Explicação da reforma do gás natural: Um método fundamental de produção de hidrogénio

O que é a reforma do gás natural e por que ela é importante?

A reforma industrial do metano a vapor é um dos métodos mais antigos e mais amplamente utilizados para a produção de hidrogénio puro e é um componente crítico do aprovisionamento energético global. De entre estas técnicas, a reforma do metano a vapor (SMR) é a mais popular devido à sua elevada eficiência e à disponibilidade das infra-estruturas necessárias. A principal diferença é que este processo de fluxo de gás é particularmente importante, uma vez que o hidrogénio gasoso é um dos componentes mais importantes da transição para sistemas energéticos mais limpos, pois tem um grande potencial para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa.

O hidrogénio de reforma do gás natural é utilizado em diferentes indústrias e aplicações, como se segue. É um combustível estratégico para o funcionamento das células de combustível utilizadas nos automóveis eléctricos e noutras aplicações de energias renováveis. Para além da energia, o hidrogénio é utilizado no fabrico de amoníaco para fertilizantes, de metanol para produtos químicos e até de combustível para aviões e jactos. A capacidade de gerar hidrogénio à escala industrial garante a sua posição como o principal facilitador da mudança global para a energia sustentável.

No entanto, este processo não está isento de desafios. Embora seja barato e comummente utilizado, depende de combustíveis fósseis como o metano, o que provoca uma elevada pegada de carbono. Para contrariar este facto, são necessárias tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CAC) para reduzir os seus efeitos no ambiente. Além disso, a reforma do gás natural produz hidrogénio e dióxido de carbono, e o hidrogénio produzido deve ser purificado para utilização comercial. O principal desafio que tem de ser enfrentado para continuar a desenvolver esta tecnologia é a capacidade de alcançar o equilíbrio correto entre a eficiência do processo, a escalabilidade e a sustentabilidade.

Como é que funciona? Explorando a ciência da reforma do gás natural

A reforma do gás natural é um processo crítico para a produção de hidrogénio, que é utilizado em indústrias como a química, a energia e as células de combustível. O processo consiste em três fases principais: pré-tratamento do gás bruto, reação de reforma e purificação do gás de síntese. Por conseguinte, é pertinente discutir cada fase da seguinte forma.

Fase 1: Pré-tratamento do gás bruto

O gás natural bruto é maioritariamente metano, mas contém entre 0,1 e 2% impurezas como compostos de enxofre, vapor de água e outros hidrocarbonetos pesados. Quando ingeridas pelos catalisadores, estas impurezas envenenam os catalisadores e conduzem à contaminação e a um impacto negativo no processo a jusante, pelo que é necessário um processo de pré-tratamento inicial para garantir que o processo decorre sem problemas e que a vida útil do catalisador não é reduzida.

A remoção de compostos contendo enxofre é uma das actividades mais críticas nesta fase. As impurezas como o sulfureto de hidrogénio (H₂S) são adsorvidas por substâncias como o óxido de zinco (ZnO), que reage com o enxofre para dar sulfureto de zinco sólido (ZnS). Este processo reduz efetivamente o teor de enxofre abaixo de 0,1 ppm para proteger os catalisadores de reforma sensíveis.

A secagem é igualmente importante, uma vez que a humidade dificulta as reacções de reforma, bem como as etapas de purificação subsequentes. De todos os agentes de secagem, as peneiras moleculares (4A, 5A, 13X) são preferidas devido à sua elevada seletividade, estabilidade térmica e capacidade de remover a humidade para níveis muito baixos. Têm um melhor desempenho do que outros materiais, como a alumina activada, que é mais adequada para aplicações de baixa humidade ou de alta temperatura, e o gel de sílica, que é utilizado como dessecante de segunda camada. As peneiras moleculares são preferidas porque têm uma vida útil mais longa e são mais eficazes na remoção de água, proporcionando assim uma alimentação de metano muito seca.

Finalmente, os hidrocarbonetos de elevado peso molecular são removidos para evitar a formação de coque nos catalisadores, tornando assim o processo a jusante mais fiável e duradouro. No final desta fase, o gás natural é um fluxo de metano purificado, pronto para a reação de reforma.

Fase 2: Reação de reforma

Agora, o metano purificado passa pela conversão em gás de síntese, que é uma combinação de hidrogénio, monóxido de carbono e dióxido de carbono. Esta etapa ocorre a temperaturas elevadas, normalmente entre 800 e 1000°C, e utiliza catalisadores à base de níquel para promover as reacções.

