Hidrogénio a partir de resíduos para motores fixos e móveis
Requisitos de pureza menos rigorosos permitem utilizar resíduos de fermentação e lamas de depuração como fonte de hidrogénio
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O projeto Waste2HyEngine, financiado pelo BMFTR, desenvolveu uma cadeia de processos para produzir gás rico em hidrogénio a partir de resíduos biogénicos. Este gás é utilizado num motor a diesel adaptado, com uma concentração de hidrogénio entre 40 e 100 % em volume. Os seus requisitos de pureza mais reduzidos, em comparação com as pilhas de combustível, permitem obter fontes de H₂ económicas a partir de resíduos. São possíveis a produção direta de eletricidade numa central de cogeração ou a concentração de H₂ para aplicações móveis. O Fraunhofer UMSICHT, o Fraunhofer IKTS, a Universidade de Heilbronn e a DEUTZ AG testaram a cadeia de processos à escala de laboratório.
A descarbonização dos sistemas energéticos fixos e móveis exige novas formas de produção e utilização do hidrogénio. O fornecimento de hidrogénio de alta pureza (99,999 por cento), produzido por eletrólise, para células de combustível corresponde ao estado da técnica, mas implica um elevado esforço técnico e financeiro. Em particular, para aplicações descentralizadas, afastadas da rede central de hidrogénio prevista, por exemplo, na agricultura ou no setor da construção, faltam até agora soluções económicas. Ao mesmo tempo, nestes setores estão estabelecidos motores a diesel robustos, que podem ser adaptados para motores de combustão a hidrogénio com um esforço razoável.
No projeto Waste2HyEngine, os Institutos Fraunhofer UMSICHT e IKTS, a Universidade de Heilbronn e a DEUTZ AG seguem uma abordagem adaptada a este caso de aplicação: Através de processos de conversão termoquímica, como a pirólise, os resíduos biogénicos são transformados num gás de síntese rico em hidrogénio. Este gás é testado num motor de combustão a hidrogénio fixo e adaptado, em funcionamento contínuo. O foco está no comportamento do motor com diferentes composições de gás. Os resultados obtidos até ao momento são promissores: o motor funciona de forma suave e estável, mesmo com teores de hidrogénio variáveis entre 40 e 100 % em volume no gás. Isto abre caminho a dois novos cenários de utilização.
Via 1: Utilização direta no local de produção
Para a utilização exclusivamente como combustível em instalações fixas, não é tecnicamente necessário aumentar ainda mais a concentração de hidrogénio no gás de pirólise. Em locais com elevada produção de resíduos – como instalações de compostagem, instalações de valorização de resíduos biológicos, moinhos ou serrações — dispõe-se, assim, sem necessidade de concentração adicional da proporção de hidrogénio, de uma fonte de combustível económica e ecológica para centrais de cogeração, que fornecem eletricidade e calor para o próprio funcionamento. Continua a ser necessária uma purificação prévia do gás para a separação de alcatrões, poeiras e compostos de enxofre, a fim de proteger o motor a longo prazo — no entanto, o esforço de tratamento é significativamente menor do que na produção de gás com qualidade adequada para células de combustível.
Via 2: Concentração para aplicações móveis e transportes
Caso o gás rico em hidrogénio se destine a aplicações móveis em tratores ou máquinas de construção, faz sentido proceder à concentração do hidrogénio. No âmbito do projeto, os parceiros Fraunhofer UMSICHT e IKTS desenvolveram e testaram diversos processos de membrana para este fim. Até ao momento, foi possível atingir uma concentração de hidrogénio de 90 % em volume. Isto aumenta a densidade energética em relação à massa e simplifica a logística subsequente do hidrogénio no que diz respeito ao transporte e ao armazenamento. Perspetivamente, isto poderia dar origem a soluções descentralizadas de reabastecimento para máquinas agrícolas e de construção cujos motores tenham sido adaptados para funcionar a hidrogénio — um caminho que, além da qualidade do gás, pressupõe também progressos em termos de sistemas de armazenamento a bordo, tecnologia de segurança e homologação.
Requisitos de pureza mais baixos abrem caminho a novas matérias-primas
O projeto de investigação combina duas vantagens. Os motores de combustão a hidrogénio funcionam de forma fiável mesmo com a presença de gases associados e inertes, como o azoto, o dióxido de carbono, o monóxido de carbono ou o metano — ao contrário das células de combustível, cujos catalisadores reagem de forma sensível a impurezas em traços na ordem dos ppm. Ao mesmo tempo, existe uma grande variedade de resíduos biogénicos disponíveis que, até agora, não podiam ser utilizados como fonte de hidrogénio, por exemplo, resíduos de fermentação de instalações de biogás, resíduos verdes, lamas de depuração ou resíduos biológicos urbanos. Estes fluxos de materiais são gerados a nível regional e, atualmente, são valorizados predominantemente de forma pouco rentável; a sua transformação em hidrogénio de alta pureza não é economicamente viável. Graças aos requisitos mais baixos do motor modificado em termos de qualidade do gás, estes resíduos tornam-se, pela primeira vez, utilizáveis como fonte de hidrogénio estacionária ou móvel.
«Combinamos a conversão termoquímica de resíduos com a utilização de hidrogénio em motores, criando uma cadeia de processos contínua», explica o Dr.-Ing. Christopher Graf-Kick, coordenador de projeto no Fraunhofer UMSICHT. «A chave reside na flexibilidade do motor face à composição da mistura de gás: isto permite aproveitar resíduos que, até agora, não eram considerados para a produção de hidrogénio. A concentração adicional, por exemplo, através de novas tecnologias de membranas, é igualmente promissora. Permite aplicações na mobilidade ou na logística do hidrogénio.»
Na primeira fase do projeto, foram sistematicamente determinados os limites de tolerância de um motor a hidrogénio no que diz respeito à composição do gás. Para tal, no banco de ensaios de motores da Universidade de Heilbronn, foram reproduzidas diferentes misturas de gás e testadas no motor. O motor de ensaio baseia-se num motor diesel de 4 cilindros produzido pela DEUTZ AG. Na conversão para funcionamento a hidrogénio, o novo sistema de injeção de gás com controlo mecânico da Universidade de Heilbronn constitui um componente-chave. «Permite uma dosagem precisa da quantidade de gás, mesmo com composições de gás extremamente variáveis, e pode ser instalado praticamente em qualquer motor a diesel», explica o professor Karsten Wittek, diretor do Laboratório de Máquinas de Pistão da Universidade de Heilbronn.
Na segunda fase do projeto, toda a cadeia de processos foi testada com gás de pirólise real, obtido a partir de resíduos, e a produção de eletricidade no motor a gás recentemente desenvolvido na Fraunhofer UMSICHT.
O Dr.-Ing. Georg Töpfer, da DEUTZ AG, afirma: «A DEUTZ oferece, há muitos anos, soluções de propulsão fiáveis para a agricultura e o setor da construção. Com a possibilidade de conversão para um motor de combustão a hidrogénio, abrimos aos nossos clientes um caminho para a descarbonização. Se o hidrogénio for obtido a partir de resíduos regionais, podem seguir este caminho sem terem de esperar pela expansão da infraestrutura de hidrogénio.»
Aplicação estacionária como ponto de partida
O objetivo imediato do projeto é comprovar a viabilidade da cadeia de processos para centrais de cogeração estacionárias. A longo prazo, a tecnologia também se destina a aplicações móveis. Uma vez que o gás é de origem biogénica, o fornecimento de energia seria, em termos de balanço, praticamente neutro em termos climáticos. Além disso, a conversão termoquímica gera um carbonizado que contém carbono. Se este for armazenado de forma permanente, por exemplo, como carvão vegetal no solo, todo o processo tem o potencial de apresentar um balanço de CO₂ negativo. Na Alemanha, a utilização de hidrogénio biogénico no setor dos transportes é contabilizável na quota de gases com efeito de estufa (quota de GEE) ao abrigo do 37.º BImSchV (Regulamento relativo à contabilização de combustíveis à base de eletricidade e de matérias-primas biogénicas co-processadas).
O Waste2HyEngine é um projeto colaborativo financiado pelo BMFTR (código de financiamento 03SF0754A), com um orçamento total de 3,3 milhões de euros e uma duração de março de 2024 a setembro de 2026. A entidade responsável pelo projeto é a PtJ (Projektträger Jülich).
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