O documento discute a produção e aplicações do hidrogênio como vetor energético sustentável, mencionando: 1) A eletrólise da água como método de produção renovável; 2) O uso de células a combustível para converter hidrogênio de volta em energia elétrica; 3) Um projeto proposto utilizando o excedente de energia da hidrelétrica de Itaipu para gerar hidrogênio via eletrólise.

1. Hidrogênio
Universidade Estadual de
Campinas
Faculdade de Engenharia Civil
Empreendimentos Energéticos
Sustentáveis
Jim Silva Naturesa

2. Índice
Introdução;
Produção;
Impactos ambientais;
Análise econômica;
Células a combustível;
Exemplos;
Projeto;
Descrição;
Conclusão.

3. Introdução
Vantagens do Hidrogênio:
Pode ser obtido por diversas fontes (fósseis ou
renováveis);
Sua conversão produz apenas água.
Desvantagens:
Não é uma fonte primária de energia;
É um vetor energético assim como a eletricidade;
Precisa ser extraído, podendo gerar poluição;
Difícil de ser armazenado em grandes quantidades.

4. Introdução
A maioria do hidrogênio produzido atualmente no
mundo está associada ao petróleo (78%), sendo
apenas 4% de origem renovável utilizando,
basicamente, a hidroeletricidade.
O Laboratório de Hidrogênio da UNICAMP estimou
a composição percentual do mercado brasileiro de
hidrogênio para o ano de 1984: amônia para
fertilizantes (75,6%), refino de petróleo (8,5%),
produção de metanol (3,5%), subproduto da
industria de soda cáustica (8,6%).

5. Introdução
Segundo dados do Programa Brasileiro de Células a
Combustível, há aproximadamente 0,8 MW
provenientes de projetos de demonstração de
células a combustível de ácido fosfórico no Brasil
(2003).
Esse programa prevê que até o ano de 2012 haverá
50 MW instalados no país, o que corresponde a
0,4% da potência relacionada ao Proinfa (Programa
de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia
Elétrica).

6. Produção – Demanda Mundial
Setor Consumo Mundial de Hidrogênio (109 m3 / ano)
1995 1996 1997 1998 2003
Grandes 559,7 534,5 551,1 553,2 687,1
Consumidores
Mercado (exceto 222,4 244,3 251,1 288,8 338,6
célula a
combustível)
Célula a ombustível 5,9 7,4 8,1 10,3 12,8
Total 788,0 786,2 810,3 851,5 1038,5

7. Produção – Principais processos de
geração de hidrogênio
Processo Insumo básico Fonte de energia Aplicação
Eletrólise Água Eletricidade
Reforma a vapor de Hidrocarbonetos leves Calor gerado pela queima de
hidrocarbonetos (metano, nafta) + Água hidrocarbonetos
Oxidação parcial de óleos Hidrocarbonetos pesados + Calor gerado pela queima de Insumo químico (indústria
pesados Água hidrocarbonetos petroquímica)
Oxidação parcial de carvão Carvão + Água Calor gerado pela queima do Insumo energético (foguetes,
carvão células a combustível)
Termoquímica Água Calor gerado por usinas
nucleares / energia solar
Hidrólise a altas temperaturas Água Calor gerado por usinas
nucleares / energia solar
Eletrólise fotovoltaica Água Radiação solar/ painéis
fotovoltáicos

8. Produção – Processo de Reforma
A reforma é definida como a conversão catalítica e
endotérmica de um combustível líquido, sólido ou gasoso para
um gás combustível (H2).
A maioria dos processos utiliza hidrocarbonetos leves - cadeias
carbônicas situadas entre o metano e a nafta com pontos de
ebulição inferiores a 250°C.
Os três métodos de reforma mais comuns são: reforma a
vapor, oxidação parcial e reforma autotérmica.
A reforma a vapor do gás natural (metano) é o método mais
barato de produzir hidrogênio.
Aproximadamente 48% da produção mundial de hidrogênio é
realizada por esse processo.

9. Produção – Eletrólise da água
A eletrólise da água é um processo que utiliza uma fonte
eletromotriz externa para a produção de hidrogênio e oxigênio,
através de reações eletroquímicas.
No processo há dois eletrodos: o catodo, onde se deposita o
hidrogênio; e o anodo, de onde se retira o oxigênio.
Os eletrolisadores convencionais podem ser de dois tipos:
unipolar e bipolar.
Ambos são compostos por células individuais justapostas
(catodo e anodo interligados); conectadas em paralelo, no tipo
unipolar e em série no tipo bipolar.

10. Produção – Eletrólise da água

11. Produção – Eletrólise da água
Os eletrolisadores avançados são do tipo bipolar, pois
possuem tamanhos menores e uma eficiência maior.
Os principais são os alcalinos a médias temperaturas com
eletrólito sólido.
Os componentes mais importantes de uma planta de
hidrogênio por eletrólise da água são: retificador,
desmineralizador, sistemas de separação de gases,
armazenamento intermediário, sistemas de purificação e
armazenamento.

