Alternativas para a produção de hidrogênio nas regiões brasileiras visando à geração de energia... por Paulo Bernardi Junior - Versão HTML

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INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES

Autarquia associada à Universidade de São Paulo

ALTERNATIVAS PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO

NAS REGIÕES BRASILEIRAS VISANDO À

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DISTRIBUÍDA

PAULO BERNARDI JUNIOR

Tese apresentada como parte dos

Requisitos para obtenção do Grau

de Doutor em Ciências na área de

Tecnologia Nuclear - Aplicações.

Orientador:

Profa. Dra. Fátima Maria Sequeira de Carvalho.

SÃO PAULO

2009

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INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES

Autarquia associada à Universidade de São Paulo

ALTERNATIVAS PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO

NAS REGIÕES BRASILEIRAS VISANDO À

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DISTRIBUÍDA

PAULO BERNARDI JUNIOR

Tese apresentada como parte dos

Requisitos para obtenção do Grau

de Doutor em Ciências na área de

Tecnologia Nuclear - Aplicações.

Orientador:

Profa. Dra. Fátima Maria Sequeira de Carvalho.

SÃO PAULO

2009

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DEDICATÓRIA

Em memória de meu amado pai

Paulo Bernardi

4

Agradecimentos

Agradeço o eterno apoio de minha

amada esposa,

ao IPEN pela oportunidade,

à Profa. Dra. Fátima Maria Sequeira de Carvalho

pela paciência, orientação e incentivo

que foram fundamentais para a execução deste trabalho.

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ALTERNATIVAS PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO

NAS REGIÕES BRASILEIRAS VISANDO À

GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DISTRIBUÍDA

Paulo Bernardi Junior

RESUMO

Neste trabalho foram selecionadas, estabelecidas e estimadas possíveis fontes

de produção de hidrogênio para a geração de energia elétrica de forma

distribuída, com a utilização de célula a combustível. Estudaram-se três fontes de

geração de energia renovável no Brasil: a biomassa, a energia solar fotovoltaica e

a energia eólica. Para o estabelecimento dos valores numéricos foram avaliadas

as principais culturas agrícolas de cada estado pertencente à respectiva região e

a quantidade de biomassa, na forma de rejeito agrícola, capaz de ser gerada para

futura utilização na produção de hidrogênio. Da mesma maneira foi investigada e

avaliada numericamente a capacidade de produção de hidrogênio através das

energias eólica e solar fotovoltaica para cada região do Brasil, tomando-se como

base o processo de eletrólise. Mediante os resultados obtidos é possível

demonstrar as potencialidades do Brasil para a geração de energia elétrica de

maneira distribuída e com a substituição de combustíveis fósseis e por

conseqüência, com a melhoria do meio ambiente.

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ALTERNATIVES FOR THE HYDROGEN PRODUCTION IN THE BRAZILIAN

REGIONS AIMING AT TO GENERATION OF DISTRIBUTED ELECTRIC

ENERGY

Paulo Bernardi Júnior

SUMMARY

In this work they had been selected, established and possible estimates sources

of hydrogen production for the generation of electric energy of distributed form,

with the fuel cell use. They had been studied being overcome three sources of

generation of renewable energy in Brazil: the biomass, the photo-voltaic and wind

resources energies. For the establishment of the numerical values the main

agricultural cultures of each pertaining state to the respective and region the

amount of biomass had been evaluated, in the form of reject agriculturist, capable

to be generated for future use in the hydrogen production. In the same way it was

investigated and evaluated numerically the capacity of hydrogen production

through the energies, wind resources and photo-voltaic for each region of Brazil,

being overcome as base the electrolysis process. By means of the gotten results it

is possible to demonstrate the potentialities of Brazil for the generation of electric

energy in distributed way and with the fossil fuel substitution, and, for

consequence with the improvement it environment.

