Projeto de sistema de produção de hidrogênio reutilizando resíduos visando geração de energia elétrica

Abstract

O consumo mundial de energia apresenta uma taxa de crescimento global de cerca de 2% ao ano e grande parte dessa energia é produzida através da queima de combustíveis fósseis, promovendo emissões de dióxido de carbono, e outros gases para a atmosfera. A fim de reduzir a poluição ambiental, novas formas de energia renovável são estudadas, tais como energia solar, eólica, geotérmica, hidrelétrica, entre outras. Energia elétrica também pode ser gerada através da conversão de energia química resultante da reação de formação de água, utilizando hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo, porém não é encontrado em sua forma molecular na natureza, necessitando de processos de obtenção. Ele pode ser gerado através da corrosão alcalina de metais, utilizando água, uma base forte como catalisadora ou ativadora da reação e um metal mais reativo, como alumínio, estanho, chumbo ou zinco. Assim, este trabalho visa gerar energia limpa, a partir da corrosão do alumínio, o qual é oriundo de latas de alumínio, e como catalisador utilizar o hidróxido de cálcio, resultante da calcinação e posterior hidratação da casca de ovo, obtida da indústria alimentícia. Parâmetros cinéticos, tais como ordem de reação, constantes de velocidade aparente e energia de ativação foram determinados experimentalmente. O valor obtido para ordem de reação foi igual a 1,0, sendo condizente com os valores encontrados na literatura. Já as constantes de velocidade aparente foram determinadas para as concentrações de Ca(OH)2 de 0,75 M, 1,0 M, 1,25 M e 1,50 M, na temperatura de 338 K. Esse mesmo parâmetro foi obtido nas temperaturas de 323 K e 353 K, sendo a concentração da base fixada em 1,0 M. O valor resultante da energia de ativação foi igual a 17,80 kJ.mol-1 para a concentração de 1,0 M de Ca(OH)2 e amostras de alumínio de 5 mm de aresta. Para conversão de energia química em energia elétrica, uma célula combustível do tipo polimérica foi projetada, com o intuito de gerar energia suficiente para manter uma residência durante um mês. A partir dos parâmetros cinéticos obtidos experimentalmente e da demanda de hidrogênio resultante da célula combustível, o volume de um reator químico foi estimado, sendo ele de 373 L.

The world energy consumption shows a global growth rate of about 2% per year and most of this energy is produced by burning fossil fuels, promoting carbon dioxide emission, and other gases, into the atmosphere. In order to reduce the environmental pollution, new forms of renewable energy are studied, such as solar energy, wind energy, geothermal, hydroelectric, etc. Electricity can be generated through conversion of chemical energy resultant of the water formation reaction, using hydrogen and oxygen. Hydrogen is the most abundant element of the universe, but it’s not found in its molecular form in nature, requiring processes to obtain it. This element can be generated from the alkaline corrosion of metals, using water, an alkali as catalyst or activator of the reaction and a reactive metal, like aluminum, tin, lead or zinc. Thus, this work aims to generate renewable energy, by aluminum corrosion, obtained from aluminum cans, and calcium hydroxide as a catalyst, produced by eggshell calcination and subsequent hydration, obtained from the food industry. Kinetic parameters, such as reaction order, apparent velocity and activation energy were experimentally determined. The value obtained for reaction order was equal to 1,0, being consistent with the values found in the literature. The apparent velocity was determined for alkali concentrations of 0,75 M, 1,0 M, 1,25 M and 1,50 M, at a temperature of 338 K. This same parameter was obtained at temperatures of 323 K and 353 K, for Ca(OH)2 concentration being set at 1,0 M. The resulting value of activation energy was equal 17,80 kJ.mol-1 for the alkali concentration of 1,0 M and aluminum samples with 5 mm edge. For the conversion of chemical energy into electrical energy, a polymeric fuel cell was designed, based on the amount of energy necessary to support a residence. This creates a hydrogen demand, and along with the kinetic parameters, it was possible to design a chemical reactor, which its volume is 373 L.