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Jornal iTEIA

06.01.2013 - 00h44

Fonte de energias práticas e Alternativas nao poluentes II

energia limpa

Tatiana Navarro

Metanol
O metanol é um líquido incolor, com peso molecular igual a 32,04, possuindo um odor suave na temperatura ambiente. Sua fórmula molecular é CH3OH. Atualmente, o metanol é uma das matérias-primas mais consumidas na indústria química. Já foi conhecido como álcool da madeira, devido a sua obtenção comercial a partir da destilação destrutiva da madeira.
A maior utilização do metanol atualmente está na produção de formaldeído, metil-tert-butil-éter (MTBE) – aditivo para a gasolina e que está sendo banido aos poucos nos EUA – e como combustível puro ou em mistura com gasolina para automóveis leves.
A tecnologia conhecida como metanol direto (DMFC) é uma variação da tecnologia PEMFC no qual faz uso do metanol diretamente sem a necessidade de reforma do combustível para se ter o hidrogênio puro. O metanol é convertido em dióxido de carbono e hidrogênio no ânodo. O hidrogênio se quebra em prótons e elétrons. Os prótons atravessam a membrana até reagir com o oxigênio para formar água, seguindo o mesmo padrão de reação numa típica célula a combustível PEMFC.
A maioria das CaCs são alimentadas por hidrogênio, o qual pode ser adicionado diretamente ou ser extraído a partir de um combustível no próprio sistema CaC através da reforma de uma fonte de hidrogênio tal como o metanol, o etanol, e hidrocarbonetos, como o gás natural e gasolina. As células a combustível de Metanol Direto (DMFC), entretanto, são alimentadas por metanol, o qual é misturado ao vapor e então ao ânodo (eletrodo negativo) da célula a combustível.
As células a combustível DMFC não tem muitos dos problemas de armazenamento típicos de outras tecnologias, pois o metanol tem uma densidade de potência maior que a do hidrogênio – embora menor que a da gasolina ou diesel. O metanol também é mais fácil de transportar e fornecer para o mercado, pois pode utilizar a corrente infra-estrutura por ser um combustível líquido, como a gasolina.
Estas células operam na temperatura de 120-130°C, o qual é um pouco maior que a temperatura padrão de uma PEMFC (80°C), e atinge uma eficiência de aproximadamente 40%. A desvantagem é que a baixa temperatura de conversão do metanol para hidrogênio e dióxido de carbono precisa de uma quantidade maior de platina como catalisador do que na PEMFC convencional, o que aumenta o custo da célula a combustível. O aumento no custo é, entretanto, compensado pela praticidade de utilizar um combustível líquido e de não necessitar de um reformador. A tecnologia existente nas DMFCs ainda está em início de desenvolvimento mas já têm demonstrado sucesso em aplicações em telefones celulares e laptops, mercados potenciais para esta tecnologia.
As principais propriedades físicas do Metanol estão abaixo:
»Densidade
(20/4 °C) máx: 0,7932
» Ponto inicial de ebulição
760mm Hg, °C: 64,4+ - 0,1
» Faixa de destilação
760mm Hg, °C máx: 1,0 incluindo, 64,4+ - 0,1
» Limite de inflamabilidade inferior
% vol 6,7
»Limite de inflamabilidade superior
% vol: 36,5
»Calor de combustão
cal/g, gas.,25 °C: 5683
»Calor de combustão
cal/g, liq.,25 °C: 5420
»Calor de fusão
cal/g: 0,76
»Calor de vaporização
cal/g (ponto normal de ebulição): 262,8
»Ponto de congelamento
°C: -97,8
»Índice de refração
n20: 1,32863
»Calor específico do líquido
cal/g/°C a 20°C: 0,599
»Pressão crítica
Atm: 78,7
»Temperatura crítica
°C: 240,0
»Temperatura de auto-ignição
°C: 470
»Coeficiente de expansão cúbica
por °C a 55°C: 1,24 x 103
»Constante dielétrica
mhos, 25°C: 32,63
»Pressão de Vapor
mm Hg, 20°C: 96,0
»Solubilidade em água, álcool ou éter completa



