Aula_15_-_H2_no_contexto_mundial

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 
INSTITUTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
EEN 603 - BIOCOMBUSTÍVEIS 
 
 
 
 
 
H2 no contexto energético mundial 
 
 
 
 
 
 
 
Autor: Prof. Dr. Christian Jeremi Coronado Rodriguez 
 
 
 
 
 
Itajubá - MG, novembro de 2023 
 
 
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1. O Hidrogênio. 
 
 
 O H2 é o primeiro elemento da tabela periódica 
 Elemento químico mais ligeiro. Átomo formado por um próton e um elétron e é 
estável em forma de molécula diatómica (H2). 
 Em condições normais se encontra em estado gasoso, é insípido, sem cor e 
sem cheiro 
 Constitui aproximadamente 75% da matéria do universo. Porem se encontra 
combinado com outros elementos como o Oxigênio formando moléculas de 
agua ou com o carbono formando compostos orgânicos. 
 Por tanto ele não é um combustível que pode se obter diretamente da natureza, 
ele é um vector energético como a eletricidade e deve se produzir. 
 
2. Opções de produção de Hidrogênio. 
 
 A partir da matéria fóssil 
 H2 cinza a partir do Gás Natural ou Marrom a partir do Carvão 
 
 
 
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 A partir da matéria prima renovável (H2 verde) 
 Existe também o H2 Azul baseado no gás fóssil com captura e armazenamento 
de Carbono (CAC) 
 
 
3. Principais descobrimentos 
 1ra referência escrita acerca do H2 procede o alquimista suíço Paracelso (1493 
– 1541), o qual observou um gás que se desprende na reação de um ácido 
sobre um ferro, o qual era inflamável. 
 1766 o físico e químico britânico Henry Cavendish (1731 – 1810) reconhece o 
Hidrogênio como elemento químico 
 1783 – o Químico, biólogo e economista francês Antoine Lavoisier (1743 – 
1794) o batiza como hidrogênio ” hidro – agua, genos – gerador” 
 1842, William Grove (1811 – 1896) o físico químico constrói a 1ra célula de 
combustível. 
 
4. Evolução Histórica do H2 
 
Fonte: ASEPA 2022 
 
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5. Evolução histórica das pilhas de combustível 
 
Fonte: ASEPA 2022 
 
6. O H2 e os dirigíveis 
 O principal uso foi entre 1900 e 1930. Depois os aviões da época 
aumentaram suas capacidades e com o elevado número de acidentes, o uso 
de dirigíveis foi descontinuado. 
 Apresentado em 1936 o Hinderburg foi uma das aeronaves mais grandes do 
mundo já construídas. 
 Inicialmente projetado a hélio, mas pelo monopólio americano o seu projeto 
foi trocado para H2 
 Os 1200 CV de potência dos seus 4 motores Daimler – Benz 602 lhe 
permitiam cruzar o Atlântico em apenas 3 dias. Quando a viagem por mar era 
de 2 semanas. 
 
 
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7. A Auge do H2 
Com o objetivo de melhorar a qualidade do ar, o estado de Califórnia estabelece em 
1990 a regulação Low Emission Vehicle aonde havia o programa ZEV (Zero Emission 
Vehicle) com um programa de ventas muito ambicioso (2% em 1998, 5 % em 2001 e 
10 % em 2003. 
O grande desafio do H2 é o seu salto generalizado de produto industrial (reativo) a 
produto energético (combustível). 
A combustão com ar produz energia térmica, H2O e NOx (não produz CO e nem HC 
nem CO2). 
Ensaios com motores industriais com misturas pobres (lambda >2) e EGR aprox. 20% 
cumprem a Euro VI com efic > 44% 
 BMW decidiu um caminho diferente ao resto de montadoras: O o motor de 
combustão interna em vez de pilha de combustível. 
 As 1ras pesquisa são de 1978, destacando o desenvolvimento ne década de 
2000. 
 A final de 2009 anuncio o abandono do programa a consequência de que: 
 A EPA não classificou o Hydrogen 7 como ZEV (Veiculo livre de 
emissões) argumentando que óleo do motor poderia se emitir desde a 
câmara de combustão a través dos gases de escape 
 Dificuldade no armazenamento do H2 liquido e falta de infraestrutura 
 
8. O H2 e seus derivados para a combustão 
 
 Objetivo: Reduzir a pegada de carbono na combustão dos motores de 
combustão interna. 
 Misturas com H2: Gás Natural, Diesel, etc 
 
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 Amônia: Além de se utilizar como portador de H2, pode se queimar tanto puro 
como em misturas, por exemplo com o GN. 
 Biocombustíveis Hidrogenados: HVO, Farnesano 
 Combustíveis sintéticos neutros em Carbono ( e-fuels) 
 São combustíveis sintéticos produzidos a partir de fontes renováveis com o 
objetivo de neutralizar o CO2 que se emite no processo de combustão 
 Se utiliza H2 renovável e CO2 proveniente das plantas industriais ou extraído 
do meio ambiente. 
 
