Apresente três métodos para a obtenção de hidrogênio em escala industrial, indique a reação química associada e relate sobre os custos, subprodutos e que tipo de hidrogênio é produzido (qual finalidade).

Passo 1

O enunciado pede que apresentemos três métodos industriais para obter hidrogênio, indicando para cada um: a reação química principal, os custos relativos, os subprodutos formados e o “tipo” de hidrogênio produzido (por exemplo, cinza, azul ou verde) e sua aplicação típica.

Passo 2

Método 1: Reforma a vapor de metano (Steam Methane Reforming, SMR)
Este é o processo mais usado hoje em dia, sobretudo na indústria de amônia e no refino de petróleo.
Reações principais:
\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\,\text{H}_2
\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2
Custos e subprodutos:
  • Custo de capital (CAPEX) e operacional (OPEX) médio-alto, mas o preço do gás natural costuma ser moderado, o que torna esse método o mais barato em termos de \text{\$/kg H}_2.
  • Subproduto principal: \text{CO}_2 (emitido sem captura), além de traços de CO e enxofre (dependendo da pureza do gás de alimentação).
    Tipo e finalidade:
  • Hidrogênio “cinza” se o C O_{2} não for capturado; “azul” se for usado captura e armazenamento de C O_{2} (CCS).
  • Aplicação: síntese de amônia \text{NH}_3, hidrotratamento em refinarias e produção de metanol.

Passo 3

Método 2: Gasificação de carvão
Usado em regiões com carvão abundante para produzir gás de síntese (syngas).
Reação simplificada:
\text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2
seguida da etapa de “water–gas shift”:
\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2
Custos e subprodutos:
  • CAPEX elevado (reator de alta pressão e tratamento de gases) e OPEX moderado, pois o carvão é barato, mas impuro.
  • Subprodutos: alcatrões, cinzas, \text{CO}_2, enxofre e óxidos de nitrogênio (dependendo do carvão).
    Tipo e finalidade:
  • Principalmente hidrogênio “cinza” por causa das grandes emissões de \text{CO}_2 (pode virar “azul” com CCS, mas raramente se faz).
  • Aplicação: geração de energia (turbinas a gás), produção de amônia e metanol quando a pureza é ajustada.

Passo 4

Método 3: Eletrólise da água
Emprega eletricidade para separar água em \text{H}_2 e \text{O}_2. Pode ser alcalina, PEM (membrana de troca protônica) ou eletrólise de óxido sólido (SOEC).
Reação global:
2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2
Custos e subprodutos:
  • CAPEX elevado (células e membranas) e OPEX muito dependente do custo da eletricidade; atualmente é a rota mais cara por kg de \text{H}_2.
  • Subproduto limpo: oxigênio de alta pureza.
    Tipo e finalidade:
  • Hidrogênio “verde” se a eletricidade vier de fontes renováveis (eólico, solar); “cinza” se vier da rede comum.
  • Aplicação: mobilidade (células a combustível), injeção na rede de gás natural, indústrias eletrônicas e químicas que exigem alta pureza.

Resposta

  1. Reforma a vapor de metano (SMR): \text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + 3\,\text{H}_2 e \text{CO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2; baixo custo de matéria-prima, subproduto \text{CO}_2; hidrogênio cinza (ou azul com CCS); usado em amônia e refino.
  2. Gasificação de carvão: \text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2 + etapa de shift; médio/alto CAPEX, subprodutos tóxicos e \text{CO}_2; hidrogênio cinza; usado em energia e síntese química.
  3. Eletrólise da água: 2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2; alto CAPEX/OPEX (eletricidade); subproduto \text{O}_2; hidrogênio verde (se renovável); usado em células a combustível, redes de gás e indústrias de alta pureza.

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