experimento do Sistema 3 foi realizado.
Gráfico 4: Comparativo da variação de pH pelo tempo em que o experimento do Sistema 3 foi realizado.
A partir destes resultados, pode-se concluir que todas as outras variáveis que possivelmente poderiam influenciar de algum modo a geração de hidrogênio nos Sistemas 1 e 2 se mantiveram praticamente constantes. Além disso, como o reator utilizado não possuía sensor próprio para mensurar a geração de hidrogênio gasoso, esse dado teve que ser obtido através da reação estequiométrica, uma vez que o oxigênio gerado pôde ser mensurado através de eletrodo presente no reator, justamente por isso houve a preocupação de averiguar se todas as outras variáveis se manteriam praticamente constantes durante o processo.
Para uma maior garantia de que os dados obtidos sobre a geração de hidrogênio e oxigênio gasoso fossem reais, a titulação de alíquotas das soluções utilizadas, se fez necessária. Assim, a quantidade de HCl consumida durante as titulações de cada amostra, mostraria a quantidade de NaOH contida nas soluções. O Gráfico 5 comprova que a quantidade de HCl consumida em cada titulação permaneceu praticamente constante, o que prova que em todas as alíquotas, a quantidade de NaOH presente, era a mesma. Então, provou-se experimentalmente que o eletrólito utilizado nas soluções, não participou das reações, garantindo que somente a molécula da água reagiu, dissociando-se e formando moléculas de hidrogênio e oxigênio gasoso.
13 Gráfico 5: Comparativo do volume de HCl 10% utilizado para titular a solução eletrolítica.
Para garantir que a solução de H2O + NaOH não estava reagindo com os eletrodos de alumínio, o suporte foi pesado em uma balança analítica antes e depois de cada reação.
Felizmente, não houve alteração significativa nas pesagens do suporte de eletrodos, garantindo que a solução reagiu unicamente com o meio, gerando apenas O2, H2 e vapor de água.
Descarte dos resíduos gerados
Segundo o “Guia de Descarte de Produtos Químicos Perigosos de Laboratório” da Unesp, o descarte do resíduo de HCl (ácido clorídrico) deve ser feito com a neutralização do mesmo com carbonato de cálcio na capela e então pode ser descartado no ralo. O resíduo sólido gerado por essa neutralização pode ser descartado em lixo comum.
Já o descarte do NaOH (hidróxido de sódio líquido) pode ser feito também no ralo após a neutralização com ácido hidroclórico 5%.
Conclusões
Este trabalho permitiu o desenvolvimento de um sistema para produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis de energia. Os níveis de produção de hidrogênio foram menores no sistema fotovoltaicos, comparados com a produção com energia elétrica. Existem algumas razões para as diferenças encontradas e estas podem ser minimizadas com algumas modificações no sistema experimental, como será explicado a seguir.
Após realizar os cálculos relacionando a célula eletrolítica a um circuito elétrico, a tensão mínima que o processo precisaria seria 1,23 V. Como o Sistema 2 (com painel solar) foi realizado com vários fatores que aumentaram a resistência elétrica do experimento (necessidade de utilizar 15 metros de fio extra para que o painel solar chegasse até a área com raios solares, além de aproximadamente 1 metro extra entre o painel, o controlador de carga e a bateria), não foi considerado a diferença de tensão entre os experimentos utilizando fonte de alimentação e bateria com painel solar, em que respectivamente foram usados 3V e 12V de tensão, bem como nos experimentos realizados com o Sistema 3, cuja tensão utilizada foi de 6V.
Para melhoria na eficiência desse sistema, partindo da análise termodinâmica da eletrólise da água, observa-se que a energia elétrica necessária para uma taxa de dissociação
14 real pode ser minimizada, desde que o número de elétrons envolvidos na reação seja maximizado e as perdas que aumentam o potencial da célula forem minimizados.
A sobretensão de ativação é uma das perdas e nada mais é do que a energia imposta para vencer a barreira de potencial responsável por retardar o processo de descarga iônica nos eletrodos. Essa sobretensão é prevalecente no ânodo e corresponde a uma das maiores perdas no eletrolisador. Para facilitar a descarga iônica, e com isso aumentar a produção de hidrogênio, é necessário diminuir a barreira de energia no ânodo.
Além das melhorias citadas acima no âmbito termodinâmico e elétrico, podem-se promover melhorias com relação aos transportes de massa no eletrólito, ou seja, melhorar a passagem dos elétrons da corrente pelos íons dissociados no eletrólito (transferência de massa). Para que isso ocorra, pode-se aumentar a rotação da agitação, gerando uma maior dissociação dos íons por toda a área do eletrólito, fazendo com que a passagem para os elétrons seja facilitada. Com o aumento da agitação, também há melhoria na dispersão das bolhas de gases formadas nos eletrodos e que ficam aprisionadas no fluido, gerando uma película em torno dos eletrodos, o que aumenta a resistência e diminui sua eficiência.
