SISTEMA E PROCESSO PARA EXTRAÇÃO DE HIDROGÉNIO DE ÁGUA SALINA E GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, ÁGUA PURA E GÁS

HIDROGÉNIO

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] O presente pedido refere-se a um sistema e a um processo de extração do hidrogénio de águas salinas, em geral, capaz de gerar água pura, energia elétrica e hidrogénio em um processo cíclico de realimentação energética o que possibilita sua viabilidade económica e ambiental.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] São conhecidos do estado da técnica alguns processos para obtenção de água potável a partir da água do mar, como a destilação, o congelamento e a osmose reversa.

[003] São também conhecidos do estado da técnica meios através da eletrólise para extração de hidrogénio da água salina em pequena escala.

[004] Um dos maiores inconvenientes relacionados aos processos de extração do hidrogénio e obtenção de água potável de água do mar é o consumo energético. Tanto o processo de extração do hidrogénio quanto a potabilização da água do mar consomem grande quantidade de energia, seja ele para realizar a eletrólise propriamente dita ou na separação do sal da água, sendo que a estrutura necessária para o bombeamento e transporte da água do mar também consome uma grande quantidade de energia.

[005] A utilização de energia fóssil para esse tipo de processo é, naturalmente, insustentável sob o ponto de vista ambiental. Além disso, os resíduos gerados pelo processo - incluindo aditivos químicos e os próprios subprodutos naturais da dessalinização - causam impactos ambientais de difícil equalização.

[006] Assim permanece no estado da técnica a necessidade de um processo de eletrólise e dessalinização que seja autossustentável e minimize seu impacto ambiental.

[007] Além disso, o processo de dessalinização é dedicado apenas a obter água potável o que não é atrativo comercialmente, restando ainda ao estado da técnica a produção de produtos com maior valor agregado como hidrogénio e energia elétrica antes de obter a água propriamente dita.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[008] É um objetivo do presente pedido proporcionar um processo de extração de hidrogénio de água salina que seja autossustentável do ponto de vista energético através do processo de realimentação dos eletrodos e através da instalação de vários alternadores ligados a um mesmo eixo de rotação que serão capazes de fornecer energia suficiente para que este processo seja autossustentável.

[009] É outro objetivo do presente pedido prover um processo de extração de hidrogénio de água salina compreendendo uma configuração de alternadores que gerem maior eficiência ao processo.

[0010] É outro dos objetivos do presente pedido proporcionar um processo de extração de hidrogénio de águas salinas, em geral, incluindo, portanto, a água do mar, que seja capaz de gerar água pura, energia elétrica e gás hidrogénio.

[0011] É outro dos objetivos do presente pedido proporcionar um processo de extração de hidrogénio de água salina que minimize seu impacto ambiental. BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0012] O presente pedido atinge esses e outros objetivos por meio de um sistema para extração de hidrogénio de água salina e geração de água pura, energia elétrica e gás hidrogénio, que compreende:

[0013] pelo menos um tanque para armazenagem da água salina, o tanque compreendendo eletrodos de modo a atuar como um tanque de eletrólise;

[0014] pelo menos um reservatório de gases para armazenar hidrogénio gerado pela eletrólise da água salina;

[0015] pelo menos um motor a combustão que utilizará hidrogénio como combustível, o motor a combustão sendo alimentado por hidrogénio oriundo do reservatório de gases e possuindo um eixo longo onde é instalada uma pluralidade de alternadores ligados a esse mesmo eixo de rotação,

[0016] em que a pluralidade de alternadores, quando movimentada pelo eixo longo do motor de combustão, abastece uma pluralidade de transformadores de corrente alternada para contínua e transformadores de potência se necessário, que realimentam energia elétrica para os eletrodos do tanque de eletrólise.

[0017] O conjunto de alternadores do sistema e do processo objeto do presente certificado de adição invenção sendo compreendido por uma pluralidade de imãs permanentes enfileirados retilineamente de modo que os polos iguais fiquem voltados uns para os outros e espaçados entre si de uma distância mínima de 5 cm e sendo a pluralidade de imãs ligadas entre si por meio de fios/cabos de material condutor e com suas extremidades de fio sendo ligadas aos eletrodos do tanque de eletrólise.

[0018] Na concretização preferida do sistema do presente pedido, o sistema compreende uma turbina que utiliza vapor d’água gerado pela queima de hidrogénio no motor de combustão para geração de energia elétrica.

