Simulação de ciclos de liquefação de hidrogênio: redução de consumo energético com misturas gasosas

Abstract

O aumento do consumo de energia exige soluções sustentáveis para enfrentar seu impacto ambiental. O hidrogênio, cada vez mais reconhecido como fundamental na redução das emissões de CO2, oferece caminhos promissores para a transição para a energia limpa. A liquefação se destaca entre os métodos de armazenamento de hidrogênio por sua alta densidade energética. No entanto, ela envolve requisitos energéticos significativos, o que dificulta sua adoção em larga escala. Plantas atuais utilizam N2 como fluido refrigerante em ciclos de pré-resfriamento por apresentar temperatura de ebulição (de 77 K) próxima do hidrogênio (20 K). Entretanto, esse processo consome muita energia. Neste contexto, esta dissertação tem como objetivo investigar alternativas para a redução do consumo específico de energia (specific energy consumption, SEC) dos ciclos de liquefação Linde e Claude. Para atingir esse objetivo, propõe-se que o ciclo de pré resfriamento opere com misturas das seguintes substâncias: metano(CH4), etano (C2H6), propano (C3H8), dióxido de carbono (CO2) e nitrogênio (N2). Além disso, analisou-se a influência sobre o SEC da pressão de trabalho em ambos os ciclo de liquefação. Observou-se que, no ciclo Linde a pressões maiores que 90 bar, combinações de CH4 e N2 possuem potencial de redução do SEC. Já no ciclo Claude, para a pressão de 30 bar e composição da mistura do fluido refrigerante de 10%CH4, 10%CO2, 60%C2H6, 20%C3H8 foi apresentado o menor SEC de 10.33 kWh/kg.

Abstract: The increasing global energy consumption demands sustainable solutions to address its environmental impact. Hydrogen, increasingly recognized as essential for reducing CO2 emissions, offers promising pathways for the transition to clean energy. Liquefaction stands out among hydrogen storage methods due to its high energy density. However, it involves significant energy requirements, which hinder its large-scale adoption. Current plants use N2 as a refrigerant fluid in pre-cooling cycles because of its boiling point (77 K), which is close to that of hydrogen (20 K). However, this process is energyintensive. In this context, this dissertation aims to investigate alternatives to reduce the specific energy consumption (SEC) of the Linde and Claude liquefaction cycles. To achieve this goal, it is proposed that the pre-cooling cycle operates with mixtures of the following substances: methane (CH4), ethane (C2H6), propane (C3H8), carbon dioxide (CO2) and nitrogen (N2). In addition, the influence of the working pressure on the SEC was analyzed for both liquefaction cycles. It was observed that, in the Linde cycle, at pressures higher than 90 bar, combinations of CH4 and N2 have the potential to reduce the SEC. In the Claude cycle, at 30 bar pressure and with a refrigerant fluid mixture composition of 10%CH4, 10%CO2, 60%C2H6, 20%C3H8, the lowest SEC of 10.33 kWh/kg was achieved.