12. Impactos ambientais
A eletrólise da água é um processo quase isento de emissões,
sendo que o oxigênio gerado pode ser liberado para a
atmosfera ou armazenado.
Mas, emissões significativas ocorrem quando se utiliza energia
elétrica (necessária para o processo) gerada por combustíveis
fósseis.
Se forem utilizadas fontes primárias para a produção de
energia elétrica para a eletrólise, como a energia solar e a
energia eólica, essas emissões são bastante reduzidas.

13. Impactos ambientais
Porém, se a fonte for de origem hidroelétrica, devem
ser consideradas as emissões de CO2 e CH4
devido à decomposição anaeróbica da biomassa
submersa nos reservatórios.
Os processos de tratamento e armazenagem do
hidrogênio praticamente não aumentam a emissão
de poluentes.

14. Análise econômica – Estimativas do
custo do hidrogênio no Brasil
Forma de Geração Preço do insumo Custo do Hidrogênio
10-3 US$ Mcal-1 US$ kg-1 US$ m-3
Eletrólise (segundo 36,6 x 10-3 US$ kWh 68,38 1,956 0,176
Silva)
Eletrólise (segundo 2,368x106 US$ mês-1 61,43 1,756 0,158
Bockris)
Gás natural 0,1456 US$ m-3 32,91 0,941 0,085

15. Análise econômica – Comparação dos
custos de produção do hidrogênio

16. Célula a combustível
A célula a combustível é basicamente uma bateria, ou seja, um
dispositivo que produz energia elétrica a partir de reações
eletroquímicas.
Logo, as células a combustível são dispositivos eletroquímicos
que produzem energia elétrica utilizando como combustível o
hidrogênio.
Na célula, o hidrogênio é fornecido constantemente a um dos
eletrodos - o anodo-, que reage eletroquimicamente com o
oxigênio (oxidante) suprido no outro eletrodo - o catodo.

17. Célula a combustível

18. Célula a combustível

19. Célula a combustível
Vantagens:
Alta eficiência (pode ultrapassar 70%);
Baixo nível de ruído (não possui partes móveis);
Instalações modulares ajustam-se à carga e aumentam a
confiabilidade (de W a MW);
Emissão baixa ou nula de SOX, NOX, CO2, compostos
orgânicos e particulados.
Desvantagens:
Alto custo: platina ou cerâmicas especiais, montagem;
Vida útil limitada e baixo nível de reciclagem;
Infra-estrutura de produção/distribuição de hidrogênio.

20. Célula a combustível
As cinco principais tecnologias de células a combustível são:
1) Células alcalinas (AFC - Alkaline Fuel Cell);
2) Células a ácido fosfórico (PAFC - Phosforic Acid Fuel Cell);
3) Células a polímero sólido (SPFC - Solid Polymer Fuel Cell);
4) Células a carbonato fundido (MCFC - Molten Carbonate Fuel
Cell);
5) Células a óxido sólido ( SOFC - Solid Oxide Fuel Cell).

21. Célula a combustível

22. Célula a combustível
As tecnologias diferem entre si pelo eletrólito
utilizado na célula, por suas reações eletroquímicas
e pelas temperaturas envolvidas.
Com relação à temperatura de operação, as células
são divididas em dois grupos: células da primeira
geração, que operam em temperaturas de até
200° C; e as células da segunda geração, que
trabalham com uma temperatura entre 600 a
1000°C.

23. Célula a combustível
Tipo Características Aplicações
Células Alcalinas (AFC) - Não requerem materiais de alto custo na - Aplicações remotas estratégicas
sua construção; (missões espaciais, submarinas e
- Possuem vida longa (15 mil horas); militares);
- Alto custo.
Células a Ácido Fosfórico (PAFC) - Requerem o emprego de catalisadores à - Centrais de cogeração com potência de
base de metais nobres (platina); 50 a 1000 kW;
- Excelente estabilidade térmica, química - Podem ser utilizadas nas dependências
e eletroquímica. do consumidor (on-site power).
Células a Polímero Sólido (SPFC) - Requerem o emprego de catalisadores à - São utilizadas na indústria automotiva
base de metais nobres (platina). em substituição aos motores de
combustão interna.
Células a Carbonato Fundido (MCFC) - Elevada eficiência energética - Centrais de cogeração de médio e
(combustível / energia elétrica): 55%; grande porte.
- Quando o calor residual é utilizado a
eficiência pode chegar a 85%.
Células a Óxido Sólido (SOFC) - Elevadas temperaturas: 1000º C; - O calor produzido pode ser utilizado em
- Dispensam a utilização de catalisadores aplicações de cogeração ou acionar uma
à base de materiais nobres e de alto custo; turbina a vapor.
- Possuem vida longa. - Pode ser usada em um ciclo combinado
(eficiência da ordem de 80%).

24. Exemplos

25. Exemplos

26. Exemplos

27. Exemplos

28. Exemplos

29. Exemplos

30. Projeto
O excedente de energia em uma hidrelétrica é a diferença
entre a geração verificada e a geração assegurada. A geração
assegurada é a energia que a usina fornece aos seus clientes
e distribuidoras de energia elétrica.
Segundo Ferreira no ano de 1999 a usina hidrelétrica de Itaipu
verteu 4.806.000 MWh/ano, o que representou 11,6% da sua
capacidade de produção.
A energia excedente, água não turbinada, de Itaipu pode ser
convertida em hidrogênio através de eletrólise e armazenada.

31. Projeto - Itaipu
A potência instalada da Usina é de 12.600 MW, com 18
unidades geradoras de 700 MW cada. Sendo 9 geradores em
60 Hz e 9 em 50 Hz.
A produção recorde de 2000 - 93,4 bilhões de quilowatts-hora
(KWh) - foi responsável pelo suprimento de 95% da energia
elétrica consumida no Paraguai e 24% de toda a demanda do
mercado brasileiro.
Parte da energia dos grupos de 50 Hz são transmitidos para o
Brasil através de uma linha de transmissão em corrente
contínua (HVDC - High Voltage Direct Current).

32. Projeto - Itaipu

33. Projeto
Essa energia pode ser novamente convertida em energia
elétrica pelo uso das células a combustível e transmitida
utilizando dispositivos FACTS (Flexible AC Transmission
Systems) para as áreas de consumo.
Os dispositivos FACTS têm o objetivo de flexibilizar os
sistemas de transmissão de energia elétrica.
Esses dispositivos, normalmente compensadores de reativos
em série ou em derivação com as linhas, são controlados por
tiristores - semicondutores de alta potência.

34. Projeto – Eletrólise e armazenagem do
hidrogênio

35. Projeto
Os dispositivos que têm sido mais aplicados em sistemas de energia
elétrica são:
Compensador estático de reativos (SVC - Static Var Compensator);
Compensador estático (STATCON - Static Condenser);
Compensador Série Controlado (CSC - Controlled Series
Compensator);
Controlador de fluxo de potência (LFC - Load Flow Controller) e
Controlador de fluxo de potência unificado (UPFC - Unified Power
Flow Controller).

36. Projeto – Características do
dispositivos FACTS

37. Projeto
O componente FACTS empregado é o
capacitor série controlado - TSCS (Thyristor-
Controlled Series Capacitor).
Utilizando o capacitor série controlado pode-
se aumentar a capacidade de transmissão
de potência ativa sem a necessidade de
alteração das linhas de transmissão.

38. Projeto – Célula a combustível e
dispositivo FACTS

39. Projeto
A potência ativa de um sistema de geração e transmissão de
energia elétrica é dada por:
P = [ V1 V2 sen (δ1 - δ2) ] / x
Onde:
V1 é a tensão da barra de geração (Volts),
V2 é a tensão da barra de carga (Volts),
δ1 é o ângulo da barra de geração (graus),
δ2 é o ângulo da barra de carga (graus) e
x é a impedância total da linha de transmissão (Ohms).

40. Projeto – Característica Potência
versus ângulo de carga

41. Projeto
O capacitor altera a impedância desta linha, pois seu efeito se contrapõe ao do
indutor.
A figura apresenta a característica do capacitor série controlado, esse dispositivo
possui uma capacitância variável.
A impedância total da linha é definida como:
x = xl – xc
Dessa forma, a impedância da linha pode ser alterada possibilitando um aumento
significativo da potência ativa transmitida.
A capacidade de transmissão de energia será limitada pela característica térmica
da linha de transmissão, ou seja, pela sua potência dissipada (Ri2).

42. Projeto – Capacitor série controlado

43. Conclusão
Para a produção de grandes quantidades de hidrogênio são
necessários altos investimentos na montagem da planta eletrolítica,
na aquisição de eletrolisadores, retificadores AC/DC, sistemas de
controle, refrigeração e estocagem.
Os dispositivos FACTS (capacitor série-controlado) também possuem
um custo elevado e o país não detém o know-how da tecnologia.
Outro problema não considerado refere-se à armazenagem de
grandes quantidades de hidrogênio.
Uma análise detalhada poderá indicar as melhores soluções para se
evitar desmatamentos e desapropriações com as instalações dos
reservatórios.

44. Referências
Figuras
Revista Scientific American Brasil. www2.uol.com.br/sciam/
Song, Y. and Jonhs A. Flexible AC transmission system (FACTS). The Institution of
Electrical Engineers.
www.fuelcelltoday.com
www.unicamp.br
Tabelas
Reis, L. B. Geração de Energia Elétrica. Manole. 2003.
Tolmasquim, M (Organização). Fontes renováveis de energia no Brasil. Editora Interciência.
2003.