Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e, termicamente assistida.

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Universidade Nova de Lisboa

Faculdade de Ciências e Tecnologia

Produção de hidrogénio através de

electrólise, alimentada por energia

eólica e, termicamente assistida.

TÂNIA Marisa Afonso TEIXEIRA

Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia

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Ficha Técnica

Título: Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e,

termicamente assistida.

Autor: Tânia Marisa Afonso Teixeira

Objectivo do presente trabalho: Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa,

Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia.

Âmbito do estudo: Trabalho de investigação sobre o efeito do aumento da temperatura, com

recurso a um colector solar, no processo de electrólise. O processo de electrólise em si é efectuado com recurso a energia eólica. O objectivo deste estudo é a melhoria da geração de Hidrogénio com recurso ao aumento de temperatura no processo de electrólise, assim como a utilização de energias renováveis.

Orientação científica do trabalho: Professor Doutor Rui F. dos Reis Marmont Lobo (Professor da

UNL/FCT)

Contactos do autor: corie.t@gmail.com

Local: Monte da Caparica

Ano: 2010

O conteúdo da presente dissertação é da inteira responsabilidade do autor.

Não é autorizada a reprodução, total ou parcial, do conteúdo da presente dissertação, sem a autorização prévia do autor, por escrito.

É autorizada a citação do conteúdo da presente dissertação, desde que acompanhada da respectiva referência bibliográfica, de acordo com as normas internacionais e de citação de trabalhos científicos.

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Resumo

O presente trabalho considera um sistema de produção de hidrogénio, através da electrólise de água, recorrendo apenas a energias renováveis.

O sistema estudado baseia-se na utilização de energia eólica para produção de hidrogénio, e na aplicação de energia solar térmica para aumentar o rendimento do processo de electrólise. Foi analisado ainda um sistema autónomo de produção de hidrogénio, utilizando igualmente energia eólica e solar térmica, capaz de fornecer a totalidade de energia necessária para uma habitação e para o meio de transporte dos residentes.

Ao nível do consumo de energia doméstico, a demanda de energia eléctrica e de águas quentes sanitárias terá normalmente resposta através da energia eólica e solar térmica, no entanto em alturas de baixa demanda a energia eólica produzida em excesso será usada no processo de electrólise da água, consequentemente a produção de hidrogénio que será armazenado e utilizado nos momentos de baixa ou nenhuma produção de energia eólica. O objectivo principal deste trabalho é promover o conhecimento do hidrogénio como vector energético e como armazenador de energia, e de mostrar a sua capacidade na resolução da questão de intermitência das energias renováveis.

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Abstract

The present work aims a system for hydrogen production, through water electrolysis, using only renewable energy.

The system studied is based on the use of wind energy to hydrogen production, and application of solar thermal energy to increase the yield of the electrolysis process.

There was still analyzed an autonomous system of hydrogen production, also using wind and solar thermal energy, capable of meeting the residence energy demand of a habitation and for the resident’s means of transportation.

In the domestic energy consumption, de electric energy and water heating demand will have normally an answer in wind and solar thermal energy, and so in times of lower demand the wind energy produced in excess will be used in for water electrolysis, and in the production of hydrogen that will be storage and used in moments of low or null wind production.

The main propose of this work is to promote the hydrogen’s knowledge as an energetic vector and an energy’ storage, and to show is capacity in the resolution of the intermittence of the renewable energy.

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Lista de Acrónimos e Definições

Energia Primária – recurso energético que se encontra disponível na natureza (petróleo, gás natural, energia hídrica, energia eólica, biomassa, solar).

FER – Fonte de Energia Renovável.

NUTS – Nomenclaturas de Unidades Territoriais para fins Estatísticos, padrão geocódigo para referenciar as divisões administrativas de países para fins estatísticos. Só abrange os Estados-Membros da UE.

Mtep – Milhões de toneladas de equivalente de petróleo.

Entalpia – energia de um sistema que se encontra sob a forma de calor. PTN – Pressão e Temperatura Normais.

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Aos meus pais, por tudo o que sou e posso vir a ser.

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Agradecimentos

Ao Professor Dr. Rui F. dos Reis Marmont Lobo, da UNL-FCT, pela orientação do presente trabalho. Agradece-se, igualmente, as condições laboratoriais proporcionadas pelo laboratório

do Grupo de Nanotecnologia e Ciência à Nano-Escala (GNCN) situado no Centro de Exª do Ambiente da FCT-UNL.

À Professora Benilde Mendes, da UNL-FCT, coordenadora do Mestrado de Energia e Bioenergia, pelas palavras de apoio e ânimo transmitidos que foram de vital importância para a elaboração e finalização do presente documento.

Ao Prof. Adolfo Steiger Garção, presidente do Departamento de Electrotécnia, da UNL-FCT, pela autorização na utilização de equipamento.

Ao Professor João Martins e Pedro Pereira, da UNL-FCT, pelo apoio dado na determinação das medições do aerogerador.

Ao Eng. Pedro Ribeiro e ao Eng. Paulo Pereira, do Grupo de Qualidade do Ar, da UNL-FCT, por terem proporcionado as condições para a realização dos ensaios da estação meteorológica e pelas informações fornecidas.

Ao Sr. Ribeiro, ao Sr. Campos e ao Sr. Joel, dos serviços técnicos da UNL-FCT, pelo apoio na produção do colector solar.

Aos colegas, Ricardo, Inês e Cristina, do Mestrado de Energia e Bioenergia, pelo apoio dado e pelas palavras de incentivo em momentos de dúvida.

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Índice

Introdução ... 1

Capitulo 1 – Produção e consumo energético ... 3

1.1. Perfil Energético da UE ... 3

1.2. Perfil Energético de Portugal ... 6

1.3. Emissões Fósseis ... 8 1.4. Energia Eólica ... 9 1.5. Energia Solar ... 13 Capitulo 2 – Hidrogénio ... 18 2.1. Produção de Hidrogénio ... 20 2.1.1. Reformação ... 21 2.1.2. Oxidação parcial ... 21 2.1.3. Pirólise da biomassa ... 21 2.1.4. Bio-fotólise ... 22 2.1.5. Termólise ... 22 2.1.6. Foto-electrólise ... 22

2.1.7. Plasmólise, Magnetólise e processo “Mechano-catalytic” ... 23

2.1.8. Outros processos ... 23

2.2. Transporte e Armazenamento ... 24

Capitulo 3 – Produção de Hidrogénio via Electrólise ... 27

3.1. Descrição do Processo ... 27

3.2. Tecnologia da electrólise ... 29

3.3. Electrólise Termicamente Assistida ... 30

3.3.1. Colectores Solares... 30

3.3.2. Caracterização ... 31

Capitulo 4 – Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio ... 32

4.1. Modelo de Estudo ... 32

4.2. Material e Métodos ... 33

4.2.1. Breve Descrição do Sistema Eólico ... 33

4.2.2. Descrição do Sistema de Electrólise ... 35

4.2.3. Descrição dos Ensaios ... 37

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5.1. Dimensionamento de um Colector Solar ... 38

5.2. Dimensionamento de um colector para uma habitação ... 43

5.3. Modelo Teórico da Electrólise ... 44

Capitulo 6 – Discussão de Resultados ... 49

6.1. Comportamento da corrente eléctrica em função da velocidade do vento ... 49

6.2. Comportamento da electrólise face à corrente eléctrica ... 50

6.3. Comportamento da electrólise face à variação de temperatura ... 52

6.4. Extrapolação de dados ... 56

Capitulo 7 – Análise Económica e Ambiental... 58

7.1. Implementação Colector Solar ... 58

7.2. Transportes ... 59

7.3. Sector Doméstico ... 62

7.4. Análise combinada ... 64

Capitulo 8 – Conclusões ... 67

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Índice de Figuras

Figura 1.1 - Consumo de Energia Final por Sector, UE-27. ... 3

Figura 1.2 - Produção doméstica, importação e consumo de energia primária ... 6

Figura 1.3 - Quota do consumo de energia primária (%) por Tipo de fonte de energia. ... 7