Por fim, com base nos resultados obtidos, tivemos êxito no objetivo proposto no início do projeto, produzindo 25 mg/L, 28 mg/L e 34 mg/L de hidrogênio gasoso para os ensaios contendo NaOH 1%, 5% e 10% respectivamente, ou seja, de maneira limpa e sem geração de nenhum subproduto, a não ser vapor de água e oxigênio gasoso, confirmando assim ser uma fonte de energia com grande potencial e totalmente sustentável desde sua produção até seu uso como energia elétrica.
Referências Bibliográficas
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KNOB, D., Geração de Hidrogênio por Eletrólise da Água Utilizando Energia Solar Fotovoltaica, 2013. Tese (Mestrado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear - Materiais) - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, Autarquia associada à Universidade de São Paulo, São Paulo.
NETO, R. L., Geração e combustão do hidrogênio obtido através do processo de eletrólise da água, 2007.
PALHARES, D. D. de F. Produção de Hidrogênio por Eletrólise Alcalina da Água e Energia Solar, 2016. Tese (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia.
15 ROTTAVA, W. Desenvolvimento e Avaliação de um Reator Eletrolítico Fotovoltaico para a Produção de Gás Hidrogênio, 2016. Tese (Mestrado em Engenharia de Energia na Agricultura) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Cascavel.
SHREVE, R. N.; BRINK, J. A. Indústrias de Processos Químicos. Rio de Janeiro: LTC, 2014.
ZENG, K.; ZHANG, D. Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Progress in Energy and Combustion Science, v. 36, n. 3, p.
307--326, 2010.
Agradecimentos
Agradecemos primeiramente a Deus, por ter nos dado saúde e força para superar nossas dificuldades e todos esses anos na Universidade;
A nossa Orientadora do trabalho de graduação, Dra. Mércia Barbosa Cavalcante Fernandes, por todo o suporte durante os experimentos realizados e na escrita deste artigo, bem como todo o incentivo e ensinamento durante a disciplina;
A nossa supervisora do trabalho de graduação, Laíra Lucia Damasceno de Oliveira, por todo o suporte e correções durante a escrita de nossa monografia;
Agradecemos também:
Ao professor Dr. Andre Augusto Gutierrez Fernandes Beati, por ter nos orientado quanto a dúvidas e empecilhos que encontramos durante a realização de nossos experimentos deste trabalho;
Aos parceiros Carlos e ao Luiz Carlos, da empresa MR3 Energia Solar, que nos emprestaram os equipamentos necessários para os experimentos com energia fotovoltaica, como a Placa Solar, o Controlador de Carga e a bateria;
Ao parceiro Daniel Camerlingo, da empresa Star Flash, por nos ceder a solução de NaOH para ser utilizado como eletrólito das soluções do reator;
Ao parceiro Carlos Soldera, da empresa Usinagem Soldera, por nos auxiliar no projeto e fabricação do suporte utilizado no reator;
Ao Guilherme Cerqueira Lima, por nos auxiliar com a montagem do painel solar e todos os fios durante os experimentos;
A Pamela Ferracini, que cuidadosamente corrigiu nosso artigo;
Aos nossos pais, pelo imenso apoio e suporte para que ficássemos firmes e então alcançarmos nosso sonho de tornarmos Engenheiras Químicas;
A todos os professores que fizeram parte desta jornada, nos capacitando e motivando;
E a todos os amigos que direta ou indiretamente fizeram parte de nossa formação.
Anexos
Os anexos 1 e 2 referem-se ao suporte com eletrodos que foi utilizado no reator.
16 Fonte: Usinagem Soldera.
Anexo 1: Imagem do projeto do suporte com os eletrodos.
Fonte: Fonte própria.
Anexo 2: Suporte de eletrodos já encaixado no suporte do reator.
O anexo 3 é uma imagem da cuba do reator da USF, durante o processo de eletrólise, apresentando formação de gases em seu interior.
17 Fonte: Fonte Própria.
Anexo 3: Cuba do reator durante a reação de eletrólise, com desprendimento de gás.
O anexo 4 é uma imagem do painel solar da MR3 Energia Solar, que foi utilizado para os experimentos com o Sistema 2, instalado do lado de fora do laboratório de Engenharia Química da USF.
Fonte: Fonte própria.
Anexo 4: Instalação do Painel Fotovoltaico na USF.
Anexo 5: Cálculos realizados para encontrar a molaridade das soluções utilizadas como eletrólitos
18 Para calcular as concentrações em mol/L, é necessário saber quantos mL do componente foi utilizado em cada solução e qual a sua concentração inicial e então utilizar a fórmula:
C1.V1 = C2.V2
Onde:
C1 é a concentração inicial do componente;
V1 é o volume do componente que deve ser adicionado à solução;
C2 é a concentração final que desejamos;
V2 é o volume total da solução.
