Uso do biogás para produção de biohidrogênio: eletrólise versus reforma a vapor
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Data
2017-03-08
Autores
Paulino, Regina Franciélle Silva [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Neste trabalho são estudados dois processos que utilizam biogás para obtenção do biohidrogênio. Inicialmente é analisado o processo de eletrólise da água, com o uso de energia elétrica gerada em conjunto motor de combustão interna/gerador (MCI) operando com biogás de aterro sanitário. Visando aproveitamento de calor dos gases de escape do MCI estuda-se o potencial de geração de energia térmica útil pela aplicação da técnica de cogeração. Considera-se dois casos: o primeiro para a produção de água quente em um trocador de calor, e o segundo, para a produção de água gelada em um sistema de refrigeração por absorção. Posteriormente é estudada a reforma a vapor de biogás para a produção de biohidrogênio, que utiliza também esse biocombustível para a geração de vapor superaquecido necessário ao processo de reforma. O objetivo é efetuar a análise energética de modo a determinar as eficiências dos processos, o potencial de produção de biohidrogênio, água quente ou água gelada, nos aterros sanitários da cidade de São Paulo. Também é efetuada análise de engenharia econômica para a determinação do custos da produção de biohidrogênio, água quente e água gelada, em US$/kWh. Esse estudo baseia-se em parâmetros tais como, investimento capital, custos de manutenção e operação dos equipamentos, período equivalente de utilização e período de amortização de capital. Em fase final, foram realizados estudos de impactos ambientais para a determinação das eficiências ecológicas dos processos de produção de biohidrogênio (reforma a vapor e eletrólise), considerando as emissões de poluentes, o dióxido de carbono equivalente e os indicadores de poluição. Como conclusões, tem-se que considerando a disponibilidade de biogás da cidade de São Paulo, existe potencial para a produção de biohidrogênio, e que o processo de reforma a vapor do biogás apresenta maior nível de eficiência sob o ponto de vista termodinâmico. Quando se considera a eletrólise incorporando a técnica da cogeração com a produção simultânea de eletricidade e água quente ou água gelada, observa-se aumento da eficiência energética do processo. A reforma a vapor do biogás, também se mostra mais atrativa economicamente de acordo com os parâmetros considerados. Sobre o ponto de vista ambiental, o processo de eletrólise com produção de água gelada apresenta maior eficiência ecológica, seguidos do processo de produção de água quente, reforma a vapor e somente eletrólise.
In this work is studied two processes to obtain hydrogen using biogas. Initially is analyzed the process of electrolysis of water, with the use of electricity generated in conjunction with an internal combustion engine / generator (ICE) operating with landfill biogas. generated by an internal combustion engine/generator operating with landfill biogas, is analyzed. In order to take advantage of the exhaust gases from the combustion of biogas, the potential of cogeneration is studied, another two cases are considered. The first one studies the production of hot water in the heat exchanger and the second analyzes the use of absorption refrigeration system to produce cold water. Subsequently it is studied the steam reform of biogas for the production of hydrogen, which is constituted of biogas burning for the generation of superheated steam used in the conversion of the fuel input. The objective is to make the energy analysis in order to determine the efficiency of the processes and the potential of producing hydrogen, hot water or ice water in the landfills of the city of São Paulo using the biogas generated. An economic engineering analysis to determine the production hydrogen cost, hot water and ice water, in US$/kWh, based on capital investment, maintenance and operation costs, equivalent period of use and payback. In the final phase, environmental study method is applied to determine the ecological efficiencies of the hydrogen production processes using biogas, considering the emissions of pollutants, carbon dioxide equivalent and pollution indicator. As a conclusion, considering the hydrogen production capacity and the biogas availability of the city of São Paulo, the process of steam reforming of the biogas is more thermodynamically efficient. When considering the electrolysis incorporating the cogeneration technique with the simultaneous production of electricity and hot water or cold water, it is observed an increase in the energy efficiency of the process. The steam reform of the biogas is more attractive economically according to the considered parameters. From the environmental point of view, the process of electrolysis with the production of cold water presents greater ecological efficiency, followed by the process of hot water production, steam reforming and only electrolysis.
In this work is studied two processes to obtain hydrogen using biogas. Initially is analyzed the process of electrolysis of water, with the use of electricity generated in conjunction with an internal combustion engine / generator (ICE) operating with landfill biogas. generated by an internal combustion engine/generator operating with landfill biogas, is analyzed. In order to take advantage of the exhaust gases from the combustion of biogas, the potential of cogeneration is studied, another two cases are considered. The first one studies the production of hot water in the heat exchanger and the second analyzes the use of absorption refrigeration system to produce cold water. Subsequently it is studied the steam reform of biogas for the production of hydrogen, which is constituted of biogas burning for the generation of superheated steam used in the conversion of the fuel input. The objective is to make the energy analysis in order to determine the efficiency of the processes and the potential of producing hydrogen, hot water or ice water in the landfills of the city of São Paulo using the biogas generated. An economic engineering analysis to determine the production hydrogen cost, hot water and ice water, in US$/kWh, based on capital investment, maintenance and operation costs, equivalent period of use and payback. In the final phase, environmental study method is applied to determine the ecological efficiencies of the hydrogen production processes using biogas, considering the emissions of pollutants, carbon dioxide equivalent and pollution indicator. As a conclusion, considering the hydrogen production capacity and the biogas availability of the city of São Paulo, the process of steam reforming of the biogas is more thermodynamically efficient. When considering the electrolysis incorporating the cogeneration technique with the simultaneous production of electricity and hot water or cold water, it is observed an increase in the energy efficiency of the process. The steam reform of the biogas is more attractive economically according to the considered parameters. From the environmental point of view, the process of electrolysis with the production of cold water presents greater ecological efficiency, followed by the process of hot water production, steam reforming and only electrolysis.
Descrição
Palavras-chave
Biohidrogênio, Biogás, Eletrólise, Reforma a vapor, Cogeração, Água quente, Água gelada, Análise energética, Análise econômica, Análise ecológica, Biohydrogen, Biogas, Electrolysis, Steam reforming, Cogeneration, Hot water, Cold water, Energetic analysis, Economic analysis, Ecological analysis