Figura 1.4 - Quota do consumo final de energia (%) por sector de actividade económica – Anual. ... 7

Figura 1.5 - Quota da produção bruta de electricidade (%) por Localização geográfica (NUTS - 2002) e Tipo de produção de electricidade – Anual. ... 8

Figura 1.6 - Potência instalada em Portugal relativo á eólica. ... 12

Figura 1.7 - Radiação global anual em Portugal. ... 14

Figura 1.8 - Insolação global anual em Portugal. ... 15

Figura 1.9 - Capacidade total instalada eléctrica, 2006. ... 15

Figura 1.10 - Capacidade total instalada de energia térmica, 2006. ... 16

Figura 1.11 - Produção de energia a partir de Energia Solar (TWh). ... 17

Figura 1.12 - Produção de energia para aquecimento a partir de Energia Solar (Mtep). ... 17

Figura 2.1 - Processos de produção de Hidrogénio. ... 20

Figura 3.1 - Esquema resumido do processo de electrólise. ... 28

Figura 3.2 – Diagrama representativo do ciclo do hidrogénio, produção e consumo. ... 28

Figura 4.1 – Modelo representativo das fases de estudo. ... 32

Figura 4.2 – Aerogerador... 34

Figura 4.3 – Sistema eléctrico de conversão, inversor e rectificador. ... 34

Figura 4.4 - Estação meteorológica. ... 35

Figura 4.5 – Sistema de electrólise (unidade de medida em cm). ... 36

Figura 4.6 - Electrolisador. ... 36

Figura 5.1 – Esquema do sistema de aquecimento do processo de electrólise através dum colector solar (unidade de medida em cm). ... 42

Figura 5.2 – Colector solar implementado. ... 41

Figura 5.3 – Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente eléctrica. ... 46

Figura 5.5 – Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente, para 3 valores diferentes de temperatura... 47

Figura 5.4 - Rendimento de H2 (PCS - Poder Calorífico Superior) em função da densidade de corrente. ... 48

Figura 6.1 - Aerogerador - Corrente eléctrica vs velocidade do vento... 49

Figura 6.2 – Produção de H2 em função da corrente eléctrica. ... 51

Figura 6.3 - Comparação da produção de hidrogénio teórica (laranja) vs prática (cinza). .. 52

Figura 6.4 – Influência da Intensidade da corrente eléctrica e da Temperatura na produção de H2. ... 53

Figura 6.5 – Influência da temperatura na produção de H2. ... 54

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Figura 6.7 - Tendência de produção de hidrogénio numa electrólise a 65°C. ... 57 Figura 7.1 - Sistema de produção de hidrogénio para veículo ligeiro. ... 60 Figura 7.2 - Sistema de produção de hidrogénio para habitação. ... 62 Figura 7.3 - Sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo. ... 65

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Índice de Quadros

Quadro 1.1 – Consumo de Energia dos estados membros da UE, a sua rede de importações e taxa de dependência em 2008. ... 4 Quadro 1.2 - Consumo final de energia em energia renovável. ... 5 Quadro 1.3 - Emissões de CO2 dos países da UE-27 e respectivas metas de Kyoto. ... 9 Quadro 1.4 - Potencia instalada (MW) por cada estado membro da UE-15. ... 10 Quadro 1.5 - Potência instalada de energia eólica na UE, 2008. ... 11 Quadro 1.6 - Caracterização da potência eólica em Portugal Continental. ... 12 Quadro 2.1 – Poder Calorífico Superior e Inferior para diferentes combustíveis. ... 18 Quadro 2.2 - Resumo dos processos de produção de hidrogénio. ... 23 Quadro 3.1 - Reacções químicas verificadas ao nível dos electrodos. ... 27 Quadro 3.2 - Eficiência dos sistemas de electrólise. ... 29 Quadro 5.1 – Produção teórica de hidrogénio a partir de electrólise de água. ... 46 Quadro 5.2 – Produção de Hidrogénio em função de duas variáveis: temperatura e intensidade de corrente. ... 47 Quadro 6.1 – Volume de produção de H2 à temperatura ambiente. ... 51 Quadro 6.2 - Produção de hidrogénio através de Electrólise: Teórica vs Experimental. ... 51 Quadro 6.3 – Influência da variação da temperatura na produção de H2. ... 53 Quadro 6.4 - Variação de Rendimento resultante do aumento de Temperatura, comparativamente ao processo a 25ºC. ... 55 Quadro 7.1 – Características do sistema de produção de hidrogénio para deslocação. ... 61 Quadro 7.2 - Características do sistema de produção de hidrogénio para uma habitação. .. 63 Quadro 7.3 – Características do sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo. ... 66

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0 Introdução

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Introdução

Na actualidade, verifica-se uma crise a nível mundial no sector dos combustíveis fósseis, mais concretamente no petróleo. Sendo Portugal um dos países da União europeia com maior dependência energética, é dos que mais sofre com o aumento do preço do petróleo e da consequente subida de preço de vários produtos e serviços. O impacte que a crise económica tem gerado e as metas impostas pela UE, resultantes de preocupações ambientais como as alterações climáticas e o aquecimento global, levaram a uma revisão das políticas energéticas de cada país.

Considera-se que a solução para esta problemática consiste num maior desenvolvimento e interesse nas energias renováveis, nomeadamente a eólica, hídrica, fotovoltaica, solar térmica, geotérmica e culturas energéticas. Apesar de Portugal já apresentar um grande investimento a nível de energia eólica, o mesmo não se verifica com as outras energias renováveis. Surgindo assim a necessidade de melhorar, desenvolver e diversificar as formas de energia, limpas e sustentáveis, como as energias renováveis e de solucionar a questão da sua intermitência.

Neste contexto, surge o hidrogénio como uma promissora fonte de energia intermédia, que a par com a energia eléctrica é considerado um vector energético, possível de ser armazenado.

O hidrogénio é o elemento mais abundante no Universo, com cerca de 70% da massa total do Universo, e o terceiro mais abundante da crusta terrestre. É o elemento mais leve, e com mais baixa densidade de massa por m3, mas é o combustível de utilização mais eficiente, o que é corroborado quando comparamos o poder calorífico superior (141,86 kJ/g, em condições PTN) e inferior do hidrogénio (119,93 kJ/g, em condições PTN) em relação a outros combustíveis, como a gasolina (poder calorífico superior é de 47,50 kJ/g e o inferior é de 44,50 kJ/g, em condições PTN).

No entanto, o hidrogénio encontra-se associado a outros elementos, sendo necessário separá-lo ou produzi-lo. A sua produção pode ser efectuada de diferentes formas e através de diferentes fontes, sendo uma delas através da água. É num dos processos de produção de Hidrogénio a partir de água, mais concretamente no processo de electrólise que este estudo incide.

Este projecto, surge com o objectivo de estudar o processo de produção de hidrogénio a partir de electrólise alimentada por energia eólica e os efeitos da temperatura na mesma. O projecto desenvolve-se em 4 fases:

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Fase 1 - Recolha de dados referentes à produção de energia eólica de um aerogerador,

montado no topo do Departamento de Electrotécnica, da Faculdade de Ciências e Tecnologia - Universidade Nova de Lisboa.

Caracterização do aerogerador em causa, determinação da corrente eléctrica produzida em função da intensidade/velocidade do vento.

Fase 2 – Estudo do processo de electrólise no Laboratório do Grupo de Nanotecnologia e

Ciência à Nano-Escala (GNCN) situado no Centro de Exª do Ambiente da FCT-UNL. Determinação, em laboratório, do rendimento deste processo, através da introdução (“input”) de energia eléctrica e da quantidade de Hidrogénio obtido.

Fase 3 – Estudo do processo de electrólise termicamente assistido no Laboratório do

GNCN da FCT-UNL. Determinação laboratorial do efeito da temperatura no processo de electrólise, através do aquecimento da água existente na célula electroquímica. Dimensionamento de um colector solar para a produção de um aumento de temperatura da água até 65ºC (temperatura máxima aconselhada para o electrolisador em causa).

