Reator termoqumico de induo moderniza processos industriais

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 21/08/2024

Reatores eletroqumicos industriais

Descarbonizar a indstria pode ser um timo negcio para o planeta: Os processos industriais respondem por aproximadamente um tero das emisses de dixido de carbono, o que mais do que as emisses anuais de CO₂ dos veculos de passageiros, caminhes e avies combinados.

Foi pensando nisto que Calvin Lin e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, desenvolveram um novo tipo de reator termoqumico que capaz de usar eletricidade – em vez de queimar combustveis fsseis – para gerar as imensas quantidades de calor necessrias para os processos industriais.

A maioria dos reatores termoqumicos funciona queimando combustveis fsseis para aquecer um fluido, que ento flui por tubos, como uma caldeira enviando gua quente em temperaturas muito altas. Isso requer uma quantidade razoavelmente grande de infraestrutura, deixando muitas possibilidades de perder calor ao longo do caminho. Gerar o calor dentro do prprio reator uma opo muito mais razovel.

“Ns obtivemos uma infraestrutura de reator eletrificada e escalvel para processos termoqumicos que apresenta propriedades ideais de aquecimento e transferncia de calor,” disse o professor Jonathan Fan, coordenador da equipe. “Basicamente, estamos levando o desempenho do reator aos seus limites fsicos, e estamos usando eletricidade verde para aliment-lo.”

O reator tambm menor, mais barato e energeticamente mais eficiente do que a tecnologia atual, tipicamente baseada na queima de gs natural ou leo.

O sistema de induo simplifica no apenas o forno, mas toda a infraestrutura de aquecimento.
[Imagem: Calvin H. Lin et al. – 10.1016/j.joule.2024.07.017]

Induo magntica

O novo reator eletrificado usa induo magntica para gerar calor, o mesmo tipo de processo usado nos foges domsticos mais modernos. A grande vantagem que, em vez de ter que transportar o calor por tubos, o aquecimento por induo cria calor internamente dentro do prprio reator, aproveitando as interaes entre correntes eltricas e campos magnticos.

Para aquecer indutivamente uma barra de ao, por exemplo, ela pode ser posta no interior de uma bobina, uma srie de voltas dadas em um fio eltrico, por onde ento flui uma corrente alternada. Essa corrente cria um campo magntico oscilante que, por sua vez, induz uma corrente no ao. E, como o ao no um condutor perfeito de eletricidade, parte dessa corrente se transforma em calor. Este mtodo aquece efetivamente toda a pea de ao ao mesmo tempo, em vez de criar calor de fora para dentro.

Mas usar esse tipo de aquecimento por induo na indstria qumica no to fcil: Os reatores industriais precisam criar e distribuir calor uniformemente em um espao tridimensional e serem muito mais eficientes do que um fogo domstico.

Os pesquisadores descobriram que possvel maximizar a eficincia usando correntes de frequncia particularmente alta, que alternam muito rapidamente, alm de usar materiais particularmente maus condutores de eletricidade para construir o reator. Para isso, eles procuraram a eletrnica de potncia mais eficiente disponvel, para gerar as correntes necessrias, e usaram materiais cermicos no interior do reator, que so particularmente ruins em conduzir eletricidade.

O prottipo est gerando gs de sntese, uma importante matria-prima na indstria qumica.
[Imagem: Calvin H. Lin et al. – 10.1016/j.joule.2024.07.017]

Metamaterial cermico

To importante quanto o uso da cermica foi o modo como essa cermica foi usada: A equipe construiu uma rede tridimensional de cermica porque os vazios da rede diminuem artificialmente a condutividade eltrica ainda mais. E esses vazios podem ser preenchidos com catalisadores, os materiais que precisam ser aquecidos para iniciar as reaes qumicas, essencialmente criando um metamaterial, um material artificial que apresenta caractersticas alm daquelas dos materiais que lhe deram origem.

Isso torna a transferncia de calor ainda mais eficiente e significa que o reator eletrificado pode ser muito menor do que os reatores tradicionais de combustvel fssil.

“Voc est aquecendo uma estrutura de grande rea de superfcie que est bem prxima do catalisador, ento o calor que voc est gerando chega ao catalisador muito rapidamente para fomentar as reaes qumicas,” explicou Fan. “Alm disso, est simplificando tudo. Voc no est transferindo calor de outro lugar e perdendo um pouco ao longo do caminho, voc no tem nenhum cano entrando e saindo do reator – voc pode isol-lo [termicamente] completamente. Isso ideal de um ponto de vista de gerenciamento de energia e custo.”

Reao de deslocamento gs-gua

Os pesquisadores usaram seu prottipo de reator eletrificado para produzir uma reao qumica chamada de mudana do vapor de gua reversa (ou deslocamento gs-gua), usando um novo catalisador sustentvel. A reao, que requer alto calor, pode transformar dixido de carbono capturado em gs de sntese, que pode ser posteriormente processado em combustveis renovveis e produtos qumicos, como metanol e outros hidrocarbonetos, por meio da sntese de Fischer-Tropsch.

Na demonstrao de prova de conceito, o reator atingiu mais de 85% de eficincia, o que significa que ele converteu quase toda a energia eltrica em calor utilizvel. O reator tambm demonstrou condies ideais para facilitar a reao qumica – o dixido de carbono foi convertido em gs utilizvel na taxa teoricamente prevista, o que geralmente no o caso com novos projetos de reatores.

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