7

SUMÁRIO

Página

1 INTRODUÇÃO…………………………………………………………….. 10

2 OBJETIVOS……………………………………………………………….. 12

3 REVISÃO DA LITERATURA…………………………………………..... 13

3.1 Principais Fontes Renováveis de Energia..................................... 13

3.1.1 Energia Geotérmica.................................................................... 14

3.1.2 Energia marémotriz.................................................................... 17

3.1.3 Energia Eólica............................................................................

19

3.1.3.1 Aerogeradores......................................................................... 20

3.1.3.2 Funcionamento dos aerogeradores........................................

21

3.1.4 Energia solar fotovoltaica..........................................................

25

3.1.4.1 Fluxo de radiação solar........................................................... 26

3.1.5 Energia Hidroelétrica................................................................

33

3.1.6 Energia do Hidrogênio............................................................... 34

3.1.6.1 Células a combustível.............................................................

35

3.1.6.1.1 Tipos de células a combustível............................................

40

3.1.6.1.2 Célula Alcalina - AFC . .........................................................

41

3.1.6.1.3 Célula de membrana de troca de prótons – PEMFC...........

43

3.1.6.1.4 Célula a metanol direto – DMFC. ......................................... 45

3.1.6.1.5 Célula de Ácido Fosfórico – PAFC....................................... 45

3.1.6.1.6 Célula de carbonato fundido – MCFC.................................. 48

3.1.6.1.7 Célula de Óxido sólido – SOFC............................................ 50

3.1.6.1.8 Células a combustível regenerativas.................................... 52

3.1.6.1.9 Células a combustível de cerâmica protônica...................... 52

3.1.6.2 Métodos de obtenção de hidrogênio....................................... 54

3.1.6.2.1 Eletrólise............................................................................... 54

3.1.6.2.1.2 Eletrolisadores unipolares com eletrólito líquido alcalino

(KOH)..................................................................................................

54

3.1.6.2.1.3 Eletrolisadores bipolares com eletrólito líquido alcalino

(KOH)..................................................................................................

54

3.1.6.2.1.4 Eletrolisadores com eletrólito sólido (PEM)....................... 55

3.1.7 Gaseificação da Biomassa......................................................... 58

3.1.7.1 Gaseificador contracorrente.................................................... 61

3.1.7.2 Gaseificador co-corrente......................................................... 62

3.1.8 Reforma...................................................................................... 65

3.1.9 Oxidação parcial......................................................................... 66

3.1.10 Enzimas.................................................................................... 66

3.1.11 Biohidrogênio............................................................................ 66

3.2 Situação atual da eletricidade no Brasil........................................

67

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO.......................................................... 73

4.1 Quantidade de resíduos para gaseificação................................... 73

4.2 Região Nordeste............................................................................ 76

8

4.2.1 Vegetação da região Nordeste…………………………………..

77

4.2.1.1 Mata Atlântica…………………………………………………….

77

4.2.1.2 Mata dos Cocais………………………………………………….

77

4.2.1.3 Cerrado……………………………………………………………

77

4.2.1.4 Caatinga.................................................................................. 78

4.2.1.5 vegetação litorânea e matas ciliares....................................... 78

4.2.2 Clima..........................................................................................

78

4.2.2.1 Clima equatorial úmido............................................................ 78

4.2.2.2 Clima litorâneo úmido.............................................................. 78

4.2.2.3 Clima tropical........................................................................... 79

4.2.2.4 Clima tropical semi-árido......................................................... 79

4.2.3 Avaliação da produção de resíduos da região Nordeste por

estado.................................................................................................. 79

4.2.3.1 Maranhão................................................................................

80

4.2.3.2 Piauí........................................................................................

81

4.2.3.2 Ceará....................................................................................... 82

4.2.3.3 Rio Grande do Norte...............................................................

83

4.2.3.4 Paraíba.................................................................................... 84

4.2.3.5 Pernambuco............................................................................ 85

4.2.3.6 Alagoas...................................................................................

86

4.2.3.7 Sergipe.................................................................................... 87

4.2.3.8 Bahia.......................................................................................

88

4.3 Região Norte.................................................................................

90

4.3.1 Vegetação da região Norte......................................................... 91

4.3.2 Clima..........................................................................................

91

4.3.3 Hidrologia...................................................................................

92

4.3.4 Avaliação da produção de resíduos da região Norte por

estado.................................................................................................. 93

4.3.4.1 Rondônia................................................................................. 93

4.3.4.2 Acre......................................................................................... 94

4.3.4.3 Amazonas................................................................................ 95

4.3.4.4 Roraima................................................................................... 96

4.3.4.5 Pará......................................................................................... 97

4.3.4.6 Amapá..................................................................................... 98

4.3.4.7 Tocantins................................................................................. 99

4.4 Região Centro-Oeste..................................................................... 101

4.4.1 Vegetação..................................................................................

102

4.4.2 Clima..........................................................................................

102

4.4.3 Hidrologia...................................................................................

103

4.4.4 Avaliação da produção de resíduos da região Centro-Oeste

por estado............................................................................................ 104

4.4.4.1 Mato Grosso do Sul................................................................. 104

4.4.4.2 Mato Grosso............................................................................ 105

9

4.4.4.3 Goiás………………………………………………………………. 106

4.4.4.4 Distrito Federal……………………………………………………

107

4.5 Região Sudeste............................................................................. 108

4.5.1 Vegetação..................................................................................

109

4.5.2 Clima..........................................................................................

110

4.5.3 Hidrologia...................................................................................

111

4.5.4 Avaliação da produção de resíduos da região Sudeste por 113

estado..................................................................................................