A reforma a vapor do metano (SMR) é o processo de reforma mais popular utilizado nas indústrias. O gás de síntese é produzido a partir do metano por conversão de vapor utilizando um catalisador. Esta reação é muito eficiente e produz uma conversão de metano superior a 95%.

Existem outros tipos de processos de reforma, como a reforma térmica automática (ATR), que podem ser utilizados em vez de (ou para além de) SMR. O ATR integra a oxidação parcial com a reforma a vapor e gera calor dentro do processo, reduzindo assim a procura externa de energia. Este método é preferido em aplicações em que os créditos de carbono e a poupança de energia são de importância primordial.

A fase de reforma contém também a reação de transferência água-gás (WGS). Esta é uma reação secundária em que o monóxido de carbono reage com a água e forma mais hidrogénio e dióxido de carbono. A reação WGS optimiza o rendimento de hidrogénio, diminuindo simultaneamente o teor de monóxido de carbono no gás de síntese para facilitar a purificação numa fase posterior.

Fase 3: Purificação do gás de síntese

A etapa final da reforma do gás natural é a purificação do gás de síntese até ao nível do hidrogénio ultra puro, com um nível de pureza frequentemente superior a 99,99 %. Isto significa que as espécies indesejáveis, como o dióxido de carbono, o monóxido de carbono, o metano, a água e outras, são eliminadas, uma vez que podem afetar outras utilizações.

O procedimento começa com a otimização da transferência água-gás, através da qual o monóxido de carbono residual no gás de síntese reage com o vapor para gerar hidrogénio e dióxido de carbono adicionais. Este passo, para além de melhorar o rendimento do hidrogénio, também serve para diminuir os níveis de monóxido de carbono para uma maior facilidade de remoção.

Em seguida, a remoção do dióxido de carbono é efectuada por absorção química com aminas ou por adsorção por oscilação de pressão (PSA). A lavagem com aminas reage com o CO₂ com solventes químicos, enquanto a PSA utiliza materiais adsorventes, como zeólitos, para adsorver seletivamente o CO₂ e recuperar mais de 85% do hidrogénio.

A metanação remove então o monóxido de carbono residual, convertendo-o em metano e água utilizando hidrogénio. Esta etapa garante que o nível de CO é reduzido para menos de 10 ppm, tornando o fluxo de hidrogénio seguro para aplicações sensíveis como as células de combustível.

A maioria das pessoas não tem em conta a secagem na purificação, mas o facto é que mesmo vestígios de humidade podem danificar o equipamento. As peneiras moleculares (5A, 13X) são os dessecantes mais utilizados devido à sua elevada capacidade de adsorção de água, estabilidade térmica e longa vida útil. As aplicações de baixa humidade ou de alta temperatura requerem outros materiais, como a alumina activada, enquanto o gel de sílica é utilizado como dessecante de reserva. No entanto, as peneiras moleculares são mais desejáveis devido à sua eficácia na obtenção de pontos de orvalho extremamente baixos e, por conseguinte, à qualidade e estabilidade do fluxo de hidrogénio.

Por último, mas não menos importante, resta um recurso como a destilação criogénica ou a tecnologia de membrana para eliminar a perda de impurezas. Nas instalações que utilizam a tecnologia CCS, o CO₂ é capturado e armazenado após ser comprimido, o que minimiza as emissões em até 90%.

A reforma do gás natural é um processo de produção de hidrogénio ligeiramente complicado, mas muito eficaz. No processo de regeneração do catalisador, todas as etapas em conjunto com o pré-tratamento e as etapas de pós-reforma e purificação são fundamentais para obter rendimentos elevados, proteção do equipamento e pureza do produto. As reacções pré-ventivas, como as reacções WGS e de metanação, ajudam a aumentar a eficiência e a minimizar os contaminantes. Das tecnologias críticas, as peneiras moleculares continuam a ser o agente de secagem mais popular, especialmente em aplicações de adsorção de alta temperatura, baixa humidade e precisão. Isto deve-se particularmente a uma série de vantagens em relação a outros permutadores de calor, que incluem uma estabilidade de desempenho superior, bem como níveis de humidade ultrabaixos, que são vitais para garantir o processo de reforma. Com os avanços na reforma autotérmica e na captura de carbono, esta tecnologia permanece relevante e continua a desenvolver-se com a ajuda de novos desenvolvimentos na reforma autotérmica e na captura de carbono.

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Porque é que esta via está a ser considerada?

A técnica mais popular e eficaz para a produção de hidrogénio é a reforma do gás natural devido à sua eficácia, flexibilidade e integração com as instalações existentes. Em comparação com outros métodos, como a separação termoquímica da água ou a eletrólise, é muito mais barata, pelo que é adequada para utilizações de hidrogénio a curto e médio prazo.

Atualmente, a maior parte do hidrogénio é produzida por reformação do gás natural, porque o gás natural é barato e facilmente disponível, especialmente nos Estados Unidos. Os novos desenvolvimentos no domínio da captura e armazenamento de carbono (CCS) melhoraram o processo, reduzindo os efeitos do processo no ambiente. A reforma do gás natural pode gerar hidrogénio com baixo teor de carbono, também conhecido como "hidrogénio azul", capturando as emissões de CO₂, apoiando assim os esforços globais de descarbonização.

Este método é também muito flexível e pode ser utilizado tanto para aplicações de média escala como para a produção de hidrogénio em grande escala. A sua versatilidade permite-lhe satisfazer as necessidades de várias indústrias, como a dos transportes (pilhas de combustível e veículos eléctricos) e a dos processos industriais, incluindo a síntese de amoníaco e metanol. Embora as fontes renováveis, como a energia solar e a energia eólica, estejam a crescer rapidamente, não são suficientemente estáveis para substituir completamente o hidrogénio produzido a partir de combustíveis fósseis. Por conseguinte, a reforma do gás natural desempenha um papel importante como combustível de transição, o que constitui um passo em direção a uma energia mais limpa e mais sustentável.

Quais são os impactos ambientais e os desafios da reforma do gás natural?

No entanto, a reforma do gás natural não está isenta de problemas, principalmente ambientais. O processo também produz uma quantidade significativa de emissões de CO₂, que existem principalmente na utilização de metano, um combustível fóssil. Estas emissões, se não forem capturadas e armazenadas, contribuem diretamente para as alterações climáticas, o que é contraproducente para a função do hidrogénio como vetor de energia limpa.

O processo também consome muita energia, uma vez que necessita de muito calor para alimentar a reforma do metano a vapor (SMR) a temperaturas elevadas. Esta energia é frequentemente produzida através da queima de mais combustíveis fósseis, o que significa que o processo de produção de hidrogénio - um combustível amigo do ambiente - se baseia em processos intensivos em carbono.

No entanto, são produzidas pequenas quantidades de monóxido de carbono (CO) durante a reforma, o que é perigoso para os trabalhadores e exige medidas ambientais rigorosas. A aplicação do processo a uma escala mais pequena acrescenta ineficiências adicionais e problemas económicos, uma vez que a tecnologia é mais eficaz em grandes escalas.

Para ultrapassar estes problemas, estão em preparação melhorias nos reactores SMR e de transferência de gás de água. As possibilidades de aumentar a eficiência dos sistemas de recuperação de calor e as condições da reação podem ser os factores-chave. Além disso, é crucial aumentar a utilização das tecnologias CCS para capturar as emissões de CO₂ necessárias para a produção de "hidrogénio azul". Estes factores são importantes porque ajudam a reduzir o custo ambiental relativo da reforma do gás natural.

O que o futuro reserva para a reforma de gás natural?

O futuro da reforma do gás natural depende do desenvolvimento tecnológico e das tendências para a descarbonização em todo o mundo. À medida que o consumo de hidrogénio aumenta em mercados estratégicos como o dos veículos eléctricos e o das energias renováveis, a reforma do gás natural continuará a ser o principal método de produção num futuro próximo. No entanto, a sua sustentabilidade a longo prazo ainda é questionável, dependendo do aproveitamento das tecnologias de captura de carbono e da mudança para tecnologias mais limpas.

Espera-se que o hidrogénio renovável, que é gerado pela eletrólise da água, impulsionada pela energia solar ou eólica, altere significativamente a atual estrutura de produção e comercialização do hidrogénio. Tal deve-se ao facto de se esperar que o custo das tecnologias renováveis diminua no futuro e, por conseguinte, que a utilização da reforma do gás natural possa diminuir. É igualmente possível encontrar uma simbiose entre as fontes de energia renováveis e os sistemas de reforma como uma potencial solução intermédia para a produção em massa de hidrogénio.

As medidas destinadas a tornar os processos mais eficientes, a reduzir o carbono e a procurar a recuperação de calor continuarão a ser valorizadas no sector industrial. Além disso, os incentivos governamentais e o desenvolvimento de infra-estruturas de hidrogénio determinarão as perspectivas futuras desta tecnologia, especialmente nos EUA e em diferentes países da Europa.

Embora as questões ambientais continuem a ser um problema, a reformação do gás natural continuará a fazer parte do processo de produção de hidrogénio como uma ponte entre a atual infraestrutura de combustíveis fósseis e uma futura economia do hidrogénio.