O poder do hidrogênio: simulação para uma demanda energética sustentável
Neste blog post, exploramos as etapas essenciais do hidrogênio como fonte de energia limpa, desde a produção até o armazenamento e o transporte, e como a simulação computacional desempenha um papel fundamental na otimização do desempenho, análise de segurança, mitigação de riscos e aceleração da adoção do hidrogênio em diversas aplicações.
Diante do crescimento contínuo da demanda energética, é necessário contar com fontes de eletricidade mais sustentáveis, seguras e confiáveis. Muitas fontes renováveis, como solar e eólica, geram eletricidade de forma intermitente, pois dependem das condições climáticas e da estação do ano. Além disso, alguns sistemas de conversão de energia exigem calor proveniente da queima de combustíveis fósseis, e sua adaptação para o uso de combustíveis renováveis deve ser feita com o mínimo descarte possível de equipamentos. Por isso, a adaptação desses sistemas é uma etapa crucial na engenharia voltada para a transição energética sustentável.
Para enfrentar esses desafios, é necessário um sistema de armazenamento de energia adequado, que permita ajustar o fornecimento à demanda energética. A capacidade de armazenamento das baterias ainda é bastante limitada. Já o hidrogênio permite armazenar energia por longos períodos para uso posterior.
O hidrogênio é um vetor energético, ou seja, uma substância que facilita o transporte e armazenamento de energia para uso futuro. Além disso, ele não é uma fonte primária de energia, pois sua obtenção requer consumo energético. Quando produzido a partir de eletricidade gerada por fontes renováveis, o hidrogênio é chamado de hidrogênio verde.
Maximizando o potencial do hidrogênio com simulação
Tradicionalmente, a validação de projetos é feita por meio de protótipos físicos, o que aumenta custos e prazos devido à necessidade de constantes retrabalhos. A simulação computacional acelera o desenvolvimento ao fornecer informações desde as primeiras fases, reduzindo a necessidade de prototipagem física. No caso do hidrogênio, essas soluções permitem avaliar o desempenho dos dispositivos em plantas de reforma, otimizar o processo de eletrólise, realizar análises de segurança em tanques de armazenamento e estudar a dinâmica da chama em diferentes proporções de mistura e condições operacionais.
Esses insights são essenciais para mitigar os desafios do uso do hidrogênio e acelerar sua adoção em aplicações como células a combustível, turbinas a gás e motores de combustão interna. A seguir, analisamos as etapas de produção, armazenamento, transporte e uso do hidrogênio e como a simulação pode otimizá-las.
Produção de hidrogênio
Reforma de metano a vapor
Atualmente, a maior parte do hidrogênio é gerada pelo processo de reforma de metano a vapor (SMR). Nele, o gás natural e o vapor d’água são reformados em um catalisador de níquel a cerca de 850°C. O hidrogênio obtido dessa maneira é chamado de hidrogênio cinza, pois emite grandes quantidades de poluentes. Quando o processo inclui captura e armazenamento de carbono, o hidrogênio gerado recebe o nome de hidrogênio azul.
Simulação fluidodinâmica de um reator monolítico para a produção de hidrogênio
Eletrólise da água
Um método mais limpo para produzir hidrogênio é a eletrólise. Ele consiste na passagem de corrente elétrica pela água para dividi-la em hidrogênio e oxigênio. Se a eletricidade utilizada provém de fontes renováveis, o processo é totalmente livre de emissões.
Existem diversas tecnologias para realizar a eletrólise da água, sendo uma das mais conhecidas a eletrólise com membrana de troca protônica (PEM). Em um eletrólito PEM, há uma fase líquida principal (a água) e uma segunda fase gasosa composta pelas pequenas bolhas de hidrogênio que são geradas e transportadas dispersas na fase líquida.
Nesse tipo de eletrólito, um dos componentes críticos são as placas bipolares. A função dessas placas metálicas é múltipla: por um lado, elas separam cada conjunto membrana-eletrodo da célula, proporcionando resistência estrutural, e, por outro, distribuem a água e o hidrogênio gerado na saída por meio de canais de fluxo mecanizados. Além disso, são fundamentais para a condução elétrica correta até os pontos de reação, assim como para a dissipação do calor.
A simulação fluidodinâmica (CFD) é essencial para analisar o fluxo multifásico nos canais, calcular a taxa de geração de hidrogênio e determinar as frações volumétricas das fases líquida e gasosa. Ferramentas como Ansys Meshing ajudam a criar malhas em geometrias complexas para testar diferentes designs, enquanto o Ansys Fluent oferece modelos específicos para eletrólise PEM e SOEC (eletrólise de óxido sólido).