Água
A água deverá ser uma das principais fontes de hidrogênio no futuro. Companhias de energia no Brasil estão começando a pesquisar a viabilidade econômica de se produzir hidrogênio a partir da água utilizando os reservatórios das grandes usinas hidrelétricas brasileiras. A idéia é produzir durante a madrugada, período em que a demanda por energia é baixa e de menor custo.
Para extrair o hidrogênio da molécula de água (H2O), utiliza-se o método por eletrólise. A eletrólise faz uso da eletricidade para romper a água em átomos de hidrogênio e oxigênio, passando por ela uma corrente elétrica. Este processo existe há mais de 100 anos. Seu funcionamento consiste de dois eletrodos, um negativo (ânodo) e outro positivo (cátodo) que são submersos em água pura, à qual se deu maior condutibilidade pela aplicação de um eletrólito, tal como um sal, melhorando a eficiência do processo.
As cargas elétricas da corrente quebram as ligações químicas entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio e separa os componentes atômicos, criando partículas carregadas (íons). Os íons se formam em dois pólos: o anodo, polarizado positivamente, e o catodo, polarizado negativamente. O hidrogênio se concentra no cátodo e o anodo atrai o oxigênio. Uma tensão de 1,24V é necessária para separar os átomos de oxigênio e de hidrogênio em água pura a uma temperatura de 25ºC e uma pressão de 1,03Kg/cm2. A tensão necessária para quebrar a molécula de água varia conforme a pressão ou a temperatura são alteradas. Visualmente, o hidrogênio borbulha em direção ao eletrodo de carga negativa (anodo), e o oxigênio rumo ao eletrodo de carga positiva (cátodo). A menor quantidade de eletricidade necessária pra eletrolisar um mol de água é de 65,3 Watts-hora (25ºC). A produção de um metro cúbico de hidrogênio requer 0,14 kilowatts-hora (kWh) de energia elétrica (ou 4,8kWh por metro cúbico).
A eletrólise não tem sido muito utilizada porque os custos da eletricidade usada no processo impedem que ela concorra com o processo de reforma a vapor do gás natural e futuramente com o de etanol. A eletricidade pode custar de três a quatro vezes mais que o gás natural reformado a vapor. À medida que o gás natural for ficando mais escasso e caro, provavelmente a eletrólise ficará competitiva. No Brasil, pode-se aproveitar os reservatórios das hidroelétricas e produzir hidrogênio nos horários fora de pico e mais baratos, como durante a madrugada. Se os custos das células fotovoltaicas, de geração eólica, hídrica e geotérmica, todas estas formas de energia renováveis e livres de carbono, diminuírem, a eletrólise através destes métodos será uma opção também atrativa.

Biomassa
A biomassa oferece as melhores perspectivas entre todas as fontes de energia renováveis e como fonte de hidrogênio, seja produzindo álcool (etanol), metanol ou metano (CH4). A cana-de-açúcar, o milho, as florestas cultivadas, soja, dendê, girassol, colza, mandioca, palha de arroz, lascas ou serragem de madeira, dejetos de criação animal, são bons exemplos de biomassa. Seu valor energético é alto, pois uma tonelada de matéria seca gera 19 GJ. Um hectare de cana-de-açúcar produz 980 GJ e a mesma área reflorestada gera 400 GJ.

Metano de Estação de Tratamento de Água e Esgoto
O metano (CH4) é um componente do "biogás", produzido por bactérias anaeróbias. Estas bactérias são encontradas em grande quantidade no meio ambiente. Elas quebram, ou digerem, matéria orgânica na ausência de oxigênio e produzem o "biogás" como resíduo metabólico. Exemplos de fontes de biogás incluem os aterros sanitários, o esterco de gado ou porcos e as estações de tratamento de águas e esgotos. O metano também é o principal componente do gás natural produzido por bactérias anaeróbias há milhões de anos atrás.



