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O gás hidrogênio está presente no biogás e ele entra em ignição espontaneamente?

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O gás hidrogênio está presente no biogás? Por ser altamente inflamável, pode inflamar outros gases como o metano?


A constituição do biogás depende muito de sua fonte e do micróbio fermentador. Mas, em geral, ele contém cerca de 0-1% de hidrogênio. Mesmo que contivesse grandes quantidades, a mistura seria inflamável, mas não explodiria em chamas sem qualquer dispositivo de ignição externo, o que poderia ser qualquer pequena flutuação de calor se a mistura for muito instável. Mas, em geral, um gás inflamável não começa a queimar sozinho.


A temperatura de autoignição de uma mistura combustível de hidrogênio no ar é de 500 graus C, fonte - Wikipedia. Ele não se acende espontaneamente; alguma parte dele deve primeiro atingir essa temperatura por meio de uma faísca, chama ou outra fonte de calor. Assim que entrar em ignição, o metano também queimará.


Biogás: introdução

O biogás é principalmente metano (cerca de 60%) com dióxido de carbono (cerca de 40%) e um pouco de hidrogênio e sulfeto de hidrogênio. É feito por bactérias anaeróbicas que quebram a matéria orgânica na ausência de oxigênio (quando a matéria orgânica está alagada - ou seja, uma pasta). O processo também ocorre em aterros sanitários e no sistema digestivo de humanos e outros animais (sim, peidos são biogás).

O biogás é gerado naturalmente na lama no fundo dos pântanos & # 8211 é & # 8217s chamado de gás do pântano e pode causar poucas chamas & # 8216will-o-the-wisp & # 8217 sobre a água, devido à ignição espontânea de gases produzidos por bactérias e acender o metano.

Pequeno digestor experimental de biogás. O material residual é colocado no tambor de óleo a tampa de neoprene sobe quando cheio de gás, o gás é canalizado para um recipiente (tambor de plástico de cabeça para baixo com selo d'água) que sobe conforme mais gás entra. Quando cheio, o gás pode ser retirado e usado por meio de um pequeno anel de gás.

Mas podemos fazer isso nós mesmos a partir de resíduos vegetais e animais, e até mesmo resíduos de material macio humano são melhores do que galhos / material lenhoso. O biogás pode ser queimado para acionar um gerador ou, em menor escala, para cozinhar ou acender lâmpadas a gás. Além disso, motores a biogás foram desenvolvidos para transporte.

O equipamento no qual a matéria orgânica se decompõe anaerobicamente é chamado de digestor, e também há algum tipo de recipiente de armazenamento para o gás produzido. O biogás bruto pode ser & # 8216scrubbed & # 8217 passando-o por cal apagada, que remove a maior parte do CO 2 e aumenta seu valor calorífico.

Experimento de minibiogás, trabalhando exatamente com o mesmo princípio do digestor acima.

Os dois tipos principais de digestores são contínuos e descontínuos. Os digestores contínuos têm uma produção constante de material, e os digestores de lote extraem o gás de um lote contido de material, que é então esvaziado e um novo lote é adicionado.

Os digestores de biogás já são amplamente utilizados em países em desenvolvimento, especialmente Índia e China, pois a lenha para cozinhar torna-se escassa. Existem milhões de pequenas fábricas familiares na Índia e na China. No Ocidente, os digestores tendem a ser em grande escala, levando dejetos de animais e esgoto humano. Mas também podem ser em escala doméstica, para indivíduos que buscam reduzir sua dependência de combustíveis fósseis.

Pequeno digestor de biogás, movido a esterco animal e resíduos de cozinha, que produz gás para cozinhar e escoamento de composto para o jardim, e usa um tubo interno de carro para armazenar o gás!

Quais são os benefícios do biogás?

Reduz as emissões de CO 2

Porque é um substituto do gás natural. Como o CO 2 do biogás é de matéria vegetal recentemente viva (mesmo que tenha sido alimentado para animais), ele faz parte de um ciclo - ou seja, o CO 2 liberado pela queima do biogás é absorvido pelas plantas que fornecerão biogás futuro, e assim sobre.

Reduz as emissões de metano

A pecuária é responsável por cerca de 40% do metano liberado na atmosfera pela atividade humana. Quando o metano é queimado, ele libera CO 2, mas o metano é cerca de 30 vezes mais potente como gás de efeito estufa do que o CO 2, então é uma boa ideia queimá-lo em vez de liberá-lo. No entanto, é melhor para os resíduos orgânicos serem separados e colocados em um digestor anaeróbico em vez de coletar metano de aterros sanitários e economizaria mais energia se todos os resíduos orgânicos, incluindo papel, fossem reciclados em vez de depositados em aterro - além disso, evitaria a lixiviação de contaminantes nas águas subterrâneas e no solo.

Seção transversal simplificada de um tipo de digestor usado para dejetos animais e humanos em toda a China e no Extremo Oriente. Um banheiro pode ser incorporado a este sistema. Imagem: Tkarcher, CC BY-SA

Reduz o uso de recursos

O biogás não precisa de milhões de quilômetros de tubos para entregá-lo e não precisa ser liquefeito e transportado para o mundo todo, com todos os recursos e energia que essas coisas envolvem. Além disso, ele economiza árvores (para lenha). O gás natural é finito, então não durará para sempre - e provavelmente haverá guerras por ele quando acabar.

Digestor um pouco maior, preenchido com esterco animal coletado em pequenas propriedades locais, com filtro de lã de aço para remoção de sulfeto de hidrogênio e tanques de armazenamento de gás com selo d'água e demonstração de como cozinhar com o gás.

Cria dois recursos renováveis

Lodo de esgoto e dejetos animais geralmente acabam como fertilizantes de qualquer maneira, então é melhor obter combustível primeiro e evitar o escoamento e as emissões de metano ao mesmo tempo - e você ainda obterá fertilizante no final do processo. É o elo que faltava para aqueles que desejam mudar de combustíveis fósseis - muitas pessoas aquecem suas casas com lenha e sua água com energia solar e obtêm eletricidade do vento e solar - mas cozinhar é um problema, pois é muito caro com eletricidade, e agas são caros, demoram muito para acender e farão seu espaço muito quente no verão. O gás é melhor para cozinhar, mas com o biogás isso pode ser feito sem contas de gás.

NB: como com outros biocombustíveis, pensamos que a matéria-prima (matéria-prima) deve ser material residual. Não achamos que seja uma boa ideia reservar grandes áreas de terra para o cultivo de combustíveis quando grande parte do mundo não tem comida suficiente (embora o desperdício das safras de alimentos seja bom). Veja Biofuel Watch. Além disso, os digestores de grande escala precisam ser alimentados por grandes operações, como fazendas industriais ou estações de tratamento de esgoto. Eles trazem seus próprios problemas, como hormônios, crueldade contra os animais e transporte e produtos químicos que consomem muita energia. Pensamos que a melhor solução é normalmente a menor escala possível - neste caso a escala agrícola ou doméstica.

Adicionar resíduos alimentares a um pequeno digestor.

O que posso fazer?

Configurando

Os digestores batch baseados em algum tipo de tambor / recipiente são viáveis ​​em escala doméstica. Os digestores contínuos são populares na Ásia e # 8211, um poço de entrada e saída com um recipiente de gás de concreto ou aço. Você pode construir o seu próprio - leia um livro, consulte nossa página de links ou participe de um curso.

Como construir um digestor de biogás em escala doméstica / agrícola.

Dimensionamento

Na Índia, para uma família de 8 com alguns animais (digamos 8 a 10 vacas), um digestor de 10m³ é recomendado, com armazenamento de gás de 2m³. Mas um pequeno digestor familiar típico terá cerca de um metro cúbico. Para cozinhar e iluminar, você não precisa de muito. Cada kg de material biodegradável renderá cerca de 0,4 m³ (400l) de gás, e as lâmpadas a gás precisam de cerca de 100l por hora. 2 anéis de gás por algumas horas por dia usarão entre 1-2 m³, então se você tem algum gado, além de cozinha e resíduos humanos, você pode fazer isso facilmente. Quando se trata de acionar qualquer tipo de motor (por exemplo, um gerador ou uma bomba), é uma questão diferente e está muito além da escala doméstica. Quanto tempo você deixa o material em um digestor de lote depende da temperatura (2 semanas a 50 ° C até 2 meses a 15 ° C). A média é de cerca de 1 mês, então meça quanto material você adicionará a cada dia e multiplique por 30 para calcular o tamanho do digestor.

Digestor de biogás em uma fazenda familiar na Índia, não há razão para que eles não possam ser usados ​​com sucesso no Ocidente também.

O que não estamos apoiando é a construção de digestores gigantescos para absorver grandes quantidades de milho, cultivado especialmente para alimentar os digestores. Veja aqui e aqui para mais informações sobre isso. Isso não significa que o biogás seja uma má ideia, ele é apenas um & # 8216pequeno é bonito & # 8216 questão, melhor usado para levar resíduos para produzir energia e compostagem em escala agrícola. É a escala que é o problema, não a tecnologia. Do segundo desses dois artigos:

& # 8220O primeiro e mais óbvio problema é que isso significa tirar terras da produção de alimentos. Uma usina de biogás com capacidade de um megawatt & # 8216 requer 20.000-25.000 toneladas [de milho] por ano, respondendo por 450-500 hectares de terra & # 8217. Considere, ao ler isso, que a capacidade média de uma turbina eólica offshore é de quatro megawatts. Quatrocentos e cinquenta hectares de terreno ou um pilar de concreto no fundo do mar - pode haver alguma dúvida sobre qual é a melhor opção? & # 8221

Água fervente com biogás.

Usar

A entrada de resíduos deve ser uma lama - portanto, adicione água se estiver muito sólida. Tente manter a temperatura o mais alta possível, pois gera um pouco de calor, mas em países mais frios o digestor precisará de isolamento e até um pouco mais de calor no inverno (que pode ser fornecido por parte do biogás). Uma estufa é um bom lugar para isso.

Segurança

O metano é explosivo - consulte o site da Adelaide University & # 8217s para considerações de segurança.

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Biohidrogênio

23.2.1 Biohidrogênio por gaseificação

Além da produção de biohidrogênio a partir do biogás, também pode ser produzido por meio da gaseificação da biomassa, semelhante à produção de bio-SNG. Um método de gaseificação deve ser usado para produzir um gás com maior conteúdo de hidrogênio. Caso contrário, reforma adicional a vapor é necessária para converter metano em hidrogênio. O deslocamento do gás água é usado para aumentar o rendimento de hidrogênio. Em seguida, o CO restante 2 é removido por adsorção por oscilação de pressão ou separação por membrana de cerâmica, o que deixa o biohidrogênio, que deve ser usado como combustível automotivo. Para usá-lo dessa forma, ele deve ser comprimido ou liquefeito ou armazenado em hidretos metálicos. O hidrogênio pode ser usado em motores de combustão interna ou células de combustível. Uma vez que os veículos com células de combustível ainda não estão disponíveis comercialmente e uma infraestrutura de distribuição de hidrogênio não pode ser realizada em curto prazo, o biohidrogênio é considerado uma opção de longo prazo para o setor de transporte. Os principais desafios para um maior desenvolvimento do biohidrogênio são semelhantes aos de outros biocombustíveis derivados da gaseificação (exceto SNG).

A gaseificação supercrítica, uma opção para a produção de SNG, também é uma tecnologia útil para a produção de biohidrogênio. Porém, nesse caso, a reforma a vapor é necessária para converter o metano formado em hidrogênio, o que torna o processo mais caro. Outra opção para produzir hidrogênio a partir de biomassa úmida, que também ainda está em escala de laboratório, é uma tecnologia chamada dark e fotfermentação. O hidrogênio pode ser produzido diretamente pela digestão anaeróbia (biogás). A fermentação escura é um processo semelhante, entretanto, ela é manipulada de tal forma que o hidrogênio do produto final desejado é produzido diretamente sem a formação de metano, enquanto o hidrogênio é normalmente um produto intermediário na digestão anaeróbica. Durante a fermentação escura, além do hidrogênio, são produzidos ácidos orgânicos, que podem ser convertidos em hidrogênio por um processo denominado fotfermentação.


O gás hidrogênio está presente no biogás e ele entra em ignição espontaneamente? - Biologia

A fermentação de metano é uma biotecnologia versátil capaz de converter quase todos os tipos de materiais poliméricos em metano e dióxido de carbono em condições anaeróbicas. Isso é obtido como resultado da quebra bioquímica consecutiva de polímeros em metano e dióxido de carbono em um ambiente no qual uma variedade de microrganismos que incluem microrganismos fermentativos (acidogênios) produtores de hidrogênio, micróbios formadores de acetato (acetogênios) e micróbios produtores de metano (metanógenos) crescem harmoniosamente e produzem produtos finais reduzidos. Os anaeróbios desempenham papéis importantes no estabelecimento de um ambiente estável em vários estágios da fermentação do metano.