Por exemplo, para obter uma solução de 2 L de H2O + NaOH, com concentração a 10% de NaOH, considerando que o hidróxido de sódio utilizado é de concentração 50%, basta calcular da seguinte forma:
C1.V1 = C2.V2
50% .V1 = 10% . 2000 mL V1 = 400 mL de NaOH
Assim, deve-se adicionar 400 mL de NaOH a 50% e completar com H2O até que atinja 2000mL.
Para converter a notação de porcentagem para mol/L, deve-se verificar a densidade e a quantidade em g do componente que está sendo utilizado. Então fazer o seguinte cálculo:
d = m/v Onde:
d é a densidade do componente;
m é a massa do componente;
v é o volume do componente.
Neste caso, como a massa em gramas é o que é pretendido saber, verifica-se a densidade do componente utilizado, o volume a ser utilizado e substitui-se na fórmula. Por exemplo, para calcular quantos gramas de NaOH foram utilizados em uma solução de 400 mL de NaOH a 50%, verifica-se que a densidade do componente é 2,13g/cm³. Dessa forma, substitue-se os dados na fórmula da densidade:
d = m/v 2,13 = m / 400
m = 852 gramas de NaOH
Entretanto, a solução de NaOH está em 50%. O que significa que a verdadeira massa de NaOH utilizada é 426 gramas.
Com essa informação é possível finalmente calcular a concentração em mol/L, verificando qual a massa molecular de 1 mol do componente utilizado, no caso do exemplo é 40g/mol de NaOH. Substituindo na fórmula, temos:
M = m / (MM . v)
19 M = 426 g / (40 g/mol . 2 L)
M = 5,32 mol/L
Anexo 6: Fórmulas das resistências do sistema
Lei de Ohm
Onde,
i = corrente;
V = potencial aplicado apenas no circuito.
Podem ser calculadas também a partir da equação física:
Onde,
L = comprimento;
K = condutividade específica;
A = área da seção transversal do condutor.
Primeira Lei da Termodinâmica para um sistema aberto
Onde,
Q = calor fornecido ao sistema;
W = trabalho líquido realizado;
ΔH = diferença de entalpia no sistema.
OBS.: O único trabalho realizado é o da energia elétrica aplicada ao eletrolisador, portanto W pode ser escrito como:
20 Onde,
n = número de elétrons transferidos;
F = constante de Faraday (23074 cal/volt equivalente);
E = potencial elétrico [V].
Podemos também unir as duas últimas equações, formando a seguinte equação:
Considerando um processo isotérmico reversível (sem perdas), o calor Q é dado por:
Onde,
T = temperatura;
ΔS = variação de entropia.
Substituindo Q na equação anterior, obtém-se a definição do potencial mínimo reversível necessário para realização da eletrólise na condição de perdas nulas.
Onde,
(ΔS – TΔS) = variação da energia livre de Gibbs (ΔG), Sob condições normais de temperatura e pressão (25°C e 1 atm), ΔH = 68320 cal/mol e ΔG = 56690 cal/mol. Efetuando as substituições de valores, obtém-se o seguinte cálculo:
Onde,
nF = constante;
ΔH = constante;
Q irá variar conforme E variar.
Contudo, devido às perdas existentes no processo de eletrólise, o potencial requerido entre os eletrodos é maior do que o potencial reversível. Como nessas condições de perdas o sistema se torna irreversível, Q diminuirá e certamente poderá se tornar negativo quando a energia é perdida em forma de calor. Quando Q = 0, ou seja, quando toda a energia necessária para o
21 processo de eletrólise for suprida pela energia fornecida, o potencial passa a ser chamado de potencial termoneutro (thermoneutral voltage). Esse potencial é dado por:
Entretanto, o potencial aplicado nos eletrodos deve ser maior do que o calculado na equação acima, pois parte da energia elétrica é dissipada em forma de calor fazendo com que haja um aumento de temperatura dos eletrodos no eletrolisador.
A voltagem de operação de um eletrolisador é dada por:
As perdas no processo de eletrólise são:
Onde,
Eânodo = sobretensão de ativação do ânodo;
Ecátodo = sobretensão de ativação do cátodo;
Etm = sobretensão da transferência de massa;
IR = sobretensão ôhmica (I é a corrente elétrica e R é a resistência da célula que inclui o eletrólito, eletrodo e os terminais).
A eficiência da eletrólise convencional na célula (par de eletrodos) é dada por:
Em processos ideais de operação (sem perdas ou processo reversível), a produção de Hidrogênio acontece com eficiência de 120% (condição teórica), sob condição de voltagem termoneutra a eficiência é de 100%. Os eletrolisadores modernos atingem uma eficiência que varia entre 75% a 90%.