[0019] Também na concretização preferida, o motor a combustão é disposto em um tanque de imersão, o tanque de imersão encerrando um primeiro fluido com um primeiro calor específico, o primeiro fluido trocando calor com um segundo fluido com um segundo calor específico, de modo a gerar uma expansão de volume e escape de vapor; sendo que o sistema inclui ainda uma turbina que recebe esse vapor escapado e o utiliza para geração de energia elétrica.

[0020] O sistema pode compreender ainda pelo menos um misturador e pelo menos uma câmara de combustão, os quais são utilizados para a reciclagem e descarte dos subprodutos do processo.

[0021] O tanque de eletrólise pode incluir um fundo inclinado, o qual facilita o manejo e retirada dos precipitados do processo, nos casos onde ocorram devido à presença de impurezas na água utilizada.

[0022] O presente pedido também contempla um processo para extração de hidrogénio de água salina e geração de água pura, energia elétrica e gás hidrogénio, que compreende:

[0023] proporcionar pelo menos um tanque para armazenamento da água salina, o tanque compreendendo eletrodos de modo a atuar como um tanque de eletrólise;

[0024] realizar a eletrólise da água salina, gerando hidrogénio; [0025] armazenar pelo menos parte do hidrogénio gerado pela eletrólise da água salina em um reservatório de gases;

[0026] utilizar pelo menos parte do hidrogénio armazenado para retroalimentar um motor a combustão tendo um eixo longo que seja suficiente para acoplar vários alternadores nele;

[0027] proporcionar uma pluralidade de alternadores sobre o eixo longo do motor a combustão;

[0028] girar o eixo do motor a combustão fazendo com que os alternadores da pluralidade de alternadores gerem energia elétrica para realimentação;

[0029] utilizar a energia elétrica gerada pelos alternadores para abastecer uma pluralidade de transformadores de potência;

[0030] utilizar os transformadores de potência e corrente para transformar a energia elétrica na sua forma adequada para abastecer com energia elétrica os eletrodos do tanque de eletrólise.

[0031] O processo do presente pedido pode compreender ainda a etapa de utilizar o vapor d’água gerado pela queima de hidrogénio no motor de combustão para alimentar uma turbina de geração de energia elétrica.

[0032] Além disso, quando este processo é realizado com água salina com a presença de cloro, o processo compreende, ainda, ainda a etapas de reagir o ácido clorídrico com um metal gerando gás hidrogénio e o cloreto do metal, direcionar o cloreto do metal a um misturador que mistura o cloreto do metal com hidróxido de sódio para formar precipitado de hidróxido do metal, e direcionar o precipitado a uma câmara de combustão para queimar o hidróxido do metal com hidrogénio para gerar água e metal reciclado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0033] O presente pedido será descrito a seguir com mais detalhes, com referências aos desenhos anexos, nos quais:

[0034] Figura 1 - é uma representação esquemática do sistema de acordo com a concretização preferida do presente pedido.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0035] O presente pedido será descrito a seguir com base em um exemplo de concretização preferida do processo e sistema de acordo com o presente pedido. [0036] Em sua concretização preferida, o sistema do presente pedido compreende pelo menos um reservatório ou tanque 1 para armazenamento da água salina.

[0037] Em concretizações do presente pedido, a água salina é água do mar adicionada de sulfato de sódio. Em concretizações alternativas, a água salina é uma água doce adicionada apenas com sulfato de sódio dissolvido.

[0038] No processo do presente pedido, o tanque atua como um tanque de eletrólise. Assim, o tanque compreende ainda eletrodos para realizar a eletrólise da água salina ali armazenada.

[0039] Os eletrodos podem ser de qualquer tipo adequado como, por exemplo, eletrodos de grafite, platina, aço ou ligas de tais materiais.

[0040] O tanque pode incluir ainda uma membrana seletiva para separação dos elementos presentes nos eletrodos positivos e negativos.

[0041] Durante a eletrólise da água salina gás hidrogénio é liberado no eletrodo negativo e cloro e oxigénio são liberados no eletrodo positivo. Esses gases fluem para a superfície do tanque 1 e são recolhidos, por exemplo, através de uma campânula, e fluem por uma tubulação até um reservatório de gases 2. Naturalmente, aqueles versados na técnica entenderão que o meio de recolhimento e transporte de gases poderia ser alterado dentro do conceito inventivo do sistema proposto pelo presente pedido.

[0042] No reservatório 2, os gases são comprimidos até a compressão necessária para alimentação de um motor a combustão 3. Ou seja, hidrogénio comprimido alimenta o motor a combustão.

[0043] Em uma concretização exemplificativa do presente pedido, o motor a combustão deve ter potência adequada para movimentar a pluralidade de alternadores...