A fermentação do metano oferece um meio eficaz de redução da poluição, superior ao obtido por meio de processos aeróbicos convencionais. Embora praticada por décadas, o interesse na fermentação anaeróbia só recentemente se concentrou em seu uso na recuperação econômica de gás combustível de excedentes industriais e agrícolas.

A bioquímica e a microbiologia da decomposição anaeróbica de materiais poliméricos em metano e os papéis dos vários microrganismos envolvidos são discutidos aqui. O progresso recente na biologia molecular de metanógenos é revisto, novos digestores são descritos e melhorias na operação de vários tipos de biorreatores também são discutidas.

A fermentação do metano é consequência de uma série de interações metabólicas entre vários grupos de microrganismos. Uma descrição dos microrganismos envolvidos na fermentação do metano, com base em uma análise de bactérias isoladas de digestores de lodo de esgoto e do rúmen de alguns animais, está resumida na Fig. 4-1. O primeiro grupo de microrganismos secretam enzimas que hidrolisam materiais poliméricos em monômeros, como glicose e aminoácidos, que são subsequentemente convertidos em ácidos graxos voláteis mais elevados, H 2 e ácido acético (Fig. 4-1 estágio 1). No segundo estágio, bactérias acetogênicas produtoras de hidrogênio convertem os ácidos graxos voláteis mais elevados, por exemplo, ácidos propiônico e butírico produzidos, em H 2, CO 2 e ácido acético. Finalmente, o terceiro grupo, as bactérias metanogênicas, convertem H 2, CO 2 e acetato em CH 4 e CO 2.

Materiais poliméricos como lipídios, proteínas e carboidratos são principalmente hidrolisados ​​por hidrolases extracelulares, excretados por micróbios presentes no Estágio 1 (Fig. 4-1). Enzimas hidrolíticas (lipases, proteases, celulases, amilases, etc.) hidrolisam seus respectivos polímeros em moléculas menores, principalmente unidades monoméricas, que são então consumidas por micróbios. Na fermentação de metano de águas residuais contendo altas concentrações de polímeros orgânicos, a atividade hidrolítica relevante para cada polímero é de importância fundamental, em que a hidrólise do polímero pode se tornar uma etapa de limitação de taxa para a produção de substratos bacterianos mais simples para serem usados ​​em etapas de degradação subsequentes .

As lipases convertem lipídios em ácidos graxos de cadeia longa. Foi relatada uma densidade populacional de 10 4 - 10 5 bactérias lipolíticas por ml de fluido digestor. Clostridia e os micrococos parecem ser responsáveis ​​pela maioria dos produtores de lipase extracelular. Os ácidos graxos de cadeia longa produzidos são posteriormente degradados pela p-oxidação para produzir acetil CoA.

As proteínas são geralmente hidrolisadas em aminoácidos por proteases, secretadas por Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas e Streptococcus. Os aminoácidos produzidos são então degradados em ácidos graxos, como acetato, propionato e butirato, e em amônia, como encontrado em Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter e Bacteroides.

Polissacarídeos como celulose, amido e pectina são hidrolisados ​​por celulases, amilases e pectinases. A maioria das celulases microbianas é composta por três espécies: (a) endo- (3-1, 4-glucanases (b) exo-pl, 4-glucanases (c) celobiase ou p-glucosidase. Estas três enzimas atuam sinergicamente na celulose hidrolisando efetivamente sua estrutura cristalina para produzir glicose. A hidrólise microbiana de amido bruto em glicose requer atividade amilolítica, que consiste em 5 espécies de amilase: (a) a-amilases que endoclivam ligações a & plusmn1-4 (b) p-amilases que exoclivam uma Ligações & plusmn1-4 (c) amiloglucosidases que exoclivam ligações a & plusmnl-4 e a & plusmnl-6 (d) enzimas de desramificação que atuam nas ligações a & plusmnl-6 (e) maltase que atua sobre a glicose de liberação de maltose. As pectinas são degradadas pelas pectinases, incluindo pectinesterases e despolimerases. As xilanas são degradadas com uma & sup2-endo-xilanase e uma & sup2-xilosidase para produzir xilose.

Hexoses e pentoses são geralmente convertidas em intermediários C2 e C3 e em transportadores de elétrons reduzidos (por exemplo, NADH) por meio de vias comuns. A maioria das bactérias anaeróbias sofre metabolismo de hexose através da via Emden-Meyerhof-Parnas (EMP), que produz piruvato como intermediário junto com NADH. O piruvato e o NADH assim gerados são transformados em endo-produtos de fermentação, como lactato, propionato, acetato e etanol, por outras atividades enzimáticas que variam enormemente com as espécies microbianas.

Assim, na hidrólise e acidogênese (Fig. 4-1 Estágio 1), açúcares, aminoácidos e ácidos graxos produzidos pela degradação microbiana de biopolímeros são sucessivamente metabolizados por endo-produtos de fermentação, como lactato, propionato, acetato e etanol por outros atividades enzimáticas que variam enormemente com as espécies microbianas.

Assim, na hidrólise e acidogênese (Fig. 4-1 Estágio 1), açúcares, ácidos de munição e ácidos graxos produzidos pela degradação microbiana de biopolímeros são sucessivamente metabolizados por grupos de bactérias e são fermentados principalmente em acetato, propionato, butirato, lactato, etanol, dióxido de carbono e hidrogênio (2).

Embora algum acetato (20%) e H 2 (4%) sejam produzidos diretamente pela fermentação acidogênica de açúcares e aminoácidos, ambos os produtos são derivados principalmente da acetogênese e desidrogenação de ácidos graxos voláteis superiores (Fig. 4-1 Estágio 2 )

Obrigatoriedade de bactérias acetogênicas produtoras de H2 são capazes de produzir acetato e H2 de ácidos graxos superiores. Apenas Syntrophobacter wolinii, um decompositor de propionato (3) e Sytrophomonos wolfei, um decompositor de butirato (4) foram isolados até agora devido a dificuldades técnicas envolvidas no isolamento de cepas puras, uma vez que H 2 produzido, inibe severamente o crescimento dessas cepas. O uso de técnicas de co-cultura incorporando consumidores de H 2, como metanógenos e bactérias redutoras de sulfato, pode, portanto, facilitar a elucidação da degradação bioquímica de ácidos graxos.

As reações de quebra geral para ácidos graxos de cadeia longa são apresentadas nas Tabelas 4-1 e 4-2. A produção de H2 por acetogênios é geralmente desfavorável do ponto de vista energético devido aos altos requisitos de energia livre (a & # 148G o, & gt 0 Tabela 4-1 e 4-2).No entanto, com uma combinação de bactérias consumidoras de H 2 (Tabela 4-2, 4-3), os sistemas de co-cultura fornecem condições favoráveis ​​para a decomposição de ácidos graxos em acetato e CH 4 ou H 2 S (a & # 148G o , & lt 0). Além da decomposição dos ácidos graxos de cadeia longa, o etanol e o lactato também são convertidos em acetato e H 2 por um acetogênio e Clostridium formicoaceticum, respectivamente.

O efeito da pressão parcial de H 2 na energia livre associada à conversão de etanol, propionato, acetato e H 2 / CO 2 durante a fermentação do metano é mostrado na Fig. 4-2. Uma pressão parcial extremamente baixa de H 2 (10 -5 atm) parece ser um fator significativo na degradação do propionato em CH 4. Essa pressão parcial baixa pode ser alcançada em uma co-cultura com bactérias consumidoras de H 2, conforme descrito anteriormente (Tabela 4-2,4-3).

Os metanógenos são fisiologicamente unidos como produtores de metano na digestão anaeróbia (Fig. 4-1 Estágio 3). Embora o acetato e H 2 / CO 2 sejam os principais substratos disponíveis no ambiente natural, formato, metanol, metilaminas e CO também são convertidos em CH 4 (Tabela 4-3).

Tabela 4-1 Reações propostas envolvidas no catabolismo de ácidos graxos por Syntrophomonas wolfei

+ 2 H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O 3 CH 3 COO - + 4H 2 + 2H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6 H 2 O 4 CH 3 COO - + 6H 2 + 3H +

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Tabela 4-2 Alterações de energia livre para reações que envolvem oxidação anaeróbica em culturas puras ou em co-culturas com metanógenos de utilização de H2 ou Desulfovibrio spp.

1. Bactéria acetogênica redutora de prótons (produtora de H2)

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. Metanógenos usando H2 e desulfovibrios

C. 4H 2 + HCO 3 - + H + CH 4 + 3 H 2 O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 "4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tabela 4-3 Reações de produção de energia de metanogênios

CO 2 + 4 H 2 & reg CH 4 + 2H 2 O

HCO 3 - + 4 H 2 + H + & reg CH 4 + 3 H 2 O

CH 3 COO - + H 2 O & reg CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + & reg 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H2O

CO + 0,5 H 2 O & reg 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH 3 OH & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3) 2 NH 2 + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH 3) 3 NH + 1,5H 2 O & reg 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 4 +

Uma vez que os metanógenos, como anaeróbios obrigatórios, requerem um potencial redox de menos de -300 mV para o crescimento, seu isolamento e cultivo foram um tanto elusivos devido às dificuldades técnicas encontradas em manuseá-los sob condições completamente livres de O 2. No entanto, como resultado de técnicas de isolamento de metanogênio muito melhoradas desenvolvidas por Hungate (6), mais de 40 cepas de metanogênios puros foram agora isoladas. Os metanógenos podem ser divididos em dois grupos: H 2 / CO 2 - e consumidores de acetato. Embora alguns dos consumidores de H 2 / CO 2 sejam capazes de utilizar formato, o acetato é consumido por um número limitado de cepas, como Methanosarcina spp. e Methanothrix spp. (agora, Methanosaeta), que são incapazes de usar formato. Uma vez que uma grande quantidade de acetato é produzida no ambiente natural (Fig. 4-1), Methanosarcina e Methanothrix desempenham um papel importante na conclusão da digestão anaeróbia e no acúmulo de H 2, que inibe acetogênios e metanogênios. Metanógenos consumidores de H2 também são importantes para manter baixos níveis de H2 atmosférico.

Os metanógenos que consomem H 2 / CO 2 reduzem o CO 2 como um aceptor de elétrons através dos níveis de formila, metenila e metila por meio da associação com coenzimas incomuns, para finalmente produzir CH 4 (7) (Fig. 4-3). A reação acetoclástica geral pode ser expressa como:

Como uma pequena parte do CO 2 também é formada a partir do carbono derivado do grupo metil, suspeita-se que o potencial reduzido produzido a partir do grupo metil pode reduzir o CO 2 a CH 4 (8).

Com base na análise da sequência homóloga de rRNAs 16S, os metanógenos foram classificados em um dos três reinos primários de organismos vivos: o Archaea (Archaebacteria). As Archaea também incluem grupos principais de organismos, como termófilos e halófilos. Embora Archaea possua uma estrutura e organização de células procarióticas, eles compartilham características comuns com eucariotos: sequências homólogas em rRNA e tRNA, a presença de inn-ones em seus genomas, organização de subunidade de RNA polimerase semelhante, homologias imunológicas e sistemas de tradução.

A tecnologia do DNA recombinante é uma das técnicas mais poderosas para caracterizar a regulação bioquímica e genética da metanogênese. Isso requer a seleção de marcadores genéticos, um sistema de transformação genética eficiente e um sistema de vetor para recombinação genética como pré-requisitos.

As cepas marcadas geneticamente são pré-requisitos para estudos genéticos: essas cepas podem ser empregadas para desenvolver um sistema de troca genética em metanógenos com base em um sistema de seleção eficiente. Como o crescimento de M. thermoautotrophicum é inibido pelo fluorouracil, as cepas resistentes aos análogos foram isoladas por mutação espontânea. Outros mutantes resistentes à DL-etionina ou 2-bromoetano sulfonato (análogo da coenzima M), além dos mutantes autotróficos, foram obtidos por tratamento mutagênico. Várias cepas autotróficas também foram obtidas para o metanogênio acetoclástico, M. voltae. Essas cepas mutantes estão listadas na Tabela 4-4.

Embora alguns genes metanogênicos, como genes biossintéticos de aminoácidos e purinas, genes de maquinaria de transcrição e tradução e genes de proteínas estruturais, tenham sido clonados, genes que codificam enzimas envolvidas na metanogênese foram escolhidos como "genes de metano" aqui.

Metil CoM redutase (MR Fig. 4-3) constitui aproximadamente 10% da proteína total em culturas metanogênicas. A importância e abundância do RM inevitavelmente focalizaram a atenção inicial na elucidação de sua estrutura e nos mecanismos que direcionam sua síntese e regulação. Os genes que codificam MR foram clonados e sequenciados de Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum e M. fervidus.

A formilmetanofurano transferase (FTR) catalisa a transferência de um grupo formil de formilmetanofurano (MFR) para tetrahidrometanopterina (H 4 MPT) (Fig. 4-3, 4-2). O gene que codifica FTR de M. thermoautotrophicum foi clonado, sequenciado e expresso funcionalmente em E. coli. A formato desidrogenase (FDH) pode às vezes representar 2 a 3% do total de proteínas solúveis em culturas metanogênicas. Os dois genes que codificam as subunidades a & plusmn e a & sup2 de FDH foram clonados e sequenciados de M formicicum. Além disso, os genes que codificam a hidrogenase redutora de F 420 (Fig. 4-3), ferredoxina e ATPase também foram clonados.

Tabela 4-4 Mutantes Auxotróficos e Resistentes a Medicamentos Aplicáveis ​​a Experimentos de Transferência de Genes


Conteúdo

Os motores HCCI têm uma longa história, embora o HCCI não tenha sido tão amplamente implementado como a ignição por centelha ou a injeção de diesel. É essencialmente um ciclo de combustão Otto. O HCCI era popular antes do uso da ignição por centelha eletrônica. Um exemplo é o motor de bulbo quente, que usava uma câmara de vaporização quente para ajudar a misturar o combustível com o ar. O calor extra combinado com a compressão induziu as condições para a combustão. Outro exemplo é o motor de aeronave modelo "diesel".

Métodos Editar

Uma mistura de combustível e ar é inflamada quando a concentração e a temperatura dos reagentes são suficientemente altas. A concentração e / ou temperatura podem ser aumentadas de várias maneiras diferentes:

  • Aumentando a taxa de compressão
  • Pré-aquecimento de gases de indução
  • Indução forçada
  • Gases de exaustão retidos ou re-induzidos

Uma vez aceso, a combustão ocorre muito rapidamente. Quando a autoignição ocorre muito cedo ou com muita energia química, a combustão é muito rápida e altas pressões no cilindro podem destruir um motor. Por esse motivo, o HCCI é normalmente operado com misturas de combustível geral pobres.

Vantagens Editar

  • Como os motores HCCI são pobres em combustível, eles podem operar em taxas de compressão semelhantes às do diesel (& gt15), alcançando eficiências 30% mais altas do que os motores a gasolina SI convencionais. [2]
  • A mistura homogênea de combustível e ar leva a uma combustão mais limpa e menores emissões. Como as temperaturas de pico são significativamente mais baixas do que nos motores SI típicos, os níveis de NOx são quase desprezíveis. Além disso, a técnica não produz fuligem. [3]
  • Os motores HCCI podem operar com gasolina, óleo diesel e a maioria dos combustíveis alternativos. [4]
  • O HCCI evita perdas no acelerador, o que melhora ainda mais a eficiência. [5]

Desvantagens Editar

  • Atingindo a capacidade de inicialização a frio.
  • Altas taxas de liberação de calor e aumento de pressão contribuem para o desgaste do motor.
  • A autoignição é difícil de controlar, ao contrário do evento de ignição nos motores SI e diesel, que são controlados por velas de ignição e injetores de combustível no cilindro, respectivamente. [6]
  • Os motores HCCI têm uma pequena faixa de torque, restringida em cargas baixas por limites de inflamabilidade magros e cargas altas por restrições de pressão no cilindro. [7] As emissões de pré-catalisador de (CO) e hidrocarbonetos (HC) são maiores do que um motor de ignição por centelha típico, causadas por oxidação incompleta (devido ao evento de combustão rápida e baixas temperaturas no cilindro) e gases de fenda aprisionados, respectivamente. [8]

Editar controle

HCCI é mais difícil de controlar do que outros motores de combustão, como SI e diesel. Em um motor a gasolina típico, uma faísca é usada para acender o combustível pré-misturado com o ar. Nos motores a diesel, a combustão começa quando o combustível é injetado no ar pré-comprimido. Em ambos os casos, o tempo de combustão é explicitamente controlado. Em um motor HCCI, entretanto, a mistura homogênea de combustível e ar é comprimida e a combustão começa sempre que pressão e temperatura suficientes são atingidas. Isso significa que nenhum iniciador de combustão bem definido fornece controle direto. Os motores devem ser projetados de forma que as condições de ignição ocorram no tempo desejado. Para alcançar uma operação dinâmica, o sistema de controle deve gerenciar as condições que induzem a combustão. As opções incluem a taxa de compressão, temperatura do gás induzido, pressão do gás induzido, relação combustível-ar ou quantidade de exaustão retida ou reinduzida. Várias abordagens de controle são discutidas abaixo.

Taxa de compressão Editar

Duas taxas de compressão são significativas. o taxa de compressão geométrica pode ser alterado com um êmbolo móvel no topo da cabeça do cilindro. Este sistema é usado em motores de aeronaves modelo diesel. o taxa de compressão efetiva pode ser reduzido a partir da proporção geométrica fechando a válvula de admissão muito tarde ou muito cedo com a atuação da válvula variável (tempo de válvula variável que permite o ciclo de Miller). Ambas as abordagens requerem energia para obter uma resposta rápida. Além disso, a implementação é cara, mas eficaz. [9] O efeito da taxa de compressão na combustão HCCI também foi estudado extensivamente. [10]

Temperatura de indução Editar

O evento de autoignição do HCCI é altamente sensível à temperatura. O método de controle de temperatura mais simples usa aquecedores de resistência para variar a temperatura de entrada, mas essa abordagem é muito lenta para mudar em uma frequência de ciclo a ciclo. [11] Outra técnica é gerenciamento térmico rápido (FTM). É conseguido variando a temperatura de carga de admissão, misturando correntes de ar quente e frio. É rápido o suficiente para permitir o controle ciclo a ciclo. [12] Também é caro para implementar e tem largura de banda limitada associada à energia do atuador.

Edição de porcentagem de gases de escape

O gás de exaustão é muito quente se retido ou re-induzido do ciclo de combustão anterior ou resfriado se recirculado pela admissão como nos sistemas EGR convencionais. O escapamento tem dois efeitos na combustão HCCI. Ele dilui a nova carga, atrasando a ignição e reduzindo a energia química e a potência do motor. Os produtos de combustão quente aumentam inversamente a temperatura do gás no cilindro e avançam a ignição. O controle do tempo de combustão dos motores HCCI usando EGR foi demonstrado experimentalmente. [13]

Edição de atuação da válvula

Atuação de válvula variável (VVA) estende a região de operação HCCI, dando um controle mais preciso sobre o envelope de temperatura-pressão-tempo dentro da câmara de combustão. O VVA pode conseguir isso por meio de:

  • Controlar a taxa de compressão efetiva: VVA na admissão pode controlar o ponto em que a válvula de admissão fecha. Retardando além do ponto morto inferior (BDC), muda a taxa de compressão, alterando o envelope de tempo de pressão dentro do cilindro.
  • Controlando a quantidade de gás de exaustão quente retido na câmara de combustão: VVA pode controlar a quantidade de EGR quente dentro da câmara de combustão, seja pela reabertura da válvula ou mudanças na sobreposição da válvula. Equilibrar a porcentagem de EGR externo resfriado com o EGR interno quente gerado por um sistema VVA, torna possível controlar a temperatura dentro do cilindro.

Embora os sistemas VVA eletro-hidráulicos e sem cames ofereçam controle sobre o evento da válvula, o componente de tais sistemas é atualmente complicado e caro. Os sistemas mecânicos de duração e sustentação variável, entretanto, embora mais complexos do que um valvetrain padrão, são mais baratos e menos complicados. É relativamente simples configurar esses sistemas para obter o controle necessário sobre a curva de elevação da válvula.

Mistura de combustível Editar

Outro meio de estender a faixa de operação é controlar o início da ignição e a taxa de liberação de calor [14] [15] pela manipulação do próprio combustível. Isso geralmente é realizado pela mistura de vários combustíveis "em tempo real" para o mesmo motor. [16] Os exemplos incluem a mistura de gasolina comercial e combustíveis diesel, [17] adotando gás natural [18] ou etanol. [19] Isso pode ser alcançado de várias maneiras:

  • Mistura a montante: Os combustíveis são misturados na fase líquida, uma com baixa resistência à ignição (como o diesel) e outra com maior resistência (gasolina). O tempo de ignição varia com a proporção desses combustíveis.
  • Mistura na câmara: Um combustível pode ser injetado no duto de admissão (porta de injeção) e o outro diretamente no cilindro.

Injeção direta: PCCI ou PPCI Combustion Edit

A combustão por injeção direta de ignição por compressão (CIDI) é um meio bem estabelecido de controlar o tempo de ignição e a taxa de liberação de calor e é adotada na combustão de motores a diesel. A ignição por compressão de carga parcialmente pré-misturada (PPCI), também conhecida como ignição por compressão de carga pré-misturada (PCCI), é um compromisso que oferece o controle da combustão CIDI com a redução das emissões de gases de escape de HCCI, especificamente menos fuligem. [20] A taxa de liberação de calor é controlada pela preparação da mistura combustível de tal forma que a combustão ocorra por um período de tempo mais longo, tornando-a menos propensa a batidas. Isso é feito cronometrando o evento de injeção de modo que uma faixa de relações ar / combustível se espalhe pelo cilindro de combustão quando a ignição começar. A ignição ocorre em diferentes regiões da câmara de combustão em momentos diferentes - diminuindo a taxa de liberação de calor. Essa mistura é projetada para minimizar o número de bolsões ricos em combustível, reduzindo a formação de fuligem. [21] A adoção de alto EGR e combustíveis diesel com maior resistência à ignição (mais "como gasolina") permitem tempos de mistura mais longos antes da ignição e, portanto, menos bolsões ricos que produzem fuligem e NO
x [20] [21]

Pressão de pico e taxa de liberação de calor Editar

Em um ICE típico, a combustão ocorre por meio de uma chama. Portanto, em qualquer momento, apenas uma fração do combustível total está queimando. Isso resulta em pressões de pico baixas e taxas de liberação de energia baixas. No HCCI, no entanto, toda a mistura combustível / ar inflama e queima em um intervalo de tempo muito menor, resultando em altas pressões de pico e altas taxas de liberação de energia. Para suportar as pressões mais altas, o motor deve ser estruturalmente mais forte. Várias estratégias foram propostas para reduzir a taxa de combustão e a pressão de pico. A mistura de combustíveis, com diferentes propriedades de autoignição, pode diminuir a velocidade de combustão. [22] No entanto, isso requer uma infraestrutura significativa para ser implementado. Outra abordagem usa a diluição (ou seja, com gases de exaustão) para reduzir a pressão e as taxas de combustão (e saída). [23]

No câmara de combustão dividida abordagem [1], existem duas câmaras de combustão cooperantes: uma pequena auxiliar e uma grande principal.
Uma alta taxa de compressão é usada na câmara de combustão auxiliar.
Uma taxa de compressão moderada é usada na câmara de combustão principal, em que uma mistura homogênea de ar-combustível é comprimida / aquecida perto, mas abaixo, do limite de autoignição.
A alta taxa de compressão na câmara de combustão auxiliar causa a autoignição da mistura homogênea de ar-combustível pobre (sem necessidade de vela), o gás queimado explode - através de algumas "portas de transferência", pouco antes do TDC - para a combustão principal câmara acionando sua autoignição.
O motor não precisa ser estruturalmente mais forte.

Power Edit

Em ICEs, a potência pode ser aumentada pela introdução de mais combustível na câmara de combustão. Esses motores podem suportar um aumento de potência porque a taxa de liberação de calor nesses motores é lenta. No entanto, em motores HCCI, o aumento da razão combustível / ar resulta em maiores pressões de pico e taxas de liberação de calor. Além disso, muitas estratégias viáveis ​​de controle de HCCI requerem pré-aquecimento térmico do combustível, o que reduz a densidade e, portanto, a massa da carga de ar / combustível na câmara de combustão, reduzindo a potência. Esses fatores tornam o aumento da potência dos motores HCCI um desafio.

Uma técnica é usar combustíveis com diferentes propriedades de autoignição. Isso reduz a taxa de liberação de calor e as pressões de pico e torna possível aumentar a razão de equivalência. Outra forma é estratificar termicamente a carga para que diferentes pontos da carga comprimida tenham temperaturas diferentes e queimem em momentos diferentes, diminuindo a taxa de liberação de calor e possibilitando o aumento da potência. [24] Uma terceira maneira é fazer o motor funcionar no modo HCCI apenas em condições de carga parcial e operá-lo como um motor a diesel ou SI em condições de carga mais alta. [25]

Edição de Emissões

Como o HCCI opera com misturas pobres, a temperatura de pico é muito mais baixa do que aquela encontrada nos motores SI e diesel. Este baixo pico de temperatura reduz a formação de NO
x , mas também leva à queima incompleta de combustível, especialmente perto das paredes da câmara de combustão. Isso produz emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos relativamente altas. Um catalisador oxidante pode remover as espécies reguladas, porque o escapamento ainda é rico em oxigênio.

Diferença da batida Editar

A detonação ou ping do motor ocorre quando alguns dos gases não queimados à frente da chama em um motor SI entram em ignição espontaneamente. Este gás é comprimido conforme a chama se propaga e a pressão na câmara de combustão aumenta. A alta pressão e a correspondente alta temperatura dos reagentes não queimados podem causar sua ignição espontânea. Isso faz com que uma onda de choque atravesse a região do gás final e uma onda de expansão atravesse a região do gás final. As duas ondas refletem fora dos limites da câmara de combustão e interagem para produzir ondas estacionárias de alta amplitude, formando assim um dispositivo termoacústico primitivo onde a ressonância é amplificada pela liberação de calor aumentada durante a viagem das ondas semelhante a um tubo de Rijke.