Fase 4 – Análise e comparação dos dados obtidos. Comparação do volume de Hidrogénio

obtido, no processo de electrólise convencional e no de electrólise termicamente assistida, para as mesmas intensidades de corrente utilizadas. Consequente identificação de qual será o processo mais eficiente.

Assim, a presente dissertação apresenta-se distribuída em 3 partes distintas:

1) Capitulo I, II e III, onde se efectua uma contextualização do estudo, sobre a energia Eólica, o Hidrogénio e a energia solar térmica.

2) Capitulo IV, V e VI, em que se apresenta a metodologia associada ao projecto, os resultados obtidos, dimensionamento de um colector solar para o projecto em causa e discussão de resultados.

3) Capitulo VII, no qual se apresentam as conclusões deste trabalho.

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Capitulo 1 – Produção e consumo energético

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Capitulo 1 –

Produção e consumo energético

O presente projecto “debruça-se” sobre a melhoria na produção de Hidrogénio por electrólise com recurso a energias renováveis (solar para o aumento de temperatura da água, e eólica para a realização do processo de electrólise). As alterações estudadas pressupõem a redução de emissões fósseis assim como da dependência de combustíveis fósseis por utilização de energias renováveis num âmbito nacional.

Neste contexto, o presente capítulo apresenta:

a) O perfil energético europeu e nacional, identificando os níveis de consumo energético por sector e/ou por energia a percentagem de utilização de energia por sector e tipo de energia. Este perfil permite identificar o grau de dependência de combustíveis fósseis assim como do potencial energético de renováveis.

b) O nível de emissões fósseis a nível Europeu, impactes do mesmo, assim como planos e directivas para a sua redução.

c) O potencial de crescimento das energias eólica e solar a nível Europeu e em particular em Portugal.

1.1. Perfil Energético da UE

Nos últimos anos a União Europeia tem vindo a criar várias políticas energéticas e ambientais de forma a diminuir os níveis de consumo de energia e dependência energética. Em 2006, a União Europeia apresentava consumos de energia elevados, na ordem de 1200 Mtep (Figura 1.1).

Figura 1.1 - Consumo de Energia Final por Sector, UE-27.

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A nível de consumo destaca-se o sector dos transportes com uma quota de 31,5%, seguindo-se o sector da indústria com 27,6% e o da habitação com 25,9%.

Como resultado do elevado consumo energético, a União europeia recorre a importações de recursos energéticos para fazer face às suas necessidades energéticas, criando assim uma dependência energética.

A União Europeia apresenta um nível de dependência energética de 53,8%, registando-se 17 países com níveis de dependência superiores a este, entre os quais Portugal (Quadro 1.1).

Verificando-se que apenas 10 países apresentam um nível de dependência energética inferior à média europeia.

O país que se encontra melhor classificado na tabela é a Dinamarca, que apresenta uma dependência energética na ordem de -36,8%, valor que corresponde na realidade à sua percentagem de exportações. Seguem-se a Polónia e o Reino Unido com apenas 19,9% e 21,3%.

Quadro 1.1 – Consumo de Energia dos estados membros da UE, a sua rede de importações e taxa de dependência em 2008.

(Europe’s Energy Portal)

1) Grosso de Consumo de Energia em Milhões de toneladas de equivalente de petróleo (Mtep). Definido como produção primária mais

importações, menos exportações.

2) Importações líquidas significa importações menos exportações. 3) Importações divididas pelo grosso do consumo. 4) Dinamarca é um exportador de energia.

Estado Membro UE Grosso do Cons. de Ener.1) Import .Líq. 2) Dependência Energética 3) Estado Membro EU Grosso do Cons. de Ener.1) Import .Líq. 2) Dependência Energética 3) 1 Chipre 2,6 3 100% 15 Alemanha 349 215,5 61,30% 2 Malta 0,9 0,9 100% 16 Finlândia 37,8 20,9 54,60% 3 Luxemburgo 4,7 4,7 98,9% 17 UE27 1825,2 1010,1 53,80% 4 Irlanda 15,5 14,2 90,9% 18 Eslovénia 7,3 3,8 52,10% 5 Itália 186,1 164,6 86,8% 19 França 273,1 141,7 51,40% 6 Portugal 25,3 21,6 83,1% 20 Bulgária 20,5 9,5 46,20% 7 Espanha 143,9 123,8 81,4% 21 Holanda 80,5 37,2 38% 8 Bélgica 60,4 53,5 77,9% 22 Suécia 50,8 19,8 37,40% 9 Áustria 34,1 24,9 71,9% 23 Estónia 5,4 1,9 33,50% 10 Grécia 31,5 24,9 71,9% 24 România 40,9 11,9 29,10% 11 Letónia 4,6 3,2 65,7% 25 República Checa 46,2 12,9 28% 12 Lituânia 8,4 5,5 64% 26 Reino Unido 229,5 49,3 21,30% 13 Eslováquia 18,8 12 64% 27 Polónia 98,3 19,6 19,90% 14 Hungria 27,8 17,3 62,5% 28 Dinamarca 20,9 -8,1 -36,8% 4)

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A diminuição dos níveis de importação da UE passa pela consciencialização dos cidadãos no que respeita ao consumo desregulado de energia, e maioritariamente pela melhoria da eficiência energética e implementação de energias renováveis.

No ano de 2006 a média europeia, para a EU-27, de energia consumida produzida por FER (Fontes de Energia Renováveis) era de 9,2%, sendo a o valor médio da meta a atingir em 2020 de 20%, faltando assim em média aumentar em 10,8% a produção de energia renovável (Quadro 1.2).

Quadro 1.2 - Consumo final de energia em energia renovável.

Estados Membros EU 2006 Meta 2020 % Por atingir:

1 Reino Unido 1,5 % 15 % 13,5 % 2 Irlanda 2,9 % 16 % 13,1 % 3 Dinamarca 17,2 % 30 % 12,8 % 4 França 10,5 % 23 % 12,5 % 5 Holanda 2,7 % 14 % 11,3 % 6 Espanha 8,7 % 20 % 11,3 % 7 Grécia 7,1 % 18 % 10,9 % EU 9,2 % 20 % 10,8 % 8 Itália 6,3 % 17 % 10,7 % 9 Letónia 31,4 % 42 % 10,6 % 10 Bélgica 2,6 % 13 % 10,4 % 11 Chipre 2,7 % 13 % 10,3 % 12 Alemanha 7,8 % 18 % 10,2 % 13 Luxemburgo 1 % 11 % 10 % 14 Malta 0 % 10 % 10 % 15 Portugal 21,5 % 31 % 9,5 % 16 Eslovénia 15,5 % 25 % 9,5 % 17 Finlândia 28,9 % 38 % 9,1 % 18 Áustria 25,1 % 34 % 8,9 % 19 Lituânia 14,6 % 23 % 8,4 % 20 Estónia 16,6 % 25 % 8,4 % 21 Hungria 5,1 % 13 % 7,9 % 22 Suécia 41,3 % 49 % 7,7 % 23 Polónia 7,5 % 15 % 7,5 % 24 Eslováquia 6,8 % 14 % 7,2 % 25 Bulgária 8,9 % 16 % 7,1 % 26 Roménia 17 % 24 % 7 % 27 República Checa 6,5 % 13 % 6,5 %

Países como o Reino Unido, Holanda e Espanha apresentavam níveis de consumo de energia produzida por FER inferiores à média europeia e superiores relativamente à necessidade de aumentar a produção de energia renovável.

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Os restantes países da EU-27 apresentam níveis mais optimistas que os países acima referidos. Neste último grupo, encontra-se inserido Portugal ocupando a 5º posição no que respeita aos países da EU-27 que apresentam melhores níveis de energia consumida produzida por FER assim como das metas mais elevadas estabelecidas para 2020, e a 12ª posição para as quotas a aumentar em produção de energia renovável.

