Análise técnica e econômica de um reformador de etanol para produção de hidrogênio

Abstract

Neste trabalho efetua-se análises técnica e econômica de um reformador a vapor de etanol para a produção de 0,7 Nm3/h de hidrogênio, capacidade esta suficiente para acionar uma célula de combustível do tipo PEMFC de 1 kW. A análise técnica abrange análises físico-química e termodinâmica (que envolve inclusive análise exergética), que consiste em fornecer as faixas de temperatura e pressão necessárias à reforma a vapor, e na determinação dos volumes de reagentes consumidos (neste caso, etanol e água). Foi possível obter informações sobre os principais produtos da reforma a vapor (hidrogênio e dióxido de carbono) e o grau de avanço da reação de reforma do etanol. As informações necessárias para o início da modelagem foram obtidas da literatura. A análise exergética permitiu avaliar as melhores condições (temperatura e pressão) para a reforma, baseando-se nos níveis de irreversibilidades. Finalmente, através da análise econômica, avaliou-se os custos de produção de hidrogênio em função do custo de investimento, operação e manutenção no reformador e acessórios. Foram selecionadas quatro fontes de calor para o processo (gás natural, gás liquefeito de petróleo, álcool e eletricidade). Conclui-se que a reforma a vapor de etanol é tecnicamente viável, podendo colocar o hidrogênio combustível no rol dos insumos energéticos alternativos e renováveis. Do ponto de vista econômico, o kWh de hidrogênio produzido por reforma de etanol apresenta o menor valor (numa faixa de 0,06471 a 0,10863 US$/kWh), devido ao alto custo de investimento e ao pequeno volume de produção de reformadores de etanol. Estes custos energéticos do hidrogênio poderão ser mais baixos, desde que haja uma maior produção em escala de reformadores de etanol.

In this work the technical and economic analysis of a steam reformer of ethanol is made. The objective is the production of 0.7 Nm3/h of hydrogen to be used in a 1 kW powered PEMFC. The technical analysis consists in physical and chemical, and thermodynamic studies (including the exergetic analysis). These analysis provide informations as temperature and pressure ranges for steam reforming and the volume of the used reactants (in this case, ethanol and water). Through a mathematic modeling, it s possible to get informations as the products of reforming (the hydrogen and carbon dioxide are the principal products) and the advance degree of the reaction. The useful informations for the modeling were got in the literature. Also about the technical analysis, an exergetic analysis was carried out, permitting obtain the best conditions (temperature and pressure) for the reforming based in the lowest irreversibilities level for the process. Finally, through the economic analysis, the costs of hydrogen production as a function of investment, operation and maintenance costs was made. Four heat sources for the process (natural gas, liquefied petroleum gas, ethanol and electricity) were considered for this analysis. This study has indicated that the steam reforming of ethanol is technically feasible, for the production of hydrogen as one of the alternative and renewable fuel. Economically, the hydrogen produced by steam reforming of ethanol presents the lowest cost, but expensive (at a range from 0,06471 to 0,10863 US$/kWh) because the high cost of investment and the small production of ethanol reformer.