Um processo de ignição semelhante ocorre em HCCI. No entanto, em vez de parte da mistura de reagentes inflamar por compressão à frente de uma frente de chama, a ignição em motores HCCI ocorre devido à compressão do pistão mais ou menos simultaneamente no volume da carga comprimida. Poucas ou nenhuma diferença de pressão ocorre entre as diferentes regiões do gás, eliminando qualquer onda de choque e batendo, mas o rápido aumento de pressão ainda está presente e desejável do ponto de se buscar a máxima eficiência da adição de calor isocórica quase ideal.

Simulação de edição de motores HCCI

Modelos computacionais para simular as taxas de combustão e liberação de calor de motores HCCI requerem modelos químicos detalhados. [17] [26] Isso ocorre principalmente porque a ignição é mais sensível à cinética química do que aos processos de turbulência / spray ou faísca, como são típicos em motores SI e diesel. Modelos computacionais têm demonstrado a importância de levar em conta o fato de que a mistura dentro do cilindro é realmente homogênea, principalmente em termos de temperatura. Esta homogeneidade é impulsionada pela mistura turbulenta e transferência de calor das paredes da câmara de combustão. A quantidade de estratificação de temperatura determina a taxa de liberação de calor e, portanto, a tendência para bater. [27] Isso limita a utilidade de considerar a mistura no cilindro como uma zona única, resultando na integração de códigos de dinâmica de fluidos computacionais 3D, como o código KIVA CFD do Los Alamos National Laboratory e códigos de modelagem de função de densidade de resolução mais rápida. [28] [29]

Em 2017, nenhum motor HCCI foi produzido em escala comercial. No entanto, vários fabricantes de automóveis tinham protótipos HCCI em funcionamento.

  • A motocicleta Honda EXP-2 de 1994 usava "ARC-combustion". Este tinha um motor de dois tempos que usa uma válvula de escape para imitar um modo HCCI. A Honda vendeu um CRM 250 AR.
  • Em 2007–2009, a General Motors demonstrou a HCCI com um motor Ecotec de 2,2 L modificado instalado no Opel Vectra e no Saturn Aura. [30] O motor opera no modo HCCI em velocidades abaixo de 60 milhas por hora (97 km / h) ou em cruzeiro, mudando para SI convencional quando o acelerador é aberto e produz economia de combustível de 43 milhas por galão imperial (6,6 L / 100 km 36 mpg-NÓS) e emissões de dióxido de carbono de cerca de 150 gramas por quilômetro, melhorando os 37 milhas por galão imperial (7,6 L / 100 km 31 mpg-NÓS) e 180 g / km da versão convencional de injeção direta de 2,2 L. [31] A GM também está pesquisando motores menores da Família 0 para aplicações HCCI. A GM usou o KIVA no desenvolvimento de motores a gasolina de injeção direta e carga estratificada, bem como no motor a gasolina de combustão rápida e carga homogênea. [29] desenvolveu um protótipo de motor denominado DiesOtto, com ignição automática controlada. Ele foi exibido em seu carro-conceito F 700 no Salão do Automóvel de Frankfurt de 2007. [32] estão desenvolvendo dois tipos de motor para operação HCCI. O primeiro, denominado Sistema Combinado de Combustão ou CCS, é baseado no motor diesel de 2.0 litros do Grupo VW, mas usa carga de admissão homogênea. Requer combustível sintético para atingir o benefício máximo. O segundo é chamado de ignição por compressão a gasolina ou GCI, ele usa HCCI quando cruzeiro e ignição por faísca ao acelerar. Ambos os motores foram demonstrados em protótipos Touran. [33]
  • Em novembro de 2011, a Hyundai anunciou o desenvolvimento do motor GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition) em associação com a Delphi Automotive. [34] O motor eliminou completamente as velas de ignição e, em vez disso, utiliza o superalimentador e o turbocompressor para manter a pressão dentro do cilindro. O motor está programado para produção comercial em um futuro próximo. [35]
  • Em outubro de 2005, o Wall Street Journal relatou que a Honda estava desenvolvendo um motor HCCI como parte de um esforço para produzir um carro híbrido de próxima geração. [36]
  • A Oxy-Gen Combustion, uma empresa de tecnologia limpa com sede no Reino Unido, produziu um motor conceito HCCI de carga total com a ajuda da Michelin e da Shell. [37]
  • O SkyActiv-G Generation 2 da Mazda tem uma taxa de compressão de 18: 1 para permitir o uso da combustão HCCI. [38] Um modelo de motor chamado SKYACTIV-X foi anunciado pela Mazda em agosto de 2017 como um grande avanço na tecnologia de motores. [39]
  • A Mazda está realizando pesquisas com a HCCI com motores Wankel. [40]

Até o momento, poucos motores de protótipo funcionam no modo HCCI, mas a pesquisa do HCCI resultou em avanços no desenvolvimento de combustível e motor. Exemplos incluem:


Temperatura de autoignição

A temperatura de autoignição (AIT) do material perigoso em uma instalação deve ser conhecida para completar seu EAC. A NFPA 497 fornece valores AIT para várias substâncias combustíveis.

Uma classificação de área típica para gás propano seria: Classe I, Divisão 2, Grupo D, 450C AIT. Aqui:

  • Classe I indica a presença de vapor.
  • A Divisão 2 indica que o vapor está presente apenas em condições anormais.
  • O grupo D indica que o propano é um membro deste grupo.
  • 450C é a temperatura de autoignição do propano.

Depois que uma área é classificada, o NEC fornece requisitos muito específicos e rigorosos sobre o equipamento elétrico e a fiação associada que podem ser instalados nessa área. Os requisitos têm como objetivo evitar que equipamentos elétricos sejam a fonte de ignição de uma mistura inflamável. Conseqüentemente, a instalação em si deve ser à prova de explosão.

Obviamente, o EAC de uma instalação deve ser conhecido antes que qualquer equipamento elétrico possa ser especificado, projetado ou instalado. Em muitos projetos de energia CTG, equipamentos mecânicos para fins especiais com longos prazos de entrega (motores e instrumentação e sistemas de controle e componentes, por exemplo) devem ser especificados e solicitados com antecedência. A falha em determinar o EAC para a instalação e tal equipamento em tempo hábil pode resultar em instalações inseguras, retrabalho, confusão, atrasos e custos excessivos.


Conteúdo

As primeiras referências a células de combustível de hidrogênio apareceram em 1838. Em uma carta datada de outubro de 1838, mas publicada na edição de dezembro de 1838 de The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, O físico e advogado galês Sir William Grove escreveu sobre o desenvolvimento de suas primeiras células de combustível bruto. Ele usou uma combinação de chapas de ferro, cobre e porcelana e uma solução de sulfato de cobre e ácido diluído. [6] [7] Em uma carta à mesma publicação escrita em dezembro de 1838, mas publicada em junho de 1839, o físico alemão Christian Friedrich Schönbein discutiu a primeira célula de combustível bruta que ele havia inventado. Sua carta discutia a corrente gerada a partir do hidrogênio e do oxigênio dissolvidos na água. [8] Grove mais tarde esboçou seu projeto, em 1842, no mesmo jornal. A célula a combustível que ele fabricou usava materiais semelhantes aos atuais células a combustível de ácido fosfórico. [9] [10]

Os britânicos que apoiaram os pousos na Lua, Arquivos da BBC. [11]

Em 1932, o engenheiro inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu com sucesso uma célula de combustível estacionária de 5 kW. [11] A célula de combustível alcalina (AFC), também conhecida como célula de combustível Bacon após seu inventor, é uma das tecnologias de célula de combustível mais desenvolvidas, que a NASA tem usado desde meados da década de 1960. [11] [12]

Em 1955, W. Thomas Grubb, um químico que trabalhava para a General Electric Company (GE), modificou ainda mais o projeto original da célula de combustível usando uma membrana de troca iônica de poliestireno sulfonado como eletrólito. Três anos depois, outro químico da GE, Leonard Niedrach, inventou uma maneira de depositar platina na membrana, que servia como catalisador para as reações necessárias de oxidação do hidrogênio e redução do oxigênio. Isso ficou conhecido como a "célula de combustível Grubb-Niedrach". [13] [14] GE passou a desenvolver esta tecnologia com a NASA e a McDonnell Aircraft, levando ao seu uso durante o Projeto Gemini. Este foi o primeiro uso comercial de uma célula de combustível. Em 1959, uma equipe liderada por Harry Ihrig construiu um trator de célula de combustível de 15 kW para a Allis-Chalmers, que foi demonstrado nos EUA em feiras estaduais. Este sistema usava hidróxido de potássio como eletrólito e hidrogênio comprimido e oxigênio como reagentes. Mais tarde, em 1959, Bacon e seus colegas demonstraram uma unidade prática de cinco quilowatts, capaz de alimentar uma máquina de solda. Na década de 1960, a Pratt & amp Whitney licenciou as patentes dos EUA de Bacon para uso no programa espacial dos EUA para fornecer eletricidade e água potável (hidrogênio e oxigênio prontamente disponíveis nos tanques da espaçonave). Em 1991, o primeiro automóvel com célula de combustível de hidrogênio foi desenvolvido por Roger Billings. [15] [16]

A UTC Power foi a primeira empresa a fabricar e comercializar um grande sistema de célula de combustível estacionário para uso como usina de cogeração em hospitais, universidades e grandes edifícios de escritórios. [17]

Em reconhecimento da indústria de células de combustível e do papel da América no desenvolvimento de células de combustível, o Senado dos EUA reconheceu 8 de outubro de 2015 como Dia Nacional do Hidrogênio e da Célula de Combustível, aprovando o S. RES 217. A data foi escolhida em reconhecimento ao peso atômico do hidrogênio (1,008 ) [18]

As células de combustível vêm em muitas variedades, no entanto, todas funcionam da mesma maneira geral. Eles são compostos de três segmentos adjacentes: o ânodo, o eletrólito e o cátodo. Duas reações químicas ocorrem nas interfaces dos três segmentos diferentes. O resultado líquido das duas reações é que o combustível é consumido, água ou dióxido de carbono é criado e uma corrente elétrica é criada, que pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos, normalmente referido como a carga.

No ânodo, um catalisador oxida o combustível, geralmente hidrogênio, transformando o combustível em um íon carregado positivamente e um elétron carregado negativamente. O eletrólito é uma substância projetada especificamente para que os íons possam passar por ele, mas os elétrons não. Os elétrons liberados viajam através de um fio criando a corrente elétrica. Os íons viajam através do eletrólito para o cátodo. Ao atingir o cátodo, os íons são reunidos com os elétrons e os dois reagem com um terceiro produto químico, geralmente oxigênio, para criar água ou dióxido de carbono.

Os recursos de design em uma célula de combustível incluem:

  • A substância eletrolítica, que geralmente define o modelo de célula de combustível e pode ser feito de uma série de substâncias como hidróxido de potássio, carbonatos de sal e ácido fosfórico. [19]
  • O combustível usado. O combustível mais comum é o hidrogênio.
  • O catalisador do ânodo, geralmente pó fino de platina, decompõe o combustível em elétrons e íons.
  • O catalisador catódico, geralmente níquel, converte íons em resíduos químicos, sendo a água o tipo de resíduo mais comum. [20]
  • Camadas de difusão de gás projetadas para resistir à oxidação. [20]

Uma célula de combustível típica produz uma tensão de 0,6 a 0,7 V em plena carga nominal. A tensão diminui à medida que a corrente aumenta, devido a vários fatores:

Para fornecer a quantidade desejada de energia, as células de combustível podem ser combinadas em série para gerar voltagem mais alta e, em paralelo, para permitir que uma corrente mais alta seja fornecida. Esse design é chamado de pilha de células de combustível. A área de superfície da célula também pode ser aumentada, para permitir maior corrente de cada célula.

Células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs) Editar

No projeto arquetípico de célula a combustível de membrana de troca de prótons de óxido de hidrogênio, uma membrana polimérica condutora de prótons (normalmente nafion) contém a solução eletrolítica que separa os lados do ânodo e do cátodo. [25] [26] Isso foi chamado de célula de combustível de eletrólito de polímero sólido (SPEFC) no início dos anos 1970, antes que o mecanismo de troca de prótons fosse bem compreendido. (Observe que os sinônimos membrana de eletrólito de polímero e 'mecanismo de troca de prótons resultam na mesma sigla.)

No lado do ânodo, o hidrogênio se difunde para o catalisador do ânodo, onde mais tarde se dissocia em prótons e elétrons. Esses prótons freqüentemente reagem com os oxidantes, fazendo com que se tornem o que é comumente referido como membranas de prótons multifacetadas. Os prótons são conduzidos através da membrana até o cátodo, mas os elétrons são forçados a viajar em um circuito externo (fornecendo energia) porque a membrana é eletricamente isolante. No catalisador catódico, as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons (que viajaram pelo circuito externo) e os prótons para formar água.