Em 2008, a Comissão Europeia estabeleceu um plano de acção para a energia, mais vulgarmente designada pela “Estratégia dos 20-20-20”. Este plano a atingir em 2010, que consiste em 3 metas: na diminuição em 20% das emissões de gases com efeito de estufa, no aumento em 20% da energia produzida por Energias Renováveis, e em 10% de biocombustíveis nos transportes, e no aumento da eficiência energética em 20%.

Esta estratégia deu origem ao “Pacto do Autarcas”, ao qual aderiram 350 autarquias europeias, das quais 7 são portuguesas.

1.2. Perfil Energético de Portugal

Portugal é um país com escassos recursos energéticos, nomeadamente petróleo, carvão e gás, sendo estes combustíveis a base da economia nacional verifica-se uma elevada dependência energética.

Até o ano de 2006, Portugal registou um aumento do consumo e das importações de energia primária (Figura 1.2). Apesar de se ter verificado uma tendência para o aumento de produção de energia este não foi suficiente para acabar com a dependência energética nacional.

Figura 1.2 - Produção doméstica, importação e consumo de energia primária

(DGEG, 2008).

O consumo de energia primária em Portugal baseia-se essencialmente no petróleo, cujo consumo em 2007 encontrava-se nos 54% (Figura 1.3). Outros combustíveis fósseis, como

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o gás natural e o carvão, asseguram as necessidades energéticas nacionais tendo apresentado para o ano de 2007 consumos de 15% e 11,3%, respectivamente.

O contributo das energias renováveis no consumo total de energia primária de 17,1%, sendo o maior contributo da energia hídrica seguindo-se a energia eólica.

Figura 1.3 - Quota do consumo de energia primária (%) por Tipo de fonte de energia.

(Adaptado de Direcção-Geral de Geologia e Energia).

O maior consumo final de energia a nível nacional dá-se no sector dos transportes, tendo-se mantido a quota de 36% em 2004 e 2007 (Figura 1.4).

O mesmo se verifica nos sectores da agricultura (2%), das pescas (1%), da indústria extractiva (1%) e transformadora (28%), que mantiveram as suas quotas em 2004 e 2007. Foi nos sectores das construções e obras públicas, doméstico e de serviços que se registaram as alterações de consumo, tendo as construções e obras públicas passado de uma quota de 16% para 17%, o doméstico de 4% para 3%, e os serviços de 13% para 12%.

2% 1% 1% 28% 4% 36% 16% 13%

2004

Agricultura Pescas Ind. Extractiva Ind. Transformadora Const. e obras públ. 2% 1% 1% 28% 3% 36% 17% 12%

2007

Agricultura Pesca s Ind. Extra ctiva Ind. Tra nsforma dora Const. e obra s públ. Tra nsportes Sector doméstico Serviços

Figura 1.4 - Quota do consumo final de energia (%) por sector de actividade económica – Anual.

(Direcção-Geral de Geologia e Energia).

De forma a reduzir esta dependência, Portugal tem vindo a investir em Fontes de Energia Renovável (FER) e em campanhas para a redução do consumo de energia (Figura 1.5).

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Figura 1.5 - Quota da produção bruta de electricidade (%) por Localização geográfica (NUTS - 2002) e Tipo de produção de electricidade – Anual.

(Direcção-Geral de Geologia e Energia)

1.3. Emissões Fósseis

Com o Livro Branco, a Comissão Europeia fixou o objectivo indicativo de 12% de contribuição das FER para o consumo bruto de Energia da União Europeia até 2010 (o seu consumo em 1995 era de 5,44%). Num dos vários pontos Livro Branco, a União europeia deverá aumentar a produção da electricidade a partir de fontes de energia renovável de 337 TWh em 1995 a 675 TWh em 2010 ou seja aumentar a produção de electricidade a partir das FER de 14% para 22%. Neste contexto a capacidade instalada de energia eólica deverá passar de 2,5GW em 1995 para 40.000 MW (40 GW) em 2010, a qual poderá produzir 80 TWh de electricidade (2,8% da produção de electricidade da UE), contra 4TWh (0,2% da produção de electricidade da UE) em 1995, e evitar a emissão de 72 milhões de toneladas do CO2 por ano (Comissão Europeia, 1997).

A União Europeia (UE), com a directiva 2001/77/EC, reconhece a necessidade de promover as fontes de energia renovável considerando-as vectores estratégicos na protecção ambiental e no desenvolvimento sustentável (Comissão Europeia, 2001). Através desta directiva, a UE estabeleceu como meta indicativa para a Europa a produção, a partir de fontes renováveis, de 22 % da energia eléctrica consumida em 2010. Espera-se alcançar este objectivo através de quotas assumidas pelos diferentes estados-membros. Essa quota foi recentemente revista, aquando da adesão dos 10 novos estados-membros, passando para 21 %.

Em Portugal, a directiva comunitária traduziu-se num plano estratégico para promoção das fontes de energia renovável, designado Programa E4 (Eficiência Energética e Energias

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Endógenas). Com este programa de apoio, Portugal pretende atingir a meta dos 39 % de produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável, obedecendo ao estabelecido na directiva 2001/77/EC. Para tal, Portugal deverá mobilizar cerca de 5 mil milhões de euros de investimento para este sector. Com a implementação desta directiva a produção energia eólica nacional foi em 2002 trezentas e sessenta vezes superior ao registado em 1991 e a sua aplicação faz prever a instalação em Portugal de cerca de 2500 a 3000 MW de conversores eólicos, no horizonte de 2010 (Castro, 2007).

Quadro 1.3 - Emissões de CO2 dos países da UE-27 e respectivas metas de Kyoto.

(EEP, 2008)

O “Pacto dos Autarcas” pretende reduzir, até 2020, em 20% as emissões de gases com efeito de estufa (GEE) produzidos pelos municípios signatários, no âmbito do Plano Europeu de Acção para Eficiência Energética.

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A energia eólica é das energias renováveis em que se investiu mais em Portugal.

O seu crescimento tem sido exponencial ao longo dos anos, principalmente devido á contribuição da Europa onde está a maior parcela de produção. Em 2002, a UE era detentora de 75% da potência total instalada em todo o mundo, correspondendo esta percentagem em grande parte à forte contribuição de países como a Alemanha, a Espanha e a Dinamarca (Quadro 1.4).

Quadro 1.4 - Potencia instalada (MW) por cada estado membro da UE-15.

(EWEA)

Ano/país Áus. Bél. Din. Finl. Fra. Alem. Gré. Irlan. Itá. Lux. Hol. Port. Esp. Sue. R.U. Total

1996 10 4 842 7 6 1552 29 11 70 2 299 19 249 103 273 3476 1997 20 4 1129 12 10 2081 29 53 103 2 319 38 512 122 319 4753 1998 30 6 1443 17 14 2875 39 73 180 9 361 60 834 174 333 6448 1999 34 6 1771 39 25 4442 112 74 277 10 433 61 1812 220 362 9678 2000 77 13 2417 39 66 6113 189 118 427 10 446 100 2235 231 406 12887 2001 94 31 2489 39 78 8754 272 125 697 15 493 125 3337 240 474 17263 2002 139 44 2880 41 145 12001 276 137 785 16 688 194 4830 328 552 23056 2003 415 68 3115 52 256 14609 375 191 904 22 910 296 6203 399 648 28463 2004 606 96 3118 82 390 16629 473 339 1265 35 1079 522 8263 442 907 34246 2005 819 167 3122 82 757 18428 573 496 1717 35 1219 1022 10027 500 1353 40317

Legenda: Áus - Áustria; Bel - Bélgica; Din – Dinamarca; Finl – Finlândia; Fra – França; Alem – Alemanha; Gré – Grécia; Irlan – Irlanda; Itá – Itália; Lux – Luxemburgo; Hol – Holanda; Port – Portugal; Esp – Espanha; Sue – Suécia; R.U. – Reino Unido

Em 2005, estes três países detinham 31577MW de capacidade instalada, ou seja 78% do total da UE (15). Nesse mesmo ano o total de potência instalada na UE-15 era de 40317MW o que superou a meta estabelecida de 40000MW.

