Resumo:
Na presente dissertação, foi proposta e avaliada técnica e economicamente uma planta de produção de hidrogênio, metano sintético e energia elétrica, tendo como matéria-prima água, energia solar e dióxido de carbono. A energia solar foi aproveitada por meio de um sistema de torre solar e helióstatos, os quais são capazes de fornecer as elevadas quantidades de energia necessárias para o processo de separação da água em hidrogênio e oxigênio. A água é separada por meio de reações intermediárias, as quais compõem o ciclo termoquímico de óxidos metálicos, sendo esse um dos principais campos de pesquisa na produção de hidrogênio renovável. Contudo, as taxas experimentais de produção de hidrogênio estão longe dos processos teóricos, principalmente devido a problemas de absorção de oxigênio na matriz do reator e problemas de degeneração do óxido após vários ciclos, o que limita o hidrogênio liberado. Portanto, foram estabelecidos vários cenários que permitem estimar o futuro dessa tecnologia, por meio do cálculo da sua eficiência e do custo de produção de hidrogênio. Após produzir, resfriar e purificar o hidrogênio, este passa para um processo de metanação, onde por meio de um arranjo de reatores Sabatier, o hidrogênio, juntamente ao dióxido de carbono, é convertido em vapor de água, metano sintético e calor, com eficiências de conversão de até 82%. O metano sintético é queimado em conjunto com o hidrogênio numa turbina a gás, obtendo assim maiores temperaturas de exaustão, eficiências e potência de saída, observa-se que se deve limitar o teor de hidrogênio na mistura devido à sua elevada velocidade de chama e sua maior imflamabilidade, sendo um teor de 15% o valor recomendado para turbinas convencionais. A energia térmica liberada nos reatores Sabatier e a energia presente nos gases de exaustão da turbina, são em parte recuperados por um Ciclo Rankine Orgânico (ORC), operando com Ciclopentano como fluido de trabalho e atingindo uma eficiência de 23,28% no ORC e 41,32% com a turbina a gás. Portanto, a planta proposta permite a produção de três dos mais importantes portadores energéticos da atualidade, sendo seus custos de produção para o hidrogênio, metano sintético e energia elétrica de 10,98 US$/kg, 6,60 US$/kg e 1,14 US$/kWh, respectivamente. Como principais restrições desta tecnologia está a pouca capacidade de armazenagem de oxigênio nos óxidos metálicos existentes atualmente e a elevada degradação da matriz onde ocorre as reações.