4.5.4.1 Minas Gerais...........................................................................

113

4.5.4.2 Espirito Santo..........................................................................

114

4.5.4.3 Rio de Janeiro.........................................................................

115

4.5.4.4 São Paulo................................................................................ 116

4.6 Região Sul..................................................................................... 118

4.6.1 Vegetação..................................................................................

119

4.6.2 Clima..........................................................................................

120

4.6.3 Avaliação da produção de resíduos da região Sul por estado... 121

4.6.3.1 Paraná..................................................................................... 121

4.6.3.2 Santa Catarina......................................................................... 122

4.6.3.3 Rio Grande do Sul................................................................... 123

4.7 Avaliação do potencial de produção de hidrogênio nas

diferentes regiões brasileiras a partir da biomassa.............................

125

4.8 Avaliação do potencial da energia fotovoltaica para a produção

de hidrogênio por região...................................................................... 128

4.9 Avaliação do potencial da energia eólica para a produção de

hidrogênio por região........................................................................... 131

4.10 Cálculos para a produção de energia a partir do hidrogênio

produzido pelos três sistemas avaliados............................................. 133

4.10.1 Quantidade de energia gerada a partir da biomassa...............

133

4.10.2 Quantidade de energia gerada a partir da energia

fotovoltaica........................................................................................... 134

4.10.3 Quantidade de energia gerada a partir da energia eólica......

135

4.11 Avaliação do potencial total de produção de energia por

tecnologia avaliada e por região.......................................................... 136

4.12 Avaliação do custo de produção de energia por tecnologia

avaliada................................................................................................ 137

5

CONCLUSÕES, PERSPECTIVAS E RECOMENDAÇÕES................ 139

6

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................... 142

10

INTRODUÇÃO

O meio ambiente e sua preservação aliados às necessidades do ser

humano, levantam novos desafios que necessitam de uma abordagem ampla e

interdisciplinar, onde as novas tecnologias e a reformulação ou aperfeiçoamento

das já conhecidas são de fundamental importância.

Das necessidades básicas por que passa o ser humano destaca-se

como de primordial importância para sua sobrevivência e para satisfação de

outros requisitos como saúde, educação, segurança, trabalho e lazer, o acesso à

energia elétrica. O homem moderno é cada vez mais dependente dos recursos

energéticos para a sua sobrevivência e, por esse motivo, é fundamental que o

acesso a esse recurso seja cada vez mais facilitado às populações mais carentes.

O grande consumo de combustíveis fósseis pela sociedade moderna

tem levado o planeta a uma degradação sem precedentes do seu ambiente,

principalmente relacionados ao efeito estufa. No Brasil a geração de energia

hidrelétrica é também causadora de enormes impactos ambientais devido às

grandes áreas que precisam ser alagadas para a construção de usinas

hidrelétricas, retirando terras que, além de servirem de local de sobrevivência

para inúmeras espécies, poderiam também ser usadas para a produção de

alimento. É importante ainda lembrar que os grandes reservatórios em áreas

tropicais levam à grande decomposição de vegetação, liberando assim grandes

quantidades de metano e gás carbônico.

Devido à veloz urbanização sofrida pelas cidades no Brasil, a maioria

dos recursos disponíveis para a geração de energia está muito afastada dos

locais de consumo, gerando assim custos para o seu transporte. É importante

lembrar que esse transporte também é provocador de significativos impactos

ambientais, já que linhas de transmissão a grandes distâncias implicam em

utilização de extensas faixas de terreno, levando assim a desmatamentos e

conseqüente alteração do ambiente local.

11

Tomando como ponto de partida essas premissas e lembrando ainda

que muitas das regiões do nosso país já apresentam certa exaustão dos recursos

para geração de eletricidade, elaborou-se esta proposta de trabalho que visualiza

alternativas para a geração distribuída, a fim de atender às necessidades básicas

dessas localidades com a utilização de um sistema que não comprometa o meio

ambiente.

O presente trabalho se propõe a avaliar os principais sistemas de

produção de hidrogênio possíveis para a implantação de células a combustível,

como fontes geradoras de energia elétrica, no local de consumo (geração

distribuída). Esta proposta vem ao encontro, por um lado, à preservação do

ambiente natural em áreas não degradadas e, por outro lado, abre a possibilidade

do aumento da produção de energia sem o aumento da pressão de degradação

sobre o meio ambiente.

Devemos lembrar ainda que a energia distribuída e de fácil acesso

pode levar a uma radical mudança nos aspectos sociais das comunidades

beneficiadas, diminuindo a pobreza e a migração para as grandes cidades. Outro

aspecto é a diminuição da dependência do transporte e utilização de combustíveis

fósseis, propiciando uma energia de boa qualidade.

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