 
 
 
9. A ECONOMIA DO H2 
 
 O economista e sociólogo JEREMI RIFKIN (Denver, 1945) leva décadas 
antecipando o progresso da sociedade industrial ate modelos mais 
sustentáveis. 
 No seu livro “A economia do H2” set 2002, prevê o nascimento de uma nova 
economia baseada no H2, cambiará radicalmente a natureza de nossas 
instituições sociais, políticas e mercantis, assim como aconteceu com a energia 
do carvão e do vapor no começo da era industrial. 
 O H2 tem potencial suficiente para colocar fim a dependência do mundo 
respeito as importações de petróleo. 
 
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 Significará um recorde mundial na redução das emissões de CO2 e mitigar os 
efeitos do aquecimento global. 
 Será o 1ro regime energético verdadeiramente democrático da historia 
 
10. Cores do Hidrogênio 
 
 
11. Custos de produção de H2 
 
 O H2 verde ainda não é competitivo com o H2 cinza mas a médio prazo isto 
mudará. 
 
Fonte: ASEPA 2022 
12. Previsão do crescimento do H2 a nível mundial 
O H2 verde é fundamental para o objetivo da descarbonização. 
 Para conseguir estes objetivos tão ambicioso será necessário: 
 Instalação de 160 GW eletrolisadores por ano. 
 
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 Ritmo crescente: poucos GW ao principio até 400 GW a partir de 2030 
 Investimentos toais de aprox. 160000 Milhões de $/ano 
 
 Isto dará lugar a que em 2050 se tenha: 
 30% da eletricidade para a produção de H2V e derivados. 
 12% do consumo final da energia derivada do H2V e derivados 
 Redução dos gases efeitos estufa 
 26% transporte 
 12% indústria 
 2% prédios 
 
Campo Unidade 2018 2050 
Produção anual de H2 Mt/ano 120 613 
Proporção H2V % < 1 67 
Capacidade 
eletrolisadores 
GW 0,3 5000 
Proporção H2 combustível % < 0,1 7 
Fonte: ASEPA 2022 
 
13. Características Básicas do Hidrogênio 
 
 14 vezes mais ligeiro que o ar 
 Faixa de inflamabilidade no ar: 4% até 74% 
 Mistura explosiva quando fechado 
 A chama do H2 não é visível ao olho nu com luz solar 
 A molécula de H2 é muito pequena, consequentemente é propenso a fugas 
 
 
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Fonte: ASEPA 2022 
 
13.1 A massa específica do gás e do liquido não são lineais com a 
temperatura. 
 
 
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13.2 Flutuabilidade no Ar 
Tendência de uma fuga ascender na atmosfera 
Força ascendente = peso do volume desalojado – peso do gás 
 
 
 
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(25 °C, 1 bar) H2 Metano Propano 
Massa de 1 m3 de ar deslocado 1,123 1,123 1,123 
Massa de 1m3 de gás 0,086 0,620 1,704 
Força ascendente (N) 10,16 4,93 -5,68 
 
 Uma fuga de H2 tende a ascender: 
 Se não há teto: se dispersa na atmosfera 
 Se há teto: se concentra na parte superior , precisa ventilação 
 
13.3. Poder Calorifico do H2 
 
 
 
14. Resumo e Conclusões 
 
 O H2 é o átomo mais abundante na terra (e no universo) 
 Em estado molecular deve ser produzido 
 Suas propriedades físicas e químicas são bastante diferentes a outros gases 
 Vantagens: 
o Elevada energia por unidade de massa 
o Flutuabilidade 
o Fácil de obter da agua e de HC 
o Apropriado para combustão e FC 
 
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 Desvantagens 
o Baixa densidade em estado gasoso 
o Baixíssima temperatura de condensação 
o Solubilidade em metais e fragilização 
 
Na prática a energia necessária para produzir 1 kg de H2, é na ordem de 50 a 
55 kWh, devido as ineficiências dos eletrolisadores.