[0044] Em concretizações do presente pedido, o sistema compreende uma pluralidade de motores a combustão, os quais estão localizados próximos ao reservatório. Em concretizações alternativas, os gases são transportados por tubulações até o local da queima. [0045] Preferencialmente, os motores a combustão sempre utilizarão hidrogénio como seu combustível 3. Assim, o hidrogénio gerado pelo processo de eletrolise da água salina é alimentado aos motores.

[0046] Uma pluralidade de alternadores 4 é ligada a um eixo longo instalado no motor a combustão, que transmite pelo mesmo eixo movimento de rotação para todos os alternadores, por meio de correias sincronizadas ou eixo longo composto por engrenagens e rosca sem fim, por exemplo. Conforme aumenta o volume de hidrogénio a ser produzido, se faz necessário mais sistemas como estes.

[0047] Em uma concretização preferencial do conjunto de alternadores utilizados no sistema do presente pedido, a configuração do dito conjunto de alternadores é disposta sob a forma de alternadores de fio retilíneo sem a necessidade de bobinas associadas. De acordo com esta configuração, uma pluralidade de imãs permanentes de NeFeB (imãs de Neodímio) são agrupados sucessivamente em uma fileira, de modo que os polos iguais ficam uns voltados aos outros - isto é, polos Norte voltados a polos Norte e polos Sul voltados ao Sul - e espaçados entre si de uma distância determinada, preferencialmente 6cm. A pluralidade de alteradores é ligada por fios associados a cada um dos alternadores e tendo suas duas extremidades de fios ligadas aos eletrodos do tanque de eletrolise, sendo que os fios devem obrigatoriamente ser condutores para a passagem de corrente elétrica gerada pela pluralidade de alternadores.

[0048] A quantidade de imãs utilizados é dependente da tensão que se deseja obter, isto é, serão utilizados mais imãs quanto maior for a tensão necessária e, portanto, o comprimento da fileira da pluralidade de alternadores. Assim, uma vez que a tensão gerada tem a seguinte relação: f.e.m~=B x L x v, onde quanto maior a intensidade do campo (B) e maior o comprimento (L) maior a força eletromotriz (f.e.m), o aumento da força eletromotriz pode ser obtido pelo aumento do comprimento da fileira da pluralidade de alternadores. Os referidos imãs permanentes são apoiados sobre um eixo, que também pode ser chamado de esqueleto ou suporte central, que deve ser de material não magnético, por exemplo, alumínio.

[0049] Em um exemplo da configuração do conjunto de alternadores, são usados imãs permanentes de NeFeB (imãs de Neodímio) de campo aproximado de 5000-7000 Gauss enfileirados de forma que eles estejam sempre se repelindo, ligados por fios (cabos) esmaltados de 0,2mm de diâmetro, e tendo cada uma das extremidades de cada fio (cabo) um transformador de corrente e um par de eletrodos em uma célula para eletrólise...

[0050] O enfileiramento da pluralidade de alternadores pode ser feito em fileira única (linha reta), mas também pode ser feito em fileira dupla (ida e volta).

[0051] Os alternadores 4, quanto do movimento do eixo do motor a combustão, geram energia elétrica alternada que tem sua potência transformada quando e se necessário, e necessariamente deixará de ser corrente alternada e passará a ser corrente contínua usando um transformador de corrente (AC-DC) adequado para ser realimentada nos eletrodos do tanque de água salina.

[0052] Para tanto, os alternadores abastecem uma pluralidade de transformadores (de potência e/ou corrente) 5 que vão abastecer os eletrodos com energia elétrica de corrente contínua na voltagem necessária. Geralmente a energia elétrica realimentada para os eletrodos do tanque de eletrólise tem tensão entre 2V e 3V (DC).

[0053] Assim, a multiplicidade de alternadores 4 ligados no mesmo eixo longo (ou uma correia sincronizadora) do motor a combustão 3 gera um conjunto capaz de abastecer o sistema de extração de hidrogénio com energia suficiente para o processo se tornar cíclico, permitindo, inclusive que o sistema produza uma quantidade de hidrogénio em excesso que pode ser utilizada para outros fins que não a realimentação.

[0054] A retroalimentação do sistema do presente pedido torna o processo economicamente viável, já que os motores de combustão alimentados a hidrogénio acabam por gerar energia elétrica que alimenta os eletrodos para a eletrólise.

[0055] Como os motores a combustão estão queimando hidrogénio, o produto da combustão será vapor de água. Esse vapor d’agua pode ser aