Abordagem inovadora para produção de hidrogênio utilizando torre solar com heliostato e reformador de membrana com armazenamento de energia térmica análise da reforma a vapor do etanol

Resumo

Com a demanda global por energia crescendo rapidamente e a necessidade de mitigação das mudanças climáticas, as fontes de energia renováveis emergem como soluções eficientes para atingir metas de produção de energia limpa em substituição aos combustíveis fósseis. Dentre elas, o hidrogênio renovável (H2) se destaca como um transportador de energia ideal dada sua alta densidade energética e potencial como combustível limpo para o futuro (SŁOWIK et al., 2021). A produção de H2 pode ser realizada por meio de diversos processos, dentre os quais o processo termoquímico movido a energia solar se destaca como uma opção ecologicamente correta e econômica (CRUZ; DA SILVA, 2017). Dentre as diferentes matérias-primas possíveis para produção de H2, o etanol (C2H5OH) se apresenta como um excelente candidato devido à sua renovabilidade, facilidade de acesso e transporte, biodegradabilidade, baixa toxicidade, ausência de toxinas catalíticas e facilidade de decomposição (SHARMA et al., 2017). Nesse contexto, a Reforma a Vapor do Etanol (REE) é considerada um dos processos mais promissores para a produção de H2 graças a sua maior produtividade por mol de etanol em comparação a outros processos (BEPARI; KUILA, 2020). Este trabalho teve como objetivo investigar a conversão de C2H5OH e a produção de H2 em um sistema inovador que integra uma torre solar assistida por heliostato com um sistema de armazenamento de energia térmica para suportar um reformador de membrana. A abordagem integrada visa alavancar a energia solar e o armazenamento térmico para uma produção eficiente e sustentável de H2, abordando os desafios da disponibilidade solar intermitente e da estabilidade da temperatura em processos industriais de produção de H2. O estudo se tratou de uma simulação computacional, com software desenvolvido pelos autores, e utilizou dados de irradiância solar e temperatura ambiente de três dias no mês de julho de 2023 na cidade de Recife. A modelagem matemática da REE foi formulada como um sistema de Equações Diferenciais Parciais (EDPs) que representam as interações complexas dentro das fases gasosa e sólida no reformador. O sistema de EDP inclui fenômenos significativos como transferência de massa, transferência de calor e reações químicas que ocorrem simultaneamente nessas fases e foi resolvido usando o método das Diferenças Finitas Implícitas (DFI). Esta abordagem numérica discretiza os domínios espacial e temporal contínuos das EDPs em pontos finitos da grade, permitindo a aproximação das derivadas como equações algébricas. Os resultados dos cálculos foram validados junto a literatura (ALIPOUR et al, 2024) (SAIDI; JAHANGIRI, 2018) e demonstraram que um aumento na taxa de energia térmica armazenada (ETA) melhora a eficiência do processo de REE, aumentando a conversão de C2H5OH e a produção de H2. As principais conclusões foram: (1) a taxa de ETA influencia diretamente a reação de REE, afetando as constantes de reação, adsorção e equilíbrio; (2) o aumento da taxa de ETA aumenta a produção de H2 e a conversão de C2H5OH, mas diminui a eficiência térmica do sistema de membrana; (3) a conversão de C2H5OH atinge 92% com uma taxa de ETA de 1678,09 W e temperatura de 623,87 K; (d) o rendimento de H2 aumenta com o aumento da taxa de ETA, alcançando 2187 a 750 K com uma taxa de ETA de 1678,09 W. Esses resultados indicam um papel importante da energia térmica na otimização da produção de H2 por REE e demonstram a viabilidade de utilizar energia solar para produzir hidrogênio a partir de etanol, com potencial para aplicações em sistemas de energia limpa.