A importância da etapa de armazenamento e do inventário de dados na avaliação do ciclo de vida do hidrogénio

Abstract

O setor dos transportes é dos que mais contribui para as emissões globais de GEE pela utilização dos combustíveis fosseis. Este é um setor com grande relevância nas metas de emissões de gases poluentes, sendo que existem várias alternativas energéticas em desenvolvimento. Um dos vetores energéticos com maior interesse para este setor é o hidrogénio. Este possui uma elevada densidade energética por unidade de massa, é energeticamente mais eficiente do que os combustíveis fosseis, a sua utilização não tem emissões locais de GEE e pode ser armazenado. Existe no entanto muito trabalho e investigação pela frente nomeadamente na etapa de armazenamento e nas suas avaliações de desempenho e quantificações de energia. Assim, esta dissertação visa estudar um processo de armazenamento de H2 muito promissor, o armazenamento num hidreto metálico (o hidreto de magnésio) utilizando um catalisador, o dióxido de titânio. O objetivo principal consistiu em avaliar o comportamento cinético e gravimétrico do sistema MgH2/TiO2 assim como criar um inventário de dados de materiais e energia usados durante o procedimento experimental. Os resultados demonstraram que o catalisador tem um efeito significativo no desempenho gravimétrico (mais 6% de H2 do que sem catalisador) e ainda mais na cinética da reação para mais curtos intervalos de tempo. A temperatura desempenha também um papel importante sendo que a 320ºC é libertado cerca de 3 vezes mais H2 do que a 300ºC ao fim de meia hora. Com o decorrer dos ciclos de dessorção/absorção o comportamento da amostra melhora até ao 10º ciclo, mas logo a seguir apresenta um declínio que pode ser explicado por possíveis contaminações. Os resultados relativos ao potencial de armazenamento de H2 para o sistema estudado são semelhantes a alguns sistemas encontrados na literatura, nomeadamente o MgH2/NiCl2 com 4,6wt% de H2 a 300ºC ao fim de uma hora, e até superiores, ao MgH2/CoCl2, com apenas 2,2wt% nas mesmas condições. Para os dados de inventário os resultados demonstraram que em termos absolutos o processo de moagem mecânica do sistema MgH2/TiO2 é o que consome mais energia. O procedimento experimental apresenta um rácio de consumo/retorno de energia muito elevado explicado pela escala aqui utilizada. Do ponto de vista energético a utilização de temperaturas de dessorção superiores é mais eficiente pela rapidez de dessorção de H2 deste sistema, até 25,5%, entre as temperaturas de 300ºC e 320ºC. Neste trabalho foi também realizada uma otimização energética do procedimento experimental, através da determinação e utilização da taxa de aquecimento do forno mais eficiente, e uma otimização mássica, pela utilização de massa adicional deste sistema durante os processos, tendo como objetivo final a redução da energia consumida nas unidades de inventário utilizadas de kJ/g MgH2. Palavras-Chave Resumo

The transport sector is the largest contributor to global emissions of greenhouse gases through the use of fossil fuels. This is a sector with great relevance in greenhouse gas emissions targets, and there are several energy alternatives in development. One of the energy carriers with greater interest for this sector is hydrogen. This has a high energy density per unit mass, it is more energy efficient than fossil fuels, its utilization has no local emissions of greenhouse gases and it can be stored. There is however a lot of work and research ahead particularly in the hydrogen storage capacity and kinetics performance. Therefore, this work aims to study a very promising H2 storage process, a metal hydride (magnesium hydride) using an addictive, titanium dioxide. The main objective was to evaluate the kinetics and gravimetric performance of the MgH2/TiO2 system, as well as creating a data inventory of materials and energy used during the experimental procedure. The results showed that the catalyst has a significant effect on gravimetric performance (6% more H2 released than without catalyst), and even greater in the reaction kinetics for shorter time intervals. The temperature also plays an important role and at 320ºC is released about 3 times more H2 than at 300°C after half an hour. During the H2 cycling an increase on the gravimetric performance until the 10th cycle was noticed, but immediately after a decrease, which can be explained by a possible contamination. The results of the H2 storage potential for this system are similar to some systems found in the literature, in particular MgH2/NiCl2 with 4,6wt% of H2 released at 300 °C after one hour, or even higher, such as is the case for MgH2/CoCl2 with only 2,2wt% under the same conditions. For the data inventory the results showed that in absolute terms the ball milling process is the highest energy consumption process. The experimental procedure has a very high ratio of input and output energy explained by the laboratory scale used here. From an energy perspective the use of higher desorption temperatures is more efficient because of its faster kinetics, and it can be up to 25,5% more efficient between the temperatures of 300ºC and 320ºC. An energy optimization of the experimental procedure was also performed in this work, by determining and using the optimal heating rate of the laboratory furnace, as well as an optimization of the masses, with additional mass use of this system during the experimental processes, with the ultimate goal of reducing energy consumption, in the inventory units used of kJ/g MgH2.