Metanol para hidrogénio: Instalação de demonstração para fornecimento de energia fora da rede utilizando reformadores a vapor
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No centro técnico do Instituto Leibniz para a Catálise (LIKAT), em Rostock, um reformador a vapor de metanol abastece uma célula de combustível com hidrogénio de alta pureza, em funcionamento contínuo e a temperaturas relativamente baixas. É a primeira instalação de demonstração na gama de baixas temperaturas para este tipo de processos, não muito maior do que um guarda-roupa e, por conseguinte, suficientemente compacta para abastecer áreas regionais com energia eléctrica neutra para o clima e fora da rede, por exemplo. A instalação foi desenvolvida em colaboração com a Universidade Friedrich-Alexander (FAU) de Erlangen-Nuremberga, o promotor do projeto ATI Küste e duas empresas de automação e engenharia de instalações na Saxónia-Anhalt e em Berlim.
A instalação passou no teste funcional com 800 horas de funcionamento contínuo. De acordo com o coordenador do projeto, o químico do LIKAT Dr. Sebastian Wohlrab, o reformador converte cataliticamente o metanol e a água em hidrogénio (H2), que por sua vez é purificado diretamente e alimenta uma célula de combustível ligada.
O projeto conjunto, denominado MEGA (MEthanol reformer with innovative gas purification), foi financiado pelo Ministério Federal da Economia. A instalação de demonstração faz parte de um conceito sustentável para o fornecimento de energia eléctrica neutra para o clima, especialmente para as zonas rurais. "E é independente tanto da rede eléctrica como do vento e da luz solar", afirma o Dr. Henrik Junge, sob cuja direção foram desenvolvidos os catalisadores necessários no LIKAT.
Armazenamento químico do hidrogénio
O hidrogénio proveniente de fontes renováveis tem um grande potencial para a transição energética, mas continua a ser difícil de transportar e armazenar, como explicam Wohlrab e Junge. Em alternativa, o H₂ pode ser armazenado quimicamente em metanol, que é muito mais fácil de transportar e armazenar do que o hidrogénio gasoso.
"A ideia por detrás do nosso conceito é fechar um ciclo", diz o Dr. Junge. Por um lado, isto envolve a produção de hidrogénio através de eletrólise utilizando eletricidade proveniente de energia eólica e solar e armazenando-o com CO₂em metanol. Por outro lado, envolve a recuperação do hidrogénio do metanol durante períodos de ventos calmos e escuridão e a sua utilização em células de combustível para gerar eletricidade. O projeto agora concluído centrou-se no segundo passo, a libertação de hidrogénio de alta pureza através da reforma a vapor a baixa temperatura, e demonstra agora a praticabilidade do processo.
De acordo com os dois químicos, em breve será possível produzir o metanol diretamente no LIKAT a partir do dióxido de carbono, concretizando, em última análise, o ciclo completo de armazenamento e utilização de energia química neutra para o clima com base no hidrogénio. A nova unidade de síntese de metanol já está a ser construída no centro técnico, a poucos metros do reformador a vapor.
Sistema bi-catalítico à base de ruténio
O reformador a vapor de metanol apresenta várias vantagens em relação aos processos convencionais. "Em primeiro lugar, graças a um novo sistema bi-catalítico à base de ruténio, conseguimos manter a temperatura no reator abaixo dos 150 graus Celsius", afirma Henrik Junge. Até agora, a norma eram temperaturas significativamente mais elevadas.
A segunda caraterística especial é a elevada pureza do hidrogénio produzido. Normalmente, o hidrogénio produzido por estes processos contém quantidades perturbadoras de CO₂ e monóxido de carbono (CO). O monóxido de carbono, em particular, tem um efeito negativo no funcionamento e na vida útil das células de combustível, como explica o Dr. Junge. Para as células de combustível de baixa temperatura, atualmente as mais potentes do seu género, o teor de CO não pode exceder dez ppm (partes por milhão). Sebastian Wohlrab: "A nossa fábrica está sempre a cumprir os parâmetros exigidos graças a um adsorvente integrado."
Contribuição de diferentes áreas de especialização
A LIKAT reuniu um vasto leque de competências para concluir com êxito este projeto conjunto. Os catalisadores utilizados, complexos de ruténio, são o núcleo do reformador e foram sintetizados e optimizados principalmente por um estudante de doutoramento do instituto, Hendrick Kempf. Os químicos de processo da FAU Erlangen-Nürnberg melhoraram o catalisador para o processo contínuo, aplicando-o a um suporte sólido numa fase líquida, utilizando tecnologias especiais. De acordo com o Dr. Junge, os dois tubos do reator na fábrica contêm "sete quilogramas de óxido de alumínio dopado com 130 gramas dos nossos catalisadores de ruténio".
A ATI Küste GmbH combinou dois materiais adsorventes num adsorvente compacto de oscilação de pressão que remove o hidrogénio do CO2 e do CO. Para não exceder o valor-limite de CO no processo posterior, os químicos ligaram um pequeno reator de deslocamento como um módulo de proteção adicional para a célula de combustível.
A empresa Sigmar Mothes Hochdrucktechnik (HDT), sediada em Berlim, construiu os principais componentes da instalação de demonstração. O sistema de controlo global da instalação foi desenvolvido pelo fabricante de sistemas de automação GESA em Teuchern, Saxónia-Anhalt. O Dr. Wohlrab foi responsável pela instalação da fábrica no centro técnico da LIKAT. Sob a direção do Dr. Stefan Peters e da Dra. Alejandra Carbajal, colaboradores do seu departamento, a instalação foi finalmente colocada em funcionamento. Foi submetida a testes com base em vários cenários, incluindo a adição de metanol e água e o regime de temperatura. O ensaio foi monitorizado em funcionamento por turnos.
Esperança para a transição energética
Dr. Junge: "Com base nestes resultados, as empresas estão agora em posição de desenvolver um produto sustentável com a nossa ajuda". Para além da manutenção ocasional, esta fábrica funcionaria de forma independente.
"Há uns bons quinze anos, havia apenas um punhado de grupos a trabalhar nos fundamentos do armazenamento químico de hidrogénio para o futuro fornecimento de energia". Atualmente, existem numerosos laboratórios em todo o mundo a trabalhar neste domínio. Conceitos como este representam a esperança global de um abastecimento energético neutro para o clima.
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