Algas e Bactérias
Os processos biológicos e fotobiológicos através de enzimas utilizam algas e bactérias para produzir hidrogênio. Sob condições específicas, os pigmentos em certos tipos de algas absorve energia solar. As enzimas na célula de energia agem como catalisadores para decompor as moléculas de água. Algumas bactérias também são capazes de produzir hidrogênio, mas diferentemente das algas necessitam de substratos para seu crescimento. Os organismos não apenas produzem hidrogênio, mas também podem limpar poluição ambiental.
Sabe-se de longa data que as algas produzem pequenas quantidades de hidrogênio, mas até recentemente os cientistas não haviam encontrado um método factível para aumentar esta produção. Cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley, e o Laboratório Nacional de Energia Renovável encontraram uma solução. Após permitir que a cultura de algas crescesse sob condições normais, os pesquisadores privaram-nas de enxofre e oxigênio. Após muitos dias gerando hidrogênio, a cultura de algas foi colocada novamente sob condições normais por alguns poucos dias, permitindo assim que armazenassem mais energia. O processo pode ser repetido várias vezes. A produção de hidrogênio por algas pode eventualmente promover um meio prático e de baixo custo para a conversão de luz solar em hidrogênio.
A gasolina e o diesel também podem ser utilizados para produzir hidrogênio para as células a combustível, mas são mais inconvenientes por terem uma estrutura com diversas moléculas. A única vantagem seria o aproveitamento da sua infra-estrutura estabelecida em postos servindo como transição para o modelo de postos a hidrogênio no futuro. Mas a tendência deverá ser o aproveitamento da infra-estrutura estabelecida pelo álcool (etanol).
Se o primeiro desafio da tecnologia do hidrogênio é a sua produção, o segundo é como armazená-lo; um dos principais obstáculos para o estabelecimento da infra-estrutura para a tecnologia do hidrogênio. Além da questão de segurança, a capacidade de armazenamento é importante, pois define a autonomia dos veículos. O mesmo se aplica para as aplicações portáteis, estacionárias e espaciais.
O hidrogênio tem a menor densidade no estado gasoso e o segundo ponto de ebulição de todas as substâncias conhecidas, fazendo com que se tenha dificuldades para armazená-lo no estado gasoso ou líquido. Quando em forma de gás, necessita de um sistema de armazenamento de grande volume e pressão, e quando no estado líquido, precisa que o seu armazenamento utilize sistemas criogênicos, ou seja, em baixíssima temperatura (-253°C).
A baixa densidade do hidrogênio seja no estado líquido ou gasoso, também resulta numa baixa densidade de energia. Por isso, um certo volume de hidrogênio contém menos energia que o mesmo volume de qualquer combustível em condições normais de temperatura e pressão. Isto faz com que o volume ou a pressão do tanque aumente, pois uma certa quantidade de hidrogênio é necessária para que um veículo atinja uma boa autonomia. A vantagem de se utilizar numa célula a combustível é a alta eficiência desta tecnologia com relação aos motores à combustão interna, precisando de menos combustível para atingir o mesmo resultado.
Classe A com corte mostrando o tanque e a célula.
Apesar de sua baixa densidade de energia volumétrica, o hidrogênio tem a maior relação energia-peso que qualquer outro combustível. Infelizmente, esta vantagem é usualmente ofuscada pelo alto peso do tanque de armazenamento e equipamentos associados, fazendo com que muitas vezes seja maior e mais pesado que aqueles utilizados para armazenar gasolina, diesel ou álcool. Mas já há projetos que utilizam materiais de carbono ultra-resistentes e mais leves para estes propósitos.
Para aplicações práticas, o hidrogênio pode ser armazenado em alta pressão, no estado líquido em contêineres criogênicos, ou quimicamente ligados a certos metais (hidretos metálicos). O volume e o peso dos sistemas estão cada vez mais próximos quando comparados ao armazenamento de gasolina, metanol, etanol, gás natural e baterias convencionais, cada um contendo a mesma quantidade de energia.
Existem atualmente cinco meios principais de se armazenar o hidrogênio. Uma das mais pesquisadas no Brasil é através de hidretos metálicos, onde o hidrogênio é absorvido por metais. Esta tecnologia vem sendo pesquisada pelo Laboratório de Hidrogênio do COPPE/UFRJ. O instituto de pesquisa do hidrogênio é uma referência da tecnologia do hidrogênio no Brasil e no mundo, e vem pesquisando o armazenamento do combustível em hidretos metálicos com apoio da Renault, CNPq e FAPERJ.

Além do armazenamento em materiais sólidos, há pesquisas para compressão de hidrogênio em cilindros que suportem altíssimas pressões. O objetivo das montadoras de automóveis é atingir pressões internas de até 10.000 psi, pelo menos. Algumas já conseguiram, mas o nível de segurança deve ser altamente confiável. Por isso, a maioria dos protótipos são de 5.000 psi.

As cinco principais formas de se armazenar hidrogênio são:
»Reservatórios de Gás Hidrogênio Comprimido;
»Reservatórios para Hidrogênio Líquido;
»Hidretos Metálicos;
»Adsorção de Carbono;
»Micro-esferas.