Além deste tipo de hidrogênio puro, existem combustíveis de hidrocarbonetos para células de combustível, incluindo diesel, metanol (Vejo: células a combustível de metanol direto e células a combustível de metanol indireto) e hidretos químicos. Os produtos residuais com esses tipos de combustível são dióxido de carbono e água. Quando o hidrogênio é usado, o CO2 é liberado quando o metano do gás natural é combinado com o vapor, em um processo denominado reforma do metano a vapor, para produzir o hidrogênio. Isso pode ocorrer em um local diferente da célula de combustível, potencialmente permitindo que a célula de combustível de hidrogênio seja usada em ambientes internos - por exemplo, em empilhadeiras.

Os diferentes componentes de um PEMFC são

  1. placas bipolares,,,
  2. membrana, e
  3. o hardware necessário, como coletores de corrente e juntas. [27]

Os materiais usados ​​para as diferentes partes das células de combustível variam de acordo com o tipo. As placas bipolares podem ser feitas de diferentes tipos de materiais, como metal, metal revestido, grafite, grafite flexível, compósito C – C, compósito de polímero de carbono, etc. [28] O conjunto de eletrodo de membrana (MEA) é referido como o coração do PEMFC e geralmente é feito de uma membrana de troca de prótons imprensada entre dois papéis de carbono revestidos com catalisador. Platina e / ou metais nobres semelhantes são normalmente usados ​​como catalisador para PEMFC. O eletrólito pode ser uma membrana de polímero.

Problemas de design de célula de combustível de membrana de troca de prótons Editar

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC) Editar

As células a combustível de ácido fosfórico (PAFC) foram projetadas e introduzidas pela primeira vez em 1961 por G. V. Elmore e H. A. Tanner. Nessas células, o ácido fosfórico é usado como eletrólito não condutor para passar íons de hidrogênio positivos do ânodo para o cátodo. Essas células geralmente funcionam em temperaturas de 150 a 200 graus Celsius. Esta alta temperatura causará perda de calor e energia se o calor não for removido e usado corretamente. Este calor pode ser usado para produzir vapor para sistemas de ar condicionado ou qualquer outro sistema de consumo de energia térmica. [37] O uso desse calor na cogeração pode aumentar a eficiência das células a combustível de ácido fosfórico de 40 a 50% para cerca de 80%. [37] O ácido fosfórico, o eletrólito usado nos PAFCs, é um ácido líquido não condutor que força os elétrons a viajarem de um ânodo para o cátodo através de um circuito elétrico externo. Como a taxa de produção de íons de hidrogênio no ânodo é pequena, a platina é usada como catalisador para aumentar essa taxa de ionização. A principal desvantagem dessas células é o uso de um eletrólito ácido. Isso aumenta a corrosão ou oxidação de componentes expostos ao ácido fosfórico. [38]

Edição de célula de combustível de ácido sólido (SAFC)

As células a combustível de ácido sólido (SAFCs) são caracterizadas pelo uso de um material ácido sólido como eletrólito. Em baixas temperaturas, os ácidos sólidos têm uma estrutura molecular ordenada como a maioria dos sais. Em temperaturas mais quentes (entre 140 e 150 ° C para CsHSO4), alguns ácidos sólidos passam por uma transição de fase para se tornarem estruturas "superprotônicas" altamente desordenadas, o que aumenta a condutividade em várias ordens de magnitude. Os primeiros SAFCs de prova de conceito foram desenvolvidos em 2000 usando sulfato de hidrogênio de césio (CsHSO4) [39] Os sistemas SAFC atuais usam di-hidrogenofosfato de césio (CsH2PO4) e demonstraram vidas na casa dos milhares de horas. [40]

Editar célula de combustível alcalina (AFC)

A célula de combustível alcalina ou célula de combustível de hidrogênio-oxigênio foi projetada e demonstrada publicamente por Francis Thomas Bacon em 1959. Foi usada como fonte primária de energia elétrica no programa espacial Apollo. [41] A célula consiste em dois eletrodos de carbono poroso impregnados com um catalisador adequado, como Pt, Ag, CoO, etc. O espaço entre os dois eletrodos é preenchido com uma solução concentrada de KOH ou NaOH que serve como um eletrólito. H2 gás e O2 o gás é borbulhado no eletrólito através dos eletrodos de carbono poroso. Assim, a reação geral envolve a combinação de gás hidrogênio e gás oxigênio para formar água. A célula funciona continuamente até que o suprimento de reagente se esgote. Este tipo de célula opera com eficiência na faixa de temperatura 343-413 K e fornece um potencial de cerca de 0,9 V. [42] AAEMFC é um tipo de AFC que emprega um eletrólito de polímero sólido em vez de hidróxido de potássio aquoso (KOH) e é superior para AFC aquoso.

Células a combustível de alta temperatura Editar

Editar célula de combustível de óxido sólido

As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) usam um material sólido, mais comumente um material cerâmico denominado zircônia estabilizada com ítria (YSZ), como eletrólito. Como as SOFCs são feitas inteiramente de materiais sólidos, elas não se limitam à configuração plana de outros tipos de células de combustível e costumam ser projetadas como tubos laminados. Eles exigem altas temperaturas de operação (800–1000 ° C) e podem funcionar com uma variedade de combustíveis, incluindo gás natural. [5]

SOFCs são únicos, pois neles, íons de oxigênio carregados negativamente viajam do cátodo (lado positivo da célula de combustível) para o ânodo (lado negativo da célula de combustível) em vez de íons de hidrogênio carregados positivamente viajando do ânodo para o cátodo, como é o caso em todos os outros tipos de células de combustível. O gás oxigênio é alimentado através do cátodo, onde absorve elétrons para criar íons de oxigênio. Os íons de oxigênio então viajam através do eletrólito para reagir com o gás hidrogênio no ânodo. A reação no ânodo produz eletricidade e água como subprodutos. O dióxido de carbono também pode ser um subproduto dependendo do combustível, mas as emissões de carbono de um sistema SOFC são menores do que as de uma usina de combustão de combustível fóssil. [43] As reações químicas para o sistema SOFC podem ser expressas da seguinte forma: [44]

Reação do ânodo: 2H2 + 2O 2− → 2H2O + 4e - Reação catódica: O2 + 4e - → 2O 2− Reação celular geral: 2H2 + O2 → 2H2O

Os sistemas SOFC podem funcionar com outros combustíveis além do gás hidrogênio puro. No entanto, uma vez que o hidrogênio é necessário para as reações listadas acima, o combustível selecionado deve conter átomos de hidrogênio. Para que a célula a combustível funcione, o combustível deve ser convertido em gás hidrogênio puro. SOFCs são capazes de reformar internamente hidrocarbonetos leves, como metano (gás natural), [45] propano e butano. [46] Essas células de combustível estão em um estágio inicial de desenvolvimento. [47]

Existem desafios em sistemas SOFC devido às suas altas temperaturas de operação. Um desses desafios é o potencial de acumulação de pó de carbono no ânodo, o que retarda o processo de reforma interna. Pesquisas para tratar dessa questão de "coque de carbono" na Universidade da Pensilvânia mostraram que o uso de cermet à base de cobre (materiais resistentes ao calor feitos de cerâmica e metal) pode reduzir a coqueificação e a perda de desempenho. [48] ​​Outra desvantagem dos sistemas SOFC é o tempo de inicialização lento, tornando as SOFCs menos úteis para aplicativos móveis. Apesar dessas desvantagens, uma alta temperatura de operação fornece uma vantagem ao remover a necessidade de um catalisador de metal precioso como a platina, reduzindo assim o custo. Além disso, o calor residual dos sistemas SOFC pode ser capturado e reutilizado, aumentando a eficiência geral teórica para até 80-85%. [5]

A alta temperatura de operação é em grande parte devido às propriedades físicas do eletrólito YSZ. Conforme a temperatura diminui, o mesmo ocorre com a condutividade iônica de YSZ. Portanto, para obter o desempenho ideal da célula de combustível, é necessária uma alta temperatura de operação. De acordo com seu site, a Ceres Power, fabricante de células de combustível SOFC do Reino Unido, desenvolveu um método para reduzir a temperatura operacional de seu sistema SOFC para 500–600 graus Celsius. Eles substituíram o eletrólito YSZ comumente usado por um eletrólito CGO (óxido de gadolínio de cério). A temperatura de operação mais baixa permite que eles usem aço inoxidável em vez de cerâmica como substrato da célula, o que reduz o custo e o tempo de inicialização do sistema. [49]

Célula a combustível de carbonato fundido (MCFC) Editar

As células a combustível de carbonato fundido (MCFCs) requerem uma alta temperatura operacional, 650 ° C (1.200 ° F), semelhante às SOFCs. Os MCFCs usam sal de carbonato de potássio e lítio como eletrólito, e esse sal se liquefaz em altas temperaturas, permitindo o movimento da carga dentro da célula - neste caso, íons carbonato negativos. [50]

Assim como os SOFCs, os MCFCs são capazes de converter combustível fóssil em um gás rico em hidrogênio no ânodo, eliminando a necessidade de produzir hidrogênio externamente. O processo de reforma cria CO
2 emissões. Os combustíveis compatíveis com MCFC incluem gás natural, biogás e gás produzido a partir do carvão. O hidrogênio no gás reage com os íons carbonato do eletrólito para produzir água, dióxido de carbono, elétrons e pequenas quantidades de outros produtos químicos. Os elétrons viajam por um circuito externo, criando eletricidade e retornando ao cátodo. Lá, o oxigênio do ar e o dióxido de carbono reciclado do ânodo reagem com os elétrons para formar íons carbonato que reabastecem o eletrólito, completando o circuito. [50] As reações químicas para um sistema MCFC podem ser expressas da seguinte forma: [51]

Reação do ânodo: CO3 2− + H2 → H2O + CO2 + 2e - Reação catódica: CO2 + ½O2 + 2e - → CO3 2− Reação celular geral: H2 + ½O2 → H2O

Tal como acontece com os SOFCs, as desvantagens do MCFC incluem tempos de inicialização lentos devido à alta temperatura de operação. Isso faz com que os sistemas MCFC não sejam adequados para aplicações móveis, e essa tecnologia provavelmente será usada para fins de células de combustível estacionárias. O principal desafio da tecnologia MCFC é a curta vida útil das células. A alta temperatura e o eletrólito de carbonato levam à corrosão do ânodo e do cátodo. Esses fatores aceleram a degradação dos componentes do MCFC, diminuindo a durabilidade e a vida útil das células. Os pesquisadores estão abordando esse problema explorando materiais resistentes à corrosão para componentes, bem como projetos de células de combustível que podem aumentar a vida útil da célula sem diminuir o desempenho. [5]

Os MCFCs possuem várias vantagens sobre outras tecnologias de células de combustível, incluindo sua resistência a impurezas. Eles não são propensos a "coque de carbono", que se refere ao acúmulo de carbono no ânodo que resulta em desempenho reduzido ao desacelerar o processo interno de reforma do combustível. Portanto, combustíveis ricos em carbono, como gases feitos de carvão, são compatíveis com o sistema. O Departamento de Energia dos Estados Unidos afirma que o carvão, por si só, pode até ser uma opção de combustível no futuro, supondo que o sistema possa se tornar resistente a impurezas como enxofre e partículas que resultam da conversão do carvão em hidrogênio. [5] MCFCs também têm eficiências relativamente altas. Eles podem alcançar uma eficiência de combustível para eletricidade de 50%, consideravelmente mais alta do que a eficiência de 37-42% de uma planta de célula a combustível de ácido fosfórico. A eficiência pode chegar a 65% quando a célula de combustível é emparelhada com uma turbina e 85% se o calor é capturado e usado em um sistema combinado de calor e energia (CHP). [50]

A FuelCell Energy, fabricante de células a combustível com sede em Connecticut, desenvolve e vende células a combustível MCFC. A empresa diz que seus produtos MCFC variam de sistemas de 300 kW a 2,8 MW que atingem 47% de eficiência elétrica e podem utilizar a tecnologia CHP para obter eficiências gerais mais altas. Um produto, o DFC-ERG, é combinado com uma turbina a gás e, segundo a empresa, atinge uma eficiência elétrica de 65%. [52]

Célula de combustível de armazenamento elétrico Editar

A célula de combustível de armazenamento elétrico é uma bateria convencional carregável por entrada de energia elétrica, utilizando o efeito eletroquímico convencional. No entanto, a bateria inclui ainda entradas de hidrogênio (e oxigênio) para, alternativamente, carregar a bateria quimicamente. [53]