Em 2003, surge a “European Wind Energy Association” com uma nova visão mais ambiciosa que a Comissão Europeia, revendo o objectivo de potência instalada em energia eólica para os 75 GW, em 2010, e 180 GW, em 2020.

Em 2008, a Alemanha e Espanha mantinham-se como os países com maior potência instalada de energia eólica, com 23903 MW e 16740MW (Quadro 1.5).

O mesmo não se verifica com a Dinamarca que foi suplantada pela Itália, França e Reino Unido.

A evolução de energia eólica em Portugal foi notória. Portugal passou de 1022MW em 2005 para 2862 MW em 2008, mais do dobro.

No âmbito da Directiva do Parlamento Europeu e do Conselho nº 2001/77/CE, de 27 de Setembro de 2001, Portugal assumiu um objectivo agressivo na vertente da promoção das

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energias renováveis. Assim, Portugal estabeleceu, como meta para 2010, aumentar o contributo das energias renováveis para 39% do consumo bruto anual de electricidade.

Quadro 1.5 - Potência instalada de energia eólica na UE, 2008.

Estado Membro Potência instalada(MW)

1 Alemanha 23903 2 Espanha 16740 3 Itália 3736 4 França 3404 5 Reino Unido 3241 6 Dinamarca 3180 7 Portugal 2862 8 Holanda 2225 9 Suécia 1021 10 Irelanda 1002 11 Austria 995 12 Grécia 985 13 Polónia 472 14 Bélgica 384 15 Bulgária 158 16 Rep. Checa 150 17 Finlândia 143 18 Hungria 127 19 Estónia 78 20 Lituânia 54 21 Luxemburgo 35 22 Letónia 27 23 Roménia 10 24 Eslováquia 3 25 Chipre 0 26 Malta 0 27 Eslovénia 0

De 1995 a 2005, num período de 10 anos, Portugal apresentou um aumento de cerca de 1000MW da potência instalada em energia eólica (Figura 1.6). No entanto, foi a partir do ano 2000 que este crescimento se acentuou, mais concretamente de 2004 para 2005 em que a potência quase duplicou.

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Figura 1.6 - Potência instalada em Portugal relativo á eólica.

(DGGE)

Em Portugal, devido à sua situação geográfica e geo-morfologia, apenas nas montanhas a velocidade e a regularidade do vento é susceptível de aproveitamento energético. A maior parte dos locais com essas características situa-se a norte do rio Tejo e, a sul, junto à Costa Vicentina e Ponta de Sagres.

A produção, em 2006, foi 2892GWh correspondendo a uma potência eólica instalada de 1681 MW distribuída ao longo de todo o território continental (Quadro 1.6). A potência instalada em Julho de 2007 situava-se em 1939 MW, dando origem a uma produção de 2268GWh.

O aumento acentuado no investimento nacional na Energia Eólica ao longo dos últimos anos resultou num aumento da potência instalada como verificado no gráfico anterior. Esta evolução coloca Portugal numa frente de desenvolvimento.

Quadro 1.6 - Caracterização da potência eólica em Portugal Continental.

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2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Julho

2007 Totalidade dos Parques

Potencia Instalada (MW) 76 114 175 253 537 1047 1681 1939 Produção (GWh) 154 239 341 468 787 1741 2892 2268 Nº de parques instalados 9 16 24 42 71 103 139 147 Nº de aerogeradores instalados 123 173 213 276 441 701 964 1083

Parques com potencia instalada estabilizada

Potencia Instalada (MW) 51 71 111 183 266 611 999 1218 Produção (GWh) 114 177 271 420 594 1405 2119 1538

Potencia média (MW)

dos parques 8,4 7,1 7,3 6,0 7,6 10,2 12,1 13,2 dos aerogeradores instalados 0,6 0,7 0,8 0,9 1,2 1,5 1,7 1,8 dos aerogeradores instalados em cada ano 0,5 0,8 1,5 1,2 1,7 2,0 2,4 2,2

1.5. Energia Solar

Responsável pela existência de vida na Terra e sua manutenção, o Sol é a principal fonte de energia terrestre, permitindo a existência de vida. A energia que provêm do Sol, energia solar, é inesgotável, praticamente constante (pois pode-se verificar alterações resultantes da actividade solar e da órbita terrestre), e limpa. O Sol fornece, para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x 1018 kWh/ano, o que equivale a 10.000 vezes o consumo anual mundial de energia.

Esta energia, ao atingir a atmosfera terrestre pode ser absorvida ou reflectida pelos seus diferentes componentes. A radiação solar incidente no topo da atmosfera é de 1367 W/m2, correspondendo a cerca de 1000 W/m2 a radiação solar que atinge diariamente a superfície terrestre, registando-se uma perda de 30%.

A radiação incidente é constituída por: radiação directa (atinge directamente a superfície terrestre sem nenhuma interferência), radiação difusa (desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera) e radiação reflectida (proveniente da reflexão no solo e objectos circundantes).

A nível nacional verifica-se que a radiação solar global varia entre 140kcal/cm2 no Norte do País e 170 kcal/cm2 no Sul (Figura 1.7).

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Figura 1.7 - Radiação global anual em Portugal.

(Solar Térmico, 2004)

O potencial disponível de energia solar comparativamente com a UE é bastante elevado, dispondo de um número médio anual de horas de Sol entre 1800-3100 para o continente (Figura 1.8). Esta energia solar pode ser utilizada directamente para aquecimento, sobre a forma de colectores solares, e para produção de energia eléctrica, através de painéis fotovoltaicos.

Apesar do elevado potencial desta energia e de algumas medidas implementadas pelo Estado, não se verifica uma grande aposta e evolução desta energia.

Á excepção da central fotovoltaica de Moura, com uma potência instalada de 62 MW, ocupa uma superfície aproximada de 114 hectares. E da central fotovoltaica de Serpa, com uma potência instalada de 11MW através de 52.000 painéis fotovoltaicos numa área de 64 hectares.

A sua grande vantagem reside no facto de se tratar de uma fonte de energia repartida equitativamente.

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Figura 1.8 - Insolação global anual em Portugal.

(Solar Térmico, 2004)

Em 2006, a capacidade total instalada eléctrica de origem solar a nível nacional era praticamente inexistente, ao contrário de países como a Alemanha que apesar de terem um potencial solar inferior ao de Portugal apresentam um investimento em energia solar muito superior, neste caso em energia fotovoltaica (Figura 1.9).

Figura 1.9 - Capacidade total instalada eléctrica, 2006.

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No que respeita a energia solar térmica, em 2006, Portugal apresentava uma capacidade instalada muito reduzida. Enquanto a Alemanha, Áustria, França, Holanda e Dinamarca, com potenciais inferiores, têm uma capacidade instalada muito superior (Figura 1.10). Existe ainda o caso da Grécia, que com condições semelhantes a Portugal, apresenta uma capacidade instalada superior em larga escala.

Figura 1.10 - Capacidade total instalada de energia térmica, 2006.

A nível europeu, para o ano de 2006, a contribuição da energia solar térmica na produção de energia eléctrica era nula e na produção de 0,77Mtep, tendo-se verificado um aumento de cerca de 51% desde 2002.

Considerando a situação energética, ambiental e económica em que o mundo se encontra a União Europeia traçou metas a atingir a nível comunitário e de cada estado membro.

Foram assim efectuadas projecções das metas consideradas tangíveis de serem alcançadas nos anos de 2010 e 2020. Para a produção de energia eléctrica a partir de energia solar foi projectado para 2010, 20TWh para fotovoltaica e 2 TWh para a solar térmica (Figura 1.11). Tendo sido estipulada para 2020 uma meta de 180TWh para a fotovoltaica e 43TWh para a solar térmica. Verifica-se que existe uma maior aposta na produção de energia através de fotovoltaica do que através de solar térmica.

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Figura 1.11 - Produção de energia a partir de Energia Solar (TWh).