Vejamos abaixo as principais características das opções de armazenamento de hidrogênio.
Reservatório de Gás Hidrogênio Comprimido:
Sistemas de armazenamento de gás em alta pressão são os mais comuns e desenvolvidos para armazenamento de hidrogênio. A maioria dos veículos movidos por células a combustível utilizam esta forma de armazenamento feito em cilindros, de forma similar aos utilizados com gás natural comprimido.
Nas seções cilíndricas, o formato parece com domos hemisféricos, embora novos formatos estejam em desenvolvimento, com múltiplos cilindros e outros formatos buscando aproveitar espaços disponíveis nos automóveis, aumentando a quantidade de hidrogênio armazenado, seja por aumento de volume, ou por maior compressão.
Buscando minimizar o volume e ao mesmo tempo maximizar a quantidade de hidrogênio armazenado, os fabricantes de cilindros estão tentando atingir as maiores pressões possíveis. Cilindros de alta pressão normalmente armazenam hidrogênio com pressão de 3.600 psi (250 bar) embora novos desenhos já tenham conseguido certificação para operar com 5000 psi (350 bar). O estado da arte da tecnologia atualmente em desenvolvimento já superou o teste padrão de explosão para 23.500 psi (1620 bar) utilizando um cilindro de 10.000 psi (700 bar).
Os cilindros devem ser feitos com placas finas, utilizando materiais altamente resistentes e de excelente durabilidade. Estão classificados basicamente em 4 tipos de acordo com o material utilizado.
»Tipo1: Podem ser feitos totalmente de alumínio ou aço;
»Tipo 2: Camada fina de alumínio ou aço envolto por outro composto – geralmente fibras de carbono - em forma de circunferência;
» Tipo 3: Fina camada de aço ou alumínio envolto totalmente por outros compostos como fibras de carbono;
» Tipo 4: Uma camada de plástico resistente envolto por outro composto também resistente.
Em geral, quanto menos metal for usado, mais leve será o cilindro. Por esta razão, os cilindros com fina camada de aço ou alumínio e com alta resistência, tal como o Tipo 3, são mais usados para aplicações com hidrogênio. Os cilindros do Tipo 4 ganharão mais espaço no futuro.
Os cilindros do Tipo 3 utilizam finas camadas de aço ou alumínio intercaladas e envoltas por fibras de carbono, utilizando resinas como o epóxy para colá-las.
A combinação de fibras e resina para envolver as camadas metálicas possibilita uma alta resistência, e diferentemente dos metais, são menos corrosivos, embora possam sofrer danificações devido a impactos, cortes, abrasão, etc.
Um detalhe importante é com relação à temperatura em ambientes quentes, ou devido ao resultado de compressão durante o abastecimento do cilindro, o que faz com que a pressão aumente em 10% ou mais. Qualquer gás armazenado nestas pressões é extremamente perigoso e capaz de liberar um fluxo de gás com força explosiva ou capaz de impulsionar um pequeno objeto na velocidade de uma bala.
Apesar do perigo em potencial, os cilindros de alta pressão têm uma estatística de segurança excelente.
Durante a fabricação, cada cilindro passa por testes de hidrostática e vazamentos, e uma determinada quantidade de cilindros de cada lote são selecionados aleatoriamente para testes cíclicos e de explosão. Os cilindros carregam informações como a marca do fabricante, o padrão de construção, número serial, pressão para uso, máxima pressão de abastecimento, e tempo de validade. Os cilindros têm uma vida útil de aproximadamente 15 anos ou 11.250 abastecimentos. Mas deve-se sempre fazer inspeções e testes de vazamentos como parte de uma rotina de manutenção.
Um veículo com cilindro de hidrogênio utiliza uma série de cilindros montados num compartimento em comum. Na pressão de 3600 psi (250 bar), o sistema de armazenamento pesa aproximadamente quatro vezes mais que o do sistema de armazenamento de hidrogênio líquido e também ocupa um espaço quatro vezes maior. Quando comparado com gasolina, o sistema de armazenamento do gás é cerca de 15 vezes maior em volume e 23 vezes mais pesado. Esses são valores médios e atuais. Em breve, já teremos estas desvantagens minimizadas.
A compressão de gás é um processo de uso intensivo de energia. Quanto maior a pressão final, maior a quantidade de energia que é requerida. Entretanto, a energia incrementada cada vez que se aumenta a pressão final diminui. Assim, o início da compressão é a parte do processo que mais faz uso de energia.

Publicado por: CERHTO em 06.01.2013 às 00h33
Tags: educação ambiental
Canais: Educação

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