Comparação de tipos de células de combustível Editar

Nome da célula de combustível Eletrólito Potência qualificada (W) Temperatura de trabalho (° C) Eficiência Status Custo (USD / W)
Célula Sistema
Célula a combustível de hidreto metálico Solução aquosa alcalina & gt −20
(50% Ppico @ 0 ° C)
Comercial / Pesquisa
Célula a combustível eletro-galvânica Solução aquosa alcalina & lt 40 Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de ácido fórmico direto (DFAFC) Membrana de polímero (ionômero) & lt 50 W & lt 40 Comercial / Pesquisa
Bateria de zinco-ar Solução aquosa alcalina & lt 40 Produção em massa
Célula de combustível microbiana Membrana de polímero ou ácido húmico & lt 40 Pesquisar
Célula de combustível microbiana de fluxo ascendente (UMFC) & lt 40 Pesquisar
Célula de combustível regenerativa Membrana de polímero (ionômero) & lt 50 Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de borohidreto direto Solução aquosa alcalina 70 Comercial
Célula de combustível alcalina Solução aquosa alcalina 10–200 kW & lt 80 60–70% 62% Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de metanol direto Membrana de polímero (ionômero) 100 mW - 1 kW 90–120 20–30% 10–25% [54] Comercial / Pesquisa 125
Célula de combustível de metanol reformada Membrana de polímero (ionômero) 5 W - 100 kW 250–300 (reformador)
125–200 (PBI)
50–60% 25–40% Comercial / Pesquisa
Célula a combustível de etanol direto Membrana de polímero (ionômero) & lt 140 mW / cm² & gt 25
? 90–120
Pesquisar
Célula a combustível de membrana de troca de prótons Membrana de polímero (ionômero) 1 W - 500 kW 50-100 (Nafion) [55]
120–200 (PBI) [56]
50–70% 30–50% [54] Comercial / Pesquisa 50–100
Célula de combustível redox (RFC) Eletrólitos líquidos com transporte redox e membrana de polímero (ionômero) 1 kW - 10 MW Pesquisar
Célula de combustível de ácido fosfórico Ácido fosfórico fundido (H3PO4) & lt 10 MW 150–200 55% 40% [54]
Co-geração: 90%
Comercial / Pesquisa 4.00–4.50
Célula de combustível de ácido sólido Sal de oxiânion condutor de H + (ácido sólido) 10 W - 1 kW 200–300 55–60% 40–45% Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de carbonato fundido Carbonato alcalino fundido 100 MW 600–650 55% 45–55% [54] Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de óxido sólido tubular (TSOFC) Óxido cerâmico condutor de O 2− & lt 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de cerâmica protônica H + - óxido cerâmico condutor 700 Pesquisar
Célula de combustível de carbono direto Vários diferentes 700–850 80% 70% Comercial / Pesquisa
Célula de combustível de óxido sólido planar Óxido cerâmico condutor de O 2− & lt 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% [54] Comercial / Pesquisa
Células de biocombustível enzimáticas Qualquer um que não desnature a enzima & lt 40 Pesquisar
Célula de combustível magnésio-ar Água salgada -20 a 55 90% Comercial / Pesquisa

Glossário de termos na tabela:

Edição teórica de eficiência máxima

A eficiência energética de um sistema ou dispositivo que converte energia é medida pela razão entre a quantidade de energia útil produzida pelo sistema ("energia de saída") e a quantidade total de energia que é colocada ("energia de entrada") ou pela energia útil de saída como uma porcentagem da energia total de entrada. No caso das células a combustível, a energia útil de saída é medida em energia elétrica produzida pelo sistema. A energia de entrada é a energia armazenada no combustível. De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, as células de combustível têm geralmente entre 40 e 60% de eficiência energética. [61] Isso é maior do que alguns outros sistemas de geração de energia. Por exemplo, o motor de combustão interna típico de um carro tem cerca de 25% de eficiência energética. [62] Em sistemas combinados de calor e energia (CHP), o calor produzido pela célula de combustível é capturado e colocado em uso, aumentando a eficiência do sistema em até 85-90%. [5]

A eficiência máxima teórica de qualquer tipo de sistema de geração de energia nunca é atingida na prática, e não considera outras etapas da geração de energia, como produção, transporte e armazenamento de combustível e conversão da eletricidade em energia mecânica. No entanto, este cálculo permite a comparação de diferentes tipos de geração de energia. A eficiência máxima teórica de uma célula de combustível se aproxima de 100%, [63] enquanto a eficiência máxima teórica dos motores de combustão interna é de aproximadamente 58%. [64]

Na prática, Editar

Em um veículo de célula de combustível, a eficiência tanque-roda é maior que 45% em cargas baixas [65] e mostra valores médios de cerca de 36% quando um ciclo de direção como o NEDC (Novo Ciclo de Direção Europeu) é usado como procedimento de teste . [66] O valor NEDC comparável para um veículo a diesel é de 22%. Em 2008, a Honda lançou um veículo elétrico de demonstração com célula de combustível (o Honda FCX Clarity) com uma pilha de combustível com eficiência de 60% entre o tanque e a roda. [67]

Também é importante levar em consideração as perdas devido à produção, transporte e armazenamento de combustível. Os veículos de célula de combustível que funcionam com hidrogênio comprimido podem ter uma eficiência da usina à roda de 22% se o hidrogênio for armazenado como gás de alta pressão e 17% se for armazenado como hidrogênio líquido. [68] As células de combustível não podem armazenar energia como uma bateria, [69] exceto como hidrogênio, mas em algumas aplicações, como usinas de energia independentes baseadas em fontes descontínuas, como energia solar ou eólica, elas são combinadas com eletrolisadores e sistemas de armazenamento para formar um sistema de armazenamento de energia. Em 2019, 90% do hidrogênio era usado para refino de petróleo, produtos químicos e produção de fertilizantes, e 98% do hidrogênio é produzido pela reforma do metano a vapor, que emite dióxido de carbono. [70] A eficiência geral (eletricidade para hidrogênio e de volta para eletricidade) de tais usinas (conhecido como eficiência de ida e volta), usando hidrogênio puro e oxigênio puro pode ser "de 35 a 50 por cento", dependendo da densidade do gás e outras condições. [71] O sistema de eletrolisador / célula de combustível pode armazenar quantidades indefinidas de hidrogênio e, portanto, é adequado para armazenamento de longo prazo.

As células a combustível de óxido sólido produzem calor a partir da recombinação do oxigênio e do hidrogênio. A cerâmica pode aquecer até 800 graus Celsius. Este calor pode ser capturado e usado para aquecer água em uma aplicação micro combinada de calor e energia (m-CHP). Quando o calor é capturado, a eficiência total pode chegar a 80–90% na unidade, mas não considera as perdas de produção e distribuição. As unidades CHP estão sendo desenvolvidas hoje para o mercado doméstico europeu.

Professor Jeremy P. Meyers, no jornal Electrochemical Society Interface em 2008, escreveu: "Embora as células de combustível sejam eficientes em relação aos motores de combustão, elas não são tão eficientes quanto as baterias, principalmente devido à ineficiência da reação de redução de oxigênio (e. a reação de evolução de oxigênio, caso o hidrogênio seja formado por eletrólise de água). [Eles] fazem mais sentido para operação desconectada da rede, ou quando o combustível pode ser fornecido continuamente. Para aplicações que requerem partidas frequentes e relativamente rápidas. onde emissões zero são uma exigência, como em espaços fechados como como armazéns, e onde o hidrogênio é considerado um reagente aceitável, uma [célula de combustível PEM] está se tornando uma escolha cada vez mais atraente [se a troca de baterias for inconveniente] ". [72] Em 2013, as organizações militares estavam avaliando as células de combustível para determinar se elas poderiam reduzir significativamente o peso da bateria carregada pelos soldados. [73]

Power Edit

As células de combustível estacionárias são usadas para geração de energia comercial, industrial e residencial primária e de reserva. As células de combustível são muito úteis como fontes de energia em locais remotos, como espaçonaves, estações meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicações, locais rurais, incluindo estações de pesquisa e em certas aplicações militares. Um sistema de célula de combustível operando com hidrogênio pode ser compacto e leve e não ter grandes partes móveis. Como as células de combustível não possuem partes móveis e não envolvem combustão, em condições ideais elas podem atingir até 99,9999% de confiabilidade. [74] Isso equivale a menos de um minuto de inatividade em um período de seis anos. [74]

Uma vez que os sistemas eletrolisadores de células de combustível não armazenam combustível por si próprios, mas dependem de unidades de armazenamento externas, eles podem ser aplicados com sucesso no armazenamento de energia em grande escala, sendo as áreas rurais um exemplo. [75] Existem muitos tipos diferentes de células de combustível estacionárias, portanto a eficiência varia, mas a maioria tem entre 40% e 60% de eficiência energética. [5] No entanto, quando o calor residual da célula de combustível é usado para aquecer um edifício em um sistema de cogeração, essa eficiência pode aumentar para 85%. [5] Isso é significativamente mais eficiente do que as usinas de carvão tradicionais, que têm apenas cerca de um terço de eficiência energética. [76] Assumindo a produção em escala, as células de combustível poderiam economizar de 20 a 40% nos custos de energia quando usadas em sistemas de cogeração. [77] As células de combustível também são muito mais limpas do que a geração de energia tradicional, uma usina de célula de combustível usando gás natural como fonte de hidrogênio criaria menos de 30 gramas de poluição (exceto CO
2) para cada 1.000 kW · h produzidos, em comparação com 25 libras de poluentes gerados por sistemas de combustão convencionais. [78] As células de combustível também produzem 97% menos emissões de óxido de nitrogênio do que as usinas convencionais movidas a carvão.

Um desses programas piloto está operando na Ilha Stuart, no estado de Washington. Lá, a Stuart Island Energy Initiative [79] construiu um sistema completo em circuito fechado: os painéis solares alimentam um eletrolisador, que produz hidrogênio. O hidrogênio é armazenado em um tanque de 500 galões americanos (1.900 L) a 200 libras por polegada quadrada (1.400 kPa) e opera uma célula de combustível ReliOn para fornecer back-up elétrico completo para a residência fora da rede. Outro loop de sistema fechado foi revelado no final de 2011 em Hempstead, NY. [80]

As células de combustível podem ser usadas com gás de baixa qualidade de aterros ou estações de tratamento de águas residuais para gerar energia e reduzir as emissões de metano. Uma usina de célula de combustível de 2,8 MW na Califórnia é considerada a maior do tipo. [81] Células de combustível de pequena escala (sub-5kWhr) estão sendo desenvolvidas para uso em implantação residencial fora da rede. [82]

Edição de cogeração

Os sistemas de células de combustível combinadas de calor e energia (CHP), incluindo sistemas micro combinados de calor e energia (MicroCHP), são usados ​​para gerar eletricidade e calor para residências (consulte célula de combustível doméstica), prédios de escritórios e fábricas. O sistema gera energia elétrica constante (vendendo o excesso de energia de volta para a rede quando não é consumida) e, ao mesmo tempo, produz ar quente e água a partir do calor residual. Como resultado, os sistemas CHP têm o potencial de economizar energia primária, pois podem aproveitar o calor residual que geralmente é rejeitado pelos sistemas de conversão de energia térmica. [83] Uma faixa de capacidade típica de célula de combustível doméstica é 1-3 kWel, 4-8 kWº. [84] [85] Os sistemas CHP ligados a chillers de absorção usam o calor residual para refrigeração. [86]

O calor residual das células de combustível pode ser desviado durante o verão diretamente para o solo, proporcionando mais resfriamento, enquanto o calor residual durante o inverno pode ser bombeado diretamente para o edifício. A Universidade de Minnesota possui os direitos de patente para este tipo de sistema [87] [88]

Os sistemas de cogeração podem atingir 85% de eficiência (40-60% elétricos e o restante como térmico). [5] As células a combustível de ácido fosfórico (PAFC) compreendem o maior segmento de produtos CHP existentes em todo o mundo e podem fornecer eficiências combinadas perto de 90%. [89] [90] Carbonato fundido (MCFC) e células a combustível de óxido sólido (SOFC) também são usados ​​para geração combinada de calor e energia e têm eficiências de energia elétrica em torno de 60%. [91] As desvantagens dos sistemas de cogeração incluem taxas lentas de aumento e redução, alto custo e vida útil curta. [92] [93] Além disso, a necessidade de ter um tanque de armazenamento de água quente para suavizar a produção de calor térmico era uma séria desvantagem no mercado doméstico, onde o espaço em propriedades domésticas é muito valioso. [94]

Os consultores da Delta-ee afirmaram em 2013 que, com 64% das vendas globais, o calor e energia micro combinados de célula de combustível ultrapassaram os sistemas convencionais em vendas em 2012. [73] O projeto japonês ENE FARM passará 100.000 sistemas FC mCHP em 2014, 34.213 PEMFC e 2.224 SOFC foram instalados no período de 2012–2014, 30.000 unidades em GNL e 6.000 em GLP. [95]