(EREC, 2008)

No entanto, a nível de produção de energia para aquecimento verifica-se um investimento na energia solar térmica. Tendo sido projectado para 2010 uma produção de energia para aquecimento de 1,8 Mtep e para 2020 de 12Mtep (Figura 1.12).

Figura 1.12 - Produção de energia para aquecimento a partir de Energia Solar (Mtep).

(EREC, 2008)

Verifica-se assim uma preocupação por parte da União Europeia em aumentar a produção de energia a partir de FER, de forma a fazer face à problemática dos combustíveis fósseis.

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Capitulo 2 – Hidrogénio

O hidrogénio é o elemento mais abundante do Universo, apresenta uma massa atómica de aproximadamente 1,0 u, uma baixa energia de ignição de 0,019mJ e uma baixa densidade, de 84 g/m3, a uma temperatura de 15 ºC e uma pressão de 1 bar. Apresenta-se normalmente na sua forma molecular (H2), formando um gás inflamável, incolor, inodoro, não-metálico, insípido e insolúvel em água.

É considerado o combustível de utilização mais eficiente, o que é corroborado quando comparamos o poder calorífico superior e inferior do hidrogénio a outros combustíveis (Quadro 2.1).

Quadro 2.1 – Poder Calorífico Superior e Inferior para diferentes combustíveis.

Poder Calorífico Superior, a 25ºC e 1atm (kJ/g)

Poder Calorífico Inferior, a 25ºC e 1atm (kJ/g) Hidrogénio 141,86 119,93 Metano 55,53 50,02 Propano 50,36 45,60 Gasolina 47,50 44,50 Gasóleo 44,80 42,50 Gás Natural 42,5 38,1 Carvão 34,1 33,3 Metanol 19,96 18,05

O hidrogénio é o combustível com mais energia por unidade de peso, ou seja, a energia libertada pelo hidrogénio é cerca de 2,5 vezes superior à dos outros combustíveis, o que significa que para fornecer a mesma quantidade de energia é necessário menos massa de hidrogénio.

Como foi dito anteriormente, o hidrogénio está sempre associado a outros elementos, por isso para ser obtido é necessário fornecer energia para a sua dissociação, razão pela qual não é tratado como uma fonte de energia, mas como um vector energético.

O grande problema do hidrogénio reside no seu transporte e armazenamento, porque apesar de apresentar um elevado poder energético por unidade de massa, em condições PTN está no estado gasoso, e o seu valor energético por unidade de volume é muito baixo, por isso é necessário armazená-lo a elevadas pressões, ou mantê-lo no estado liquido, para que seja armazenada uma quantidade significativa deste composto.

O hidrogénio não é considerado nem mais e nem menos perigoso que os outros combustíveis. É um gás incolor, inodoro e sem sabor, não sendo perceptível através dos

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Capitulo 2 – Hidrogénio

sentidos aos humanos, felizmente não se trata de um gás venenoso. Apesar de quando presente numa concentração igual ou superior a 30%, a sua inalação poder resultar em asfixia por substituição do oxigénio do ar.

O hidrogénio é considerado como um combustível muito inflamável e explosivo no ar, pelo facto de necessitar de quantidades de energia muito baixas para a sua ignição, 0,019mJ, cerca de 1/10 da do propano. O hidrogénio, sendo um gás muito leve devido à sua baixa densidade, de 84 g/m3a 15 ºC e 1 bar, e com moléculas de dimensões muito pequenas, pode resultar facilmente numa fuga através de materiais fundidos ou com fissuras finas.

Uma fuga de hidrogénio dispersar-se-á rapidamente subindo no ar, assim como, uma chama de hidrogénio também subirá em lugar de se espalhar horizontalmente. No entanto, caso o processo de queima ocorrer num espaço fechado, devido ao calor resultante, há um rápido aumento de pressão que pode ser muito destrutivo.

O hidrogénio líquido, devido à sua baixa temperatura, apresenta uma capacidade de reagir com o oxigénio ligeiramente mais reduzida. A sua baixa temperatura, pode resultar em fissuras de materiais, como a borracha, plásticos, aço e carbono, comprometendo a ductilidade destes materiais.

O hidrogénio criogénico no estado líquido ou gasoso (após evaporado) pode causar queimaduras criogénicas por contacto com a pele.

Não representa um risco para o meio ambiente, não afectando a camada de ozono e não contribuindo para o efeito de estufa, pois os gases libertados na sua combustão não contêm qualquer CO2 ou fuligem.

Apesar das vantagens que o hidrogénio apresenta em termos ambientais e energéticos, a evolução na implementação do hidrogénio têm se vindo a verificar mais lentamente do que nas energias renováveis.

No entanto tem se denotado nos últimos anos um maior interesse e investimento no Hidrogénio, com o objectivo de produzir energia.

No ano de 2007, a Comissão Europeia adoptou 2 propostas, a constituição da iniciativa

“Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative” (JTI), um programa de

investigação, desenvolvimento tecnológico e demonstração, e a introdução no mercado de alguns carros movidos a hidrogénio.

Em 2008, a Comissão Europeia recebe apoio do Parlamento Europeu na proposta de simplificação da aprovação de veículos movidos a hidrogénio.

Em 2009, foram disponibilizados cerca de 140 milhões de euros, dos quais 71,3 milhões de euros foram disponibilizados pela Comissão e igualados em valor pelos parceiros industriais, para 29 projectos com o objectivo de colocar 2 a 5 anos mais cedo a tecnologia das células de combustível e hidrogénio.

O ano de 2009 terminou em grande com a 15ª Conferência das Partes sobre o Clima (COP-15), em Copenhaga. Esta conferência iniciou-se com veículos movidos a hidrogénio do projecto HyRaMP, que contou com a colaboração de 30 municípios e regiões europeias

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para a promoção do hidrogénio. Registaram-se empresas de peso como a Air liquide, Honda, Horizon, Peugeot com medidas energéticas com base no hidrogénio.

2.1. Produção de Hidrogénio

A produção de hidrogénio pode ser feita de diversas formas e através de variadas fontes, consoante a quantidade e o grau de pureza desejados.

Os processos de produção podem ser químicos, físicos e biotecnológicos. Os processos químicos são Feedstocks, Reformação, Oxidação parcial de gás natural e Gaseificação de carvão; os físicos são Electrólise, Termólise, Plasmólise, Magnetólise e Foto-electroquímico; os biotecnológicos são: Pirólise e Gaseificação de biomassa, Digestão anaeróbica, Fermentação e Bio-fotólise (Figura 2.1).

Figura 2.1 - Processos de produção de Hidrogénio.

(Hydrogen Production and Storage, 2006)

Segue-se uma breve descrição destes processos, à excepção do processo de electrólise que será abordado em capítulo posterior em maior detalhe.

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2.1.1. Reformação

A produção de hidrogénio a partir do processo de Reformação (“Reforming” )consiste na conversão de hidrocarbonetos leves, como o metano e a gasolina, pela exposição ao vapor de água em gases. Este processo é o mais utilizado pelo seu elevado rendimento de 65-85%.

O processo de Reformação ou de Reforma a vapor do metano, principal constituinte do gás natural e biogás (produzido por fermentação e digestão anaeróbia), apresenta duas etapas. Na 1ª etapa, é utilizado vapor a altas temperaturas, entre 700 - 1000°C, que vai reagir com o composto para produzir hidrogénio.

Na 2ª etapa, designada por "water-gas shift reaction", o monóxido de carbono e o vapor produzem mais hidrogénio e dióxido de carbono.

2.1.2. Oxidação parcial

A produção de hidrogénio a partir do processo de Oxidação parcial consiste na conversão de hidrocarbonetos pesados, como o petróleo e o carvão. Por serem dificilmente volatilizáveis, devem ser parcialmente oxidados para depois serem volatilizados na presença de vapor de água.

A produção de hidrogénio a partir de petróleo consiste num processo de oxidação parcial dos hidrocarbonetos que o constituem, sendo aquecido até os 1400°C, seguindo-se uma reacção de "water-gas shift reaction".