Fração de hidrogênio em uma célula de eletrólise em diferentes vazões
Armazenamento de hidrogênio
O armazenamento de hidrogênio líquido em temperaturas criogênicas exige materiais capazes de suportar o frio com segurança e eficiência. Durante a distribuição, é fundamental controlar a temperatura, pois qualquer aumento pode fazer com que o hidrogênio volte ao estado gasoso e escape, representando um risco.
A simulação desempenha um papel crucial nesse cenário, permitindo análises estruturais avançadas com materiais compostos por meio do Ansys Mechanical. O Ansys Granta, por sua vez, oferece uma biblioteca extensa de materiais e ferramentas para busca e seleção de substitutos adequados.
Transporte de hidrogênio
O hidrogênio é muito menor e leve que os combustíveis fósseis e, portanto, mais propenso a vazamentos e risco de autoignição e explosão. Seu amplo limite de inflamabilidade, combinado com baixos níveis de energia de ignição e alta velocidade de propagação da chama, faz com que possa queimar ou explodir sob diversas condições. A simulação permite estudar os mecanismos que levam à autoignição e otimizar o design dos tanques para minimizar o risco de vazamento.
Auto-ignição de escape de hidrogênio
Utilização do hidrogênio
Para usar o hidrogênio de forma eficiente e segura, é essencial compreender suas características de combustão e questões relacionadas à segurança.
Características da combustão do hidrogênio
- A velocidade da chama é 8 vezes maior que a do metano.
- Seu limite de inflamabilidade no ar varia de 4% a 70%, mais amplo que o dos hidrocarbonetos.
- Requer uma energia de ignição 15 vezes menor do que os hidrocarbonetos.
- Não gera emissões de CO₂, CO, fuligem ou hidrocarbonetos não queimados.
Questões relativas de segurança
- Maior temperatura de chama: o fato de sua temperatura de chama adiabática ser mais alta apresenta vantagens e desvantagens. Por um lado, aumenta a eficiência e a estabilidade do processo de combustão, mas, por outro, aumenta a geração de óxidos de nitrogênio (NOx) e impõe desafios relacionados à proteção dos metais.
- Portanto, para o correto design de um dispositivo de combustão, é necessário alcançar um equilíbrio entre eficiência, emissões e estabilidade.
- Retrocesso de chama (Flashback): esse fenômeno ocorre quando a velocidade do gás que sai do queimador é inferior à velocidade da chama. A chama se propaga a montante, sem se extinguir, causando danos aos componentes. Para evitar o flashback, é possível simular a combustão de diferentes misturas à base de hidrogênio para determinar a proporção mais adequada e, assim, aumentar a vida útil da câmara de combustão.
Retrocesso de chama em combustor
Adaptação de tecnologia existente para combustíveis renováveis
- A solução mais viável a curto prazo é o retrofit de motores existentes e o uso de misturas hidrogênio-metano.
- O índice de Wobbe, que compara a energia de combustão de diferentes gases, é essencial para garantir a intercambialidade dos combustíveis e minimizar impactos na substituição.
- A simulação permite prever o comportamento de misturas de combustíveis à base de H₂ e evitar problemas operacionais.
Combustão de hidrogênio: equilíbro entre emissões, eficiência e estabilidade
Aplicações da simulação no ciclo do hidrogênio
Produção
- Modelagem do reformado de metano a vapor (Ansys Fluent)
- Análise eletroquímica e fluidodinâmica da eletrólise (Ansys Fluent)
Armazenamento
- Design de tanques criogênicos (Ansys Mechanical)
- Design de compressores (Ansys Fluent, CFX, BladeModeler, Mechanical)
- Liquefação assistida
Transporte
- Autoignição por vazamentos
A previsão da autoignição do hidrogênio devido à ruptura repentina do tanque de armazenamento é de extrema importância para garantir a segurança durante a manipulação e o transporte. Estudo paramétrico do tamanho do orifício de vazamento utilizando (Ansys optiSLang) - Projeto do depósito de H2 comprimido
Utilização
- Combustão de hidrogênio: retrocesso de chama, NOx, misturas combustíveis, proteção de metais (Ansys Fluent)
- Veículos a pilha de combustível
- Energia de pilhas de combustível
- Combustão em turbinas a gás (Ansys Fluent)
As soluções de simulação Ansys abrangem todas as áreas de aplicação
Em resumo, a simulação desempenha um papel essencial na viabilização do hidrogênio como solução energética sustentável, contribuindo para sua produção segura, eficiente e economicamente viável.
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