Veículos elétricos de célula de combustível (FCEVs) Editar

Edição de automóveis

No final do ano de 2019, cerca de 18.000 FCEVs foram alugados ou vendidos em todo o mundo. [96] Três veículos elétricos de célula de combustível foram introduzidos para locação comercial e venda: o Honda Clarity, Toyota Mirai e o Hyundai ix35 FCEV. Modelos de demonstração adicionais incluem o Honda FCX Clarity e o Mercedes-Benz F-Cell. [97] Em junho de 2011, os FCEVs de demonstração haviam dirigido mais de 4.800.000 km (3.000.000 mi), com mais de 27.000 reabastecimentos. [98] Os veículos elétricos com célula de combustível apresentam um alcance médio de 314 milhas entre reabastecimento. [99] Eles podem ser reabastecidos em menos de 5 minutos. [100] O Programa de Tecnologia de Célula de Combustível do Departamento de Energia dos EUA afirma que, a partir de 2011, as células de combustível alcançaram 53-59% de eficiência em um quarto da potência e 42-53% de eficiência do veículo em potência total, [101] e uma durabilidade de mais de 120.000 km (75.000 mi) com menos de 10% de degradação.[102] Em uma análise de simulação Well-to-Wheels de 2017 que "não abordou as restrições econômicas e de mercado", a General Motors e seus parceiros estimaram que, por milha percorrida, um veículo elétrico de célula a combustível funcionando com hidrogênio gasoso comprimido produzido a partir do gás natural poderia usar cerca de 40% menos energia e emitir 45% menos gases de efeito estufa do que um veículo de combustão interna. [103]

Em 2015, a Toyota lançou seu primeiro veículo com célula de combustível, o Mirai, a um preço de US $ 57.000. [104] Hyundai introduziu a produção limitada Hyundai ix35 FCEV sob um contrato de arrendamento. [105] Em 2016, a Honda começou a fazer leasing da célula de combustível Honda Clarity. [106] Em 2020, a Toyota introduziu a segunda geração de sua marca Mirai, melhorando a eficiência de combustível e expandindo o alcance em comparação com o modelo Sedan 2014 original. [107]

Edição de crítica

Alguns comentaristas acreditam que os carros com célula de combustível a hidrogênio nunca se tornarão economicamente competitivos com outras tecnologias [108] [109] [110] ou que levará décadas para se tornarem lucrativos. [72] [111] Elon Musk, CEO da fabricante de veículos elétricos a bateria Tesla Motors, afirmou em 2015 que as células de combustível para uso em carros nunca serão comercialmente viáveis ​​devido à ineficiência de produção, transporte e armazenamento de hidrogênio e a inflamabilidade do gás, entre outros motivos. [112]

Em 2012, a Lux Research, Inc. emitiu um relatório que afirmava: "O sonho de uma economia de hidrogênio. Não está mais perto". Concluiu que o "custo de capital. Limitará a adoção a meros 5,9 GW" até 2030, fornecendo "uma barreira quase intransponível para a adoção, exceto em aplicações de nicho". A análise concluiu que, até 2030, o mercado estacionário da PEM alcançará US $ 1 bilhão, enquanto o mercado de veículos, incluindo empilhadeiras, alcançará um total de US $ 2 bilhões. [111] Outras análises citam a falta de uma ampla infraestrutura de hidrogênio nos EUA como um desafio contínuo para a comercialização de veículos elétricos com célula de combustível. [65]

Em 2014, Joseph Romm, autor de O hype sobre o hidrogênio (2005), disseram que os FCVs ainda não haviam superado o alto custo de abastecimento, a falta de infraestrutura de entrega de combustível e a poluição causada pela produção de hidrogênio. "Seriam necessários vários milagres para superar todos esses problemas simultaneamente nas próximas décadas." [113] Ele concluiu que a energia renovável não pode ser economicamente usada para fazer hidrogênio para uma frota de FCV "agora ou no futuro." [108] O analista da Greentech Media chegou a conclusões semelhantes em 2014. [114] Em 2015, Clean Technica listou algumas das desvantagens dos veículos com células de combustível a hidrogênio. [115] Assim fez Acelerador de carro. [116]

Um vídeo de 2019 de Engenharia Real observou que, apesar da introdução de veículos movidos a hidrogênio, o uso de hidrogênio como combustível para automóveis não ajuda a reduzir as emissões de carbono do transporte. 95% do hidrogênio ainda produzido a partir de combustíveis fósseis libera dióxido de carbono, e a produção de hidrogênio a partir da água é um processo que consome energia. Armazenar hidrogênio requer mais energia para resfriá-lo ao estado líquido ou para colocá-lo em tanques sob alta pressão, e entregar o hidrogênio aos postos de abastecimento requer mais energia e pode liberar mais carbono. O hidrogênio necessário para mover um FCV por quilômetro custa aproximadamente 8 vezes mais do que a eletricidade necessária para mover um BEV na mesma distância. [117] Uma avaliação de 2020 concluiu que os veículos a hidrogênio ainda são apenas 38% eficientes, enquanto os VEs com bateria são 80% eficientes. [118]

Edição de ônibus

Em agosto de 2011 [atualização], havia cerca de 100 ônibus com células de combustível em serviço em todo o mundo. [119] A maioria deles foi fabricada pela UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics e Proton Motor. Os ônibus da UTC dirigiram mais de 970.000 km (600.000 mi) em 2011. [120] Os ônibus com células de combustível têm uma economia de combustível de 39% a 141% maior do que os ônibus a diesel e os ônibus a gás natural. [103] [121]

Em 2019, o NREL estava avaliando vários projetos de ônibus de célula de combustível atuais e planejados nos EUA. [122]

Edição de empilhadeiras

Uma empilhadeira de célula de combustível (também chamada de empilhadeira de célula de combustível) é uma empilhadeira industrial movida a célula de combustível usada para elevar e transportar materiais. Em 2013, havia mais de 4.000 empilhadeiras de célula de combustível usadas no manuseio de materiais nos EUA, [123] das quais 500 receberam financiamento do DOE (2012). [124] [125] As frotas de células de combustível são operadas por várias empresas, incluindo Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (na Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark e Whole Foods) e H-E-B Grocers. [126] A Europa demonstrou 30 empilhadeiras de células de combustível com Hylift e estendeu-as com HyLIFT-EUROPE para 200 unidades, [127] com outros projetos na França [128] [129] e na Áustria. [130] A Pike Research projetou em 2011 que as empilhadeiras movidas a célula de combustível seriam o maior impulsionador da demanda de combustível de hidrogênio em 2020. [131]

A maioria das empresas na Europa e nos Estados Unidos não usa empilhadeiras movidas a petróleo, pois esses veículos trabalham em ambientes internos onde as emissões devem ser controladas e, em vez disso, usam empilhadeiras elétricas. [132] [133] Empilhadeiras movidas a célula de combustível podem fornecer benefícios sobre empilhadeiras movidas a bateria, pois podem ser reabastecidas em 3 minutos e podem ser usadas em armazéns refrigerados, onde seu desempenho não é prejudicado por temperaturas mais baixas. As unidades FC são freqüentemente projetadas como substitutos imediatos. [134] [135]

Motos e bicicletas Editar

Em 2005, um fabricante britânico de células de combustível movidas a hidrogênio, Intelligent Energy (IE), produziu a primeira motocicleta movida a hidrogênio chamada ENV (Emission Neutral Vehicle). A motocicleta tem combustível suficiente para rodar por quatro horas e viajar 160 km (100 mi) em uma área urbana, a uma velocidade máxima de 80 km / h (50 mph). [136] Em 2004, a Honda desenvolveu uma motocicleta de célula de combustível que utilizava o Honda FC Stack. [137] [138]

Outros exemplos de motocicletas [139] e bicicletas [140] que usam células de combustível de hidrogênio incluem a scooter da empresa taiwanesa APFCT [141] usando o sistema de abastecimento da italiana Acta SpA [142] e a scooter Suzuki Burgman com uma célula de combustível IE que recebeu UE Aprovação de tipo de veículo inteiro em 2011. [143] A Suzuki Motor Corp. e a IE anunciaram uma joint venture para acelerar a comercialização de veículos com emissão zero. [144]

Edição de aviões

Em 2003, voou o primeiro avião movido a hélice do mundo movido inteiramente por uma célula de combustível. A célula de combustível era um projeto de pilha que permitia que a célula de combustível fosse integrada às superfícies aerodinâmicas do avião. [145] Veículos aéreos não tripulados movidos a célula de combustível (UAV) incluem um UAV de célula de combustível Horizon que estabeleceu o recorde de distância voada para um pequeno UAV em 2007. [146] Pesquisadores da Boeing e parceiros da indústria em toda a Europa realizaram testes de voo experimental em fevereiro de 2008 de um avião tripulado movido apenas por uma célula de combustível e baterias leves. O avião demonstrador de célula de combustível, como foi chamado, usava um sistema híbrido de célula de combustível / bateria de íon-lítio com membrana de troca de prótons (PEM) para alimentar um motor elétrico, que era acoplado a uma hélice convencional. [147]

Em 2009, o Ion Tiger do Naval Research Laboratory (NRL) utilizou uma célula de combustível movida a hidrogênio e voou 23 horas e 17 minutos. [148] Células de combustível também estão sendo testadas e consideradas para fornecer energia auxiliar em aeronaves, substituindo geradores de combustível fóssil que antes eram usados ​​para ligar os motores e alimentar as necessidades elétricas a bordo, reduzindo as emissões de carbono. [149] [150] [ falha na verificação ] Em 2016, um drone Raptor E1 fez um vôo de teste bem-sucedido usando uma célula de combustível que era mais leve do que a bateria de íon de lítio que substituiu. O vôo durou 10 minutos a uma altitude de 80 metros (260 pés), embora a célula de combustível tivesse combustível suficiente para voar por duas horas. O combustível estava contido em aproximadamente 100 pastilhas sólidas de 1 centímetro quadrado (0,16 polegada quadrada) compostas de um produto químico patenteado dentro de um cartucho não pressurizado. Os pellets são fisicamente robustos e operam em temperaturas de até 50 ° C (122 ° F). A célula era da Arcola Energy. [151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker é um UAV elétrico movido por célula de combustível de óxido sólido. [152]

Barcos Editar

O HYDRA, o primeiro barco de célula de combustível do mundo, usava um sistema AFC com potência líquida de 6,5 kW. Amsterdã introduziu barcos movidos a células de combustível que transportam as pessoas pelos canais da cidade. [153]

Edição de submarinos

Os submarinos Tipo 212 das marinhas alemã e italiana usam células de combustível para permanecer submersos por semanas sem a necessidade de subir à superfície.

O U212A é um submarino não nuclear desenvolvido pelo estaleiro naval alemão Howaldtswerke Deutsche Werft. [154] O sistema consiste em nove células de combustível PEM, fornecendo entre 30 kW e 50 kW cada. O navio é silencioso, o que lhe dá uma vantagem na detecção de outros submarinos. [155] Um jornal naval teorizou sobre a possibilidade de um híbrido de célula de combustível nuclear em que a célula de combustível é usada quando operações silenciosas são necessárias e então reabastecida a partir do reator nuclear (e água). [156]

Sistemas de energia portáteis Editar

Os sistemas portáteis de células de combustível são geralmente classificados como pesando menos de 10 kg e fornecendo energia inferior a 5 kW. [157] O tamanho do mercado potencial para células de combustível menores é bastante grande, com uma taxa de crescimento potencial de até 40% ao ano e um tamanho de mercado de cerca de US $ 10 bilhões, levando uma grande quantidade de pesquisas a serem dedicadas ao desenvolvimento de células de energia portáteis . [158] Neste mercado foram identificados dois grupos. O primeiro é o mercado de microcélulas a combustível, na faixa de 1-50 W para dispositivos eletrônicos de menor porte. O segundo é a faixa de 1-5 kW de geradores para geração de energia em maior escala (por exemplo, postos militares, campos de petróleo remotos).

As células de microcombustível têm como objetivo principal penetrar no mercado de telefones e laptops. Isso pode ser atribuído principalmente à densidade de energia vantajosa fornecida pelas células de combustível em relação a uma bateria de íon-lítio, para todo o sistema. Para uma bateria, este sistema inclui o carregador, bem como a própria bateria. Para a célula de combustível, este sistema incluiria a célula, o combustível necessário e acessórios periféricos. Levando em consideração o sistema completo, as células de combustível fornecem 530 Wh / kg em comparação com 44 Wh / kg para baterias de íon de lítio. [158] No entanto, embora o peso dos sistemas de células de combustível ofereçam uma vantagem distinta, os custos atuais não estão a seu favor. enquanto um sistema de bateria geralmente custa cerca de US $ 1,20 por Wh, os sistemas de células de combustível custam cerca de US $ 5 por Wh, o que os coloca em uma desvantagem significativa. [158]

Conforme as demandas de energia para telefones celulares aumentam, as células de combustível podem se tornar opções muito mais atraentes para geração de energia maior. A demanda por mais tempo em telefones e computadores é algo frequentemente exigido pelos consumidores para que as células de combustível possam começar a fazer progressos nos mercados de laptops e telefones celulares. O preço continuará caindo à medida que o desenvolvimento das células de combustível continua a acelerar. As estratégias atuais para melhorar as microcélulas a combustível são por meio do uso de nanotubos de carbono. Foi demonstrado por Girishkumar et al. que a deposição de nanotubos nas superfícies dos eletrodos permite uma área de superfície substancialmente maior, aumentando a taxa de redução de oxigênio. [159]

As células de combustível para uso em operações em grande escala também são muito promissoras. Os sistemas de energia portáteis que usam células de combustível podem ser usados ​​no setor de lazer (ou seja, RVs, cabines, marítimo), o setor industrial (ou seja, energia para locais remotos, incluindo locais de poços de gás / petróleo, torres de comunicação, segurança, estações meteorológicas) e no setor militar. A SFC Energy é um fabricante alemão de células de combustível de metanol direto para uma variedade de sistemas de energia portáteis. [160] Ensol Systems Inc. é um integrador de sistemas portáteis de energia, usando o SFC Energy DMFC. [161] A principal vantagem das células de combustível neste mercado é a grande geração de energia por peso. Embora as células de combustível possam ser caras, para locais remotos que requerem energia confiável, as células de combustível têm grande poder. Para uma excursão de 72 horas, a comparação em peso é substancial, com uma célula de combustível pesando apenas 15 libras em comparação com 29 libras de baterias necessárias para a mesma energia. [157]

Outros aplicativos Editar

  • Fornecimento de energia para estações base ou locais de células [162] [163] é um tipo de sistema de célula de combustível, que pode incluir iluminação, geradores e outros aparelhos, para fornecer recursos de backup em uma crise ou quando os sistemas regulares falham. Eles encontram usos em uma ampla variedade de ambientes, de residências a hospitais, laboratórios científicos, centros de dados, [164]
  • equipamento de telecomunicações [165] e navios de guerra modernos.
  • Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) fornece energia de emergência e, dependendo da topologia, fornece regulação de linha também para equipamentos conectados, fornecendo energia de uma fonte separada quando a energia da rede elétrica não estiver disponível. Ao contrário de um gerador de reserva, ele pode fornecer proteção instantânea contra uma interrupção momentânea de energia. , emparelhar a célula de combustível com um ICE ou uma bateria. para aplicações onde o carregamento AC pode não estar prontamente disponível.
  • Docks de carregamento portáteis para eletrônicos pequenos (por exemplo, um clipe de cinto que carrega um telefone celular ou PDA). , laptops e tablets.
  • Pequenos aparelhos de aquecimento [166], obtidos pela exaustão do oxigênio e manutenção automática da exaustão do oxigênio em um contêiner de transporte, contendo, por exemplo, peixe fresco. [167], onde a quantidade de voltagem gerada por uma célula de combustível é usada para determinar a concentração de combustível (álcool) na amostra. [168], sensor eletroquímico.

Editar Postos de Abastecimento

De acordo com o FuelCellsWorks, um grupo da indústria, no final de 2019, 330 postos de abastecimento de hidrogênio estavam abertos ao público em todo o mundo. [169] Em junho de 2020, havia 178 estações de hidrogênio disponíveis publicamente em operação na Ásia. [170] 114 deles estavam no Japão. [171] Havia pelo menos 177 estações na Europa, e cerca de metade delas na Alemanha. [172] [173] Havia 44 estações acessíveis ao público nos Estados Unidos, 42 das quais estavam localizadas na Califórnia. [174]

Uma estação de abastecimento de hidrogênio custa entre US $ 1 milhão e US $ 4 milhões para ser construída. [175]

Em 2012, as receitas da indústria de células de combustível ultrapassaram o valor de mercado de US $ 1 bilhão em todo o mundo, com os países do Pacífico Asiático enviando mais de 3/4 dos sistemas de células de combustível em todo o mundo. [176] No entanto, a partir de janeiro de 2014, nenhuma empresa pública do setor havia se tornado lucrativa. [177] Houve 140.000 pilhas de células de combustível enviadas globalmente em 2010, ante 11.000 remessas em 2007, e de 2011 a 2012 as remessas mundiais de células de combustível tiveram uma taxa de crescimento anual de 85%. [178] Tanaka Kikinzoku expandiu suas instalações de fabricação em 2011. [179] Aproximadamente 50% das remessas de células de combustível em 2010 foram células de combustível estacionárias, acima de cerca de um terço em 2009, e os quatro produtores dominantes na indústria de células de combustível foram os Estados Unidos Estados Unidos, Alemanha, Japão e Coréia do Sul. [180] O Departamento de Energia Solid State Energy Conversion Alliance descobriu que, a partir de janeiro de 2011, as células de combustível estacionárias geraram energia em aproximadamente $ 724 a $ 775 por quilowatt instalado. [181] Em 2011, a Bloom Energy, um grande fornecedor de células de combustível, disse que suas células de combustível geravam energia a 9-11 centavos de dólar por quilowatt-hora, incluindo o preço do combustível, manutenção e hardware. [182] [183]

Grupos da indústria prevêem que há recursos de platina suficientes para a demanda futura, [184] e em 2007, uma pesquisa no Laboratório Nacional de Brookhaven sugeriu que a platina poderia ser substituída por um revestimento de ouro-paládio, que pode ser menos suscetível a envenenamento e, assim, melhorar a célula de combustível tempo de vida. [185] Outro método usaria ferro e enxofre em vez de platina. Isso reduziria o custo de uma célula de combustível (já que a platina em uma célula de combustível normal custa cerca de US $ 1.500, e a mesma quantidade de ferro custa apenas cerca de US $ 1,50). O conceito estava sendo desenvolvido por uma coalizão do John Innes Center e da University of Milan-Bicocca. [186] Os catodos PEDOT são imunes ao envenenamento por monóxido. [187]

Em 2016, a Samsung "decidiu abandonar projetos de negócios relacionados a células de combustível, pois as perspectivas do mercado não são boas". [188]


Tabela de temperaturas da chama para diferentes combustíveis

  • Química
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    • Químicos Famosos
    • Atividades para crianças
    • Abreviações e acrônimos
    • Ph.D., Ciências Biomédicas, Universidade do Tennessee em Knoxville
    • B.A., Física e Matemática, Hastings College

    Esta é uma lista de temperaturas de chama para vários combustíveis comuns. Temperaturas de chama adiabática para gases comuns são fornecidas para ar e oxigênio. (Para esses valores, a temperatura inicial do ar, gás e oxigênio é de 20 ° C.) MAPP é uma mistura de gases, principalmente metil acetileno e propadieno com outros hidrocarbonetos. Você obterá o máximo retorno do seu investimento, relativamente falando, com acetileno no oxigênio (3100 ° C) e acetileno (2400 ° C), hidrogênio (2045 ° C) ou propano (1980 ° C) no ar.


    Métodos no Metabolismo do Metano, Parte A

    Katharina Schlegel, Volker Müller, em Methods in Enzymology, 2011

    1. Introdução

    Arquéias metanogênicas crescem em um número limitado de C1 substratos, como metanol, metilaminas, formato e alguns também podem usar acetato (Deppenmeier, 2002 Ferry, 1997 Thauer et al., 2008). No centro de todos esses caminhos está o caminho Wood – Ljundahl (Ljungdahl, 1994 Ragsdale, 2008). Durante o crescimento em H2 + CO2, CO2 é primeiro ligado ao metanofurano e, portanto, reduzido a um grupo formil (Fig. 12.1). Esta reação endergônica é catalisada pela formilmetanofurano desidrogenase e conduzida pelo gradiente de íons eletroquímicos através da membrana (Kaesler e Schönheit, 1989 Winner e Gottschalk, 1989). O grupo formil é transferido para tetrahidrometanopterina (H4MPT) e reduzido a um grupo metil. Este grupo metil é transferido para o cofator M (CoM-SH) pelo metil-H4MPT: metiltransferase HS-CoM. Esta reação exergônica (ΔG0′ = - 29 kJ / mol) é usado para transferir 1,7 Na + / CH4 sobre a membrana e, assim, gera um gradiente primário e eletrogênico de Na + através da membrana (Becher et al., 1992b Gottschalk e Thauer, 2001 Lienard et al., 1996 Müller et al., 1987). Na próxima etapa, o metil-CoM sofre um ataque nucleofílico pelo ânion tiolato de HS-CoB (Coenzima B, 7-tioheptanoil-o-fosho-l-treonina), liberando assim CH4 e gerar um dissulfeto de CoM e CoB, o chamado heterodissulfeto. O heterodissulfeto é o receptor de elétrons terminal na metanogênese e é reduzido e, portanto, clivado por uma heterodissulfeto redutase ligada à membrana. Os elétrons necessários para esta reação são fornecidos por F420 (durante o crescimento em substratos metilados), uma hidrogenase ligada à membrana (durante o crescimento em H2 + CO2) ou ferredoxina (durante o crescimento em acetato) e transferida através de uma cadeia de transporte de elétrons. Nesta reação, três a quatro H + são translocados sobre a membrana (Blaut et al., 1987 Deppenmeier et al., 1990 ).

    Figura 12.1. Correntes de íons durante a metanogênese de H2 + CO2. Observe que este modelo descreve apenas o caminho em M. mazei e M. barkeri. M. acetivorans não contém hidrogenases. (1) Ech / Eha hidrogenase (2) Na + / H + antiporter (3) metil-H4MPT coenzima M metiltransferase (4) H2: sistema heterodissulfeto oxidoredutase (5) A1UMAO ATP sintase MF, metanofurano H4MPT, tetrahidrometanopterina CoM-SH, coenzima M CoB-SH, coenzima B Fd, ferredoxina.

    Durante o crescimento em substratos contendo grupos metil, os grupos metil são canalizados para CoM-SH por metiltransferases específicas. Um quarto do grupo metil é oxidado a CO2 ganhar os equivalentes de redução para reduzir os outros 75% ao metano (Deppenmeier, 2002 van der Meijden et al., 1983 Fig. 12.2). A metanogênese do acetato começa com a ativação do acetato em acetil-CoA, seguida por uma oxidação de acetil-CoA em CO2 e um grupo metil ligado à coenzima que é reduzido a CH4 com elétrons ganhos durante a reação de oxidação (Ferry, 1997 Terlesky e Ferry, 1988 Thauer, 1990).

    Figura 12.2. Correntes iônicas durante a metanogênese do metanol. Observe que este modelo descreve apenas o caminho em M. mazei e M. barkeri. M. acetivorans não contém uma hidrogenase Ech, mas um complexo Rnf. Os elétrons do hidrogênio produzido pela hidrogenase Ech / Eha são finalmente transferidos para a heterodissulfeto redutase. Ainda é uma questão de debate se isso ocorre por meio de um F solúvel420 reduzindo a hidrogenase ou diretamente pelo H2: sistema heterodissulfeto oxidoredutase. (1) Ech / Eha hidrogenase (2) Na + / H + antiporter (3) metil-H4MPT-coenzima M metiltransferase (4) F420: sistema heterodissulfeto oxidoredutase (5) A1UMAO ATP sintase MF, metanofurano H4MPT, tetrahidrometanopterina CoM-SH, coenzima M CoB-SH, coenzima B Fd, ferredoxina.

    Uma característica comum da metanogênese encontrada em todos os metanógenos investigados até o momento é a necessidade de Na +. O Na + é necessário não apenas para o crescimento das células, mas também pelas células em repouso para a metanogênese, indicando um envolvimento do Na + em uma das etapas da via (Müller et al., 1986, 1988 Perski et al., 1981, 1982). Na verdade, descobriu-se que o metil-H4SPT: HS-CoM-metiltransferase é uma bomba primária de Na + (Becher et al., 1992a Müller et al., 1987). Além do motivo Na + metil-H4MPT: HS-CoM-metiltransferase, o sistema heterodissulfeto redutase é motivo de prótons. Assim, os metanógenos são os únicos organismos que geram um gradiente primário de prótons e íons de sódio ao mesmo tempo. Como as duas forças motrizes iônicas estão conectadas à síntese de ATP ainda é uma questão de debate, mas o1UMAO A ATP sintase é essencial para a síntese de ATP (Deppenmeier e Müller, 2008 Müller e Grüber, 2003 Pisa et al., 2007 Saum et al., 2009 ).

    Neste capítulo, descrevemos como a dependência do Na + no crescimento e na metanogênese é analisada, como o transporte do Na + é medido em suspensões celulares e como a síntese de ATP, bem como a hidrólise de ATP, é medida.


    Comportamento do elétron

    Em um nível submolecular, a razão para a diferença nos níveis de energia entre os reagentes e produtos, reside nas configurações eletrônicas. Os átomos de hidrogênio têm um elétron cada. Eles se combinam em moléculas de dois para que possam compartilhar dois elétrons (um cada). Isso ocorre porque a camada mais interna do elétron está em um estado de menor energia (e, portanto, mais estável) quando ocupada por dois elétrons. Os átomos de oxigênio têm oito elétrons cada. Eles se combinam em moléculas de dois, compartilhando quatro elétrons, de modo que suas camadas externas de elétrons são totalmente ocupadas por oito elétrons cada. No entanto, um alinhamento muito mais estável de elétrons surge quando dois átomos de hidrogênio compartilham um elétron com um átomo de oxigênio. Apenas uma pequena quantidade de energia é necessária para "empurrar" os elétrons dos reagentes "para fora" de suas órbitas para que eles possam se realinhar no alinhamento mais energeticamente estável, formando uma nova molécula, H2O.


    Assista o vídeo: Webinar O papel da biomassa na economia do hidrogênio (Agosto 2022).