A partir do carvão, assim como da biomassa, necessita de um pré-tratamento, processo de gaseificação pelo facto de se tratar de um combustível sólido, e em seguida, o gás sintético obtido neste processo sofrerá uma oxidação parcial como a efectuada no petróleo. O rendimento do processo de oxidação parcial é da ordem dos 50%, para centrais de grande dimensão.

2.1.3. Pirólise da biomassa

A produção de hidrogénio a partir de biomassa pode também ser efectuada através da pirólise da biomassa, que consiste na quebra das ligações moleculares constituintes da biomassa por acção do calor (500-600ºC), sem a intervenção de ar ou outro reagente. Este processo extrai os álcoois presentes na biomassa, que após sujeitos a um processo de reforma a vapor produzem hidrogénio.

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2.1.4. Bio-fotólise

A produção de hidrogénio pode ser efectuada por bio-fotólise, processos biológicos realizados por intermédio de algas e bactérias.

Com o recurso de sistemas catalíticos e de engenharia o rendimento do processo biológico de produção de hidrogénio pode atingir um rendimento de 24%. (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.).

A produção de hidrogénio por bio-fotólise pode ser efectuada a partir de algas verdes, que consiste na existência de uma enzima hidrogenante reversível que produz hidrogénio através de protões em condições anaeróbicas. De microalgas, que utilizam o N2 e CO2 atmosféricos como fontes de azoto e carbono, água como fonte de electrões e poder redutor, e a luz como fonte de energia. E a partir de bactérias, fotossintéticas através das enzimas nitrogenase e hidrogenase em que é necessária iluminação, uma atmosfera inerte e anaeróbica, ou fermentativas em que as hidrogenases, presentes nestas bactérias, produzem hidrogénio por forma a eliminar o excesso de electrões gerados durante a degradação de um substracto orgânico.

2.1.5. Termólise

A termólise consiste na decomposição da água em hidrogénio e oxigénio, através do fornecimento de energia térmica, quer de uma forma directa quer através de diferentes reacções químicas (brometo ou iodeto).

A eficiência teórica da termólise simples é de 64%, para uma temperatura de 2500 K e uma pressão de 1 bar.

Este processo pode ser efectuado em centrais solares, cuja energia térmica é fornecida por meio de colectores solares, de forma a maximizar a energia solar térmica, e em centrais nucleares, através da energia térmica produzida numa central deste tipo (1573K) e do líquido de refrigeração.

2.1.6. Foto-electrólise

Fotólise da água ou foto-electrólise, é um processo de produção de hidrogénio que consiste na conversão de luz solar directa em H2.

A foto-electrólise consiste numa electrólise através do uso directo da radiação solar, na conversão da luz em corrente eléctrica e então a transformação duma entidade química (H2O, H2S, etc.) em energia química utilizável (H2). Para este processo é necessário o uso

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de uma célula foto-electroquímica para realizar as várias reacções foto-eléctricas, sendo esta célula composta por um dispositivo semicondutor que absorve a energia solar e gera a corrente necessária para separar as moléculas da água.

2.1.7. Plasmólise, Magnetólise e processo “Mechano-catalytic”

A plasmólise, magnetólise e o processo “Mechano-catalytic são processos de decomposição da água, podendo ser considerados como casos particulares da electrólise.

A plasmólise consiste numa electrólise cuja água é um plasma, criado através dum campo eléctrico de baixa frequência (8,1Hz). No geral, o processo envolve a pulverização de água ou a passagem de vapor de água num plasma produzido em um reactor e na recolha dos produtos, como o hidrogénio, à saída. Pode atingir eficiências na ordem dos 2,9%.

A magnetólise é uma electrólise em que a d.d.p. eléctrica necessária é criada no interior do electrolisador por indução magnética.

A produção de hidrogénio pelo processo “Mechano-catalytic” consiste na decomposição de água destilada quando certos óxidos em pó são dispersados nesta e agitados através duma barra de agitação magnética. A eficiência deste processo pode atingir os 4,3%.

2.1.8. Outros processos

A produção de hidrogénio pode ser realizada através de reacções de metais como o alumínio com água de cal (hidróxido de cálcio), ou com hidróxido de sódio. Ou pela acção de ácido sulfúrico o clorídrico como ferro ou zinco (ex: H2SO4(aq) + Zn → ZnSO4(aq) + H2).

O hidrogénio pode ainda ser produzido pelo aquecimento de hidretos (MHx + calor →M + x/2 H2) e pela decomposição térmica de amoníaco ( 2NH3 + catalizador → N2+ 3H2).

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Primário

Processo Fonte Energia Outro

Térmico

Reformação a Vapor

Gás natural Calor Rendimento de

70%.

Termólise Água Calor

(temperaturas elevadas). Sem emissões. Gasificação Carvão, Biomassa Vapor e Oxigénio (temperatura e pressão elevadas). Algumas emissões.

Pirólise Biomassa Vapor

(Temperatura média-alta).

Algumas emissões.

Electroquí mico

Electrólise Água Electricidade Algumas emissões (depende da fonte de produção de electricidade) Foto-electrólise Água Radiação solar

directa.

Baixas emissões

Biológico

Bio-fotólise Água, algas e bactérias Radiação solar directa Sem emissões. Digestão anaeróbia Biomassa Vapor (temperaturas elevadas) NOVO (a desenvolver) Fermentação/ Microrganismos Biomassa Vapor (temperaturas elevadas) NOVO (a desenvolver)

2.2. Transporte e Armazenamento

Cerca de 83% do hidrogénio é produzido no local de consumo, não sendo necessário o seu transporte, evitando-se assim o alto custo e ineficiência associados a este.

Os restantes 17% do hidrogénio produzido necessita de ser transportado, sendo este transporte efectuado essencialmente por “pipelines”, garrafas e tanques.

O hidrogénio ao ser transportado no estado gasoso por “pipelines”, usa uma rede de tubagens idêntica às utilizadas para transporte de gás natural, e necessita que seja bombeado três vezes mais volume de hidrogénio para se conseguir a mesma quantidade de energia.

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Sob a forma gasosa o hidrogénio também pode ser transportado em cilindros e reboques com tanques próprios para o efeito, podendo ser utilizados camiões, vagões e barcos. Para o transporte de hidrogénio a grandes distâncias, este é efectuado sob a forma líquida através de camiões, barcos e vagões, evaporando-se no local de uso. Estes meios de transporte devem conter tanques refrigerados com bons isolamentos para que o hidrogénio se mantenha frio e se evite a passagem deste do estado líquido para o estado gasoso.

Ao nível de armazenamento, as tecnologias actuais permitem armazenar grandes quantidades de hidrogénio de três formas: como gás comprimido a elevadas pressões, como hidrogénio líquido a baixas temperaturas (-253ºC) ou dissolvido em substâncias sólidas. O armazenamento de hidrogénio no estado gasoso é efectuado pela sua compressão, é usado normalmente em frotas de autocarros e em unidades de pilhas de combustível usadas nas habitações.

Esta forma de armazenamento é efectuada em cilindros (botijas) ou tanques sobre pressão, sendo um método de armazenamento directo amplamente usado quando são necessárias pequenas quantidades de gás ou quando não existe problemas de espaço.

A pressão de compressão do hidrogénio ronda os 200-250 bar para tanques de armazenamento de 50 litros, podendo atingir os 500-600 bar para utilização em larga escala (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.).

O armazenamento de hidrogénio no estado líquido tem a particularidade de ser bastante mais caro pelo facto de ser necessária bastante energia para mantê-lo sob pressão e a uma temperatura muito baixa (inferior a –253ºC), e de ser menos eficiente energeticamente, pois cerca de 40% da energia contida no hidrogénio pode ser perdida nos transvases.

O armazenamento de hidrogénio no estado líquido permite o armazenamento de grandes quantidades de energia em espaços pequenos, o que é ideal para automóveis e aviões pois os tanques podem ser pequenos e leves.

O armazenamento do hidrogénio pode ainda ser feito no estado sólido por absorção em um metal ou por formação de um hidreto de metal. Este método consiste na combinação de vários tipos de metais, com alguma percentagem de pureza ou puros, com o hidrogénio (sob alguma pressão), ao qual corresponde a equação geral (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.):

M + H2 MH2 equilibrio

Existe também a possibilidade de absorção de moléculas de hidrogénio em carbonos activos, que consiste essencialmente na ligação do carbono com átomos de hidrogénio. O carbono absorve o hidrogénio de -185 a -85ºC e de 21 a 48 bar, aumentando

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a quantidade absorvida a temperaturas mais baixas, sendo necessário aquecê-lo a 150ºC para libertar o hidrogénio(dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.).

Assim como, o uso de hidretos alcalinos que envolve a utilização do hidróxido de sódio, potássio ou componentes de lítio, que em contacto com água libertam hidrogénio sem ser necessária a adição externa de calor (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.).

Outras formas de armazenamento de hidrogénio são as microesferas, e os nanotubos. As primeiras, respectivamente, são esferas de vidro muito pequenas que podem armazenar o hidrogénio a pressões elevadas.

Consistindo este processo na introdução de hidrogénio a temperaturas elevadas nas esferas de vidro, mantendo-se no seus interior com o abaixamento da temperatura, sendo necessário fornecer novamente calor para este ser libertado.

Os nanotubos consistem num sólido cristalino constituído por tubos muito pequenos de carbono que armazenam hidrogénio debaixo de pressão, este processo ainda se encontra em estudo.

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Capitulo 3 – Produção de Hidrogénio via Electrólise

Capitulo 3 –

Produção de Hidrogénio via Electrólise

Dos vários processos de produção de hidrogénio destaca-se o processo de electrólise da água, o qual é focado neste estudo.

Trata-se do processo mais conhecido de produção de hidrogénio e que apresenta maior rendimento.

3.1. Descrição do Processo

A electrólise consiste na utilização de energia eléctrica de forma a forçar a ocorrência de uma reacção de “decomposição” da água, reacção essa que não é espontânea.

A reacção consiste na quebra das ligações O-H das moléculas de água, para a qual é necessária uma energia mínima de 1,229 eV, nas condições PTN (a uma temperatura de 25°C e a uma pressão de 1 bar).

Essa reacção é definida pela equação:

H2O(l) H+(aq) + OH-(aq)

Assim, à passagem de corrente, os iões H+ transportam a carga eléctrica através da solução, formando um campo magnético. Os iões positivos (H+) são atraídos para o cátodo (eléctrodo negativo) e os iões negativos (OH-) são atraídos para o ânodo (eléctrodo positivo).

No cátodo, verifica-se a transferência de electrões para os iões H+ ficando este com carga nula. Devido à sua instabilidade, estes átomos ligam-se entre si formando moléculas de gás hidrogénio (H2) (Quadro 3.1).

No ânodo, verifica-se a captação dos electrões em excesso dos iões negativos (OH-) mais próximos, obtendo-se oxigénio na forma de gás.

Estas reacções que se verificam ao nível dos electrodos podem ser definidas por:

Quadro 3.1 - Reacções químicas verificadas ao nível dos electrodos.

Reacções

No cátodo: 2H+ + 2e- H2

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No entanto, o comportamento dos iões produzidos no processo de electrólise pode ser resumido pela equação e imagem que se seguem (Figura 3.1):

H2O(l) ½ O2(g) + H2(g)

Figura 3.1 - Esquema resumido do processo de electrólise.

( H2 - A economia do Hidrogénio)

Para a reacção de electrólise da água, para valores padrão de Pressão = 1 atm e Temperatura = 25ºC = 298 K, o valor de variação de entalpia é de +286 kJ/mol.

A reacção de electrólise apresenta um valor de ∆H > 0, o que significa que a reacção é endotérmica, e que a energia absorvida durante a reacção é superior à libertada.

O diagrama que se segue representa o ciclo de produção de hidrogénio a partir energia eléctrica no processo de electrólise e do seu consumo para a produção de energia eléctrica (Figura 3.1).

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Capitulo 3 – Produção de Hidrogénio via Electrólise

Encontra-se de forma resumida a descrição do processo de electrólise, em que no electrolisador entra energia eléctrica e água, saindo oxigénio e hidrogénio.

Estes dois gases serão usados na pilha de combustível, originando a produção de energia eléctrica e de água.

3.2. Tecnologia da electrólise

A tecnologia da electrólise pode ser de 3 tipos: alcalina, membrana de troca de protões (PEM – “Proton Exchange Membrane”) e células de electrólise de óxido sólido (SOEC –

“solid oxide electrolysis cells”).

A tecnologia mais utilizada é a de electrolisadores alcalinos, devido aos custos reduzidos de investimento. No entanto, apresenta uma baixa eficiência e altos custos energéticos (Quadro 3.2).

A tecnologia SOEC é a que corresponde a uma eficiência mais elevada, mas é menos utilizada devido aos obstáculos relacionados com o equipamento.

Entre estas duas tecnologias encontra-se a tecnologia PEM, que corresponde a uma eficiência mais elevada que nos sistemas alcalinos e sem os problemas associados aos sistemas SOEC.

Quadro 3.2 - Eficiência dos sistemas de electrólise.

Sistemas de electrólise Eficiências (%) [2]

Alcalina 50 - 60

PEM 55 - 70

SOEC 85 - 90

A nível comercial, os electrolisadores de baixa temperatura apresentam eficiências na ordem de 56-73% (70,1-53,4 kWh/kg H2 a 1 atm e 25°C) (Lipor; Relatório de sustentabilidade 2005).

A tecnologia PEM consiste numa célula electrolítica sólida, o electrólito usado corresponde a uma membrana polímera ácida.

ânodo: H2O → 1/2O2 + 2 H+ + 2e– cátodo: 2H+ + 2e– → H2

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As principais vantagens deste tipo de tecnologia comparativamente à tecnologia alcalina são: um maior rendimento, uma maior segurança resultante da não utilização de um electrólito de KOH, pressões de funcionamento maiores.

3.3. Electrólise Termicamente Assistida

O processo da electrólise não apresenta um rendimento de 100%, como tal a totalidade da energia eléctrica utilizada no processo não produz hidrogénio. Parte da energia eléctrica utilizada no processo é perdida sob a forma de calor.

Considerando a termodinâmica, a electrólise é mais vantajosa com água em temperaturas altas (800-1000ºC) por a energia introduzida ser um misto de electricidade e calor (Ai-Quoc Pham, 1999). A introdução de energia calorífica, através do aumento de temperatura da água, acelera as reacções cinéticas, reduzindo a perda de energia devido à polarização dos eléctrodos, aumentando a eficiência global do sistema. A electrólise termicamente assistida deverá apresentar uma maior eficiência que a electrólise convencional, visto que utiliza além da corrente eléctrica uma fonte de calor externa (Ryland, D.K. et al, 2007).

De forma a aumentar o rendimento do processo foi efectuada uma electrólise termicamente assistida por um colector solar.

Neste estudo, a água não se encontra dentro dos valores de temperatura acima indicados especialmente devido a limitações do equipamento, mas também pela aplicação que se pretende dar, doméstica.

3.3.1. Colectores Solares

Os colectores solares são dispositivos de aproveitamento da energia calorífica da radiação solar para aquecimento de águas.

Um colector é composto por uma superfície absorsora, um fluído térmico e um circuito que permite transferências térmicas e transporta a energia calorífica.

O rendimento de um colector pode depender de vários factores, da radiação solar que sobre ele incide, da sua área, a sua orientação em relação ao sol, nebulosidade.

Os colectores solares podem ser de 3 tipos: colectores planos, colectores concentradores e colectores de tubos de vácuo.

Os colectores solares planos são os mais comuns, são compostos por uma cobertura transparente de vidro ou plástico, uma caixa plana revestida por um isolamento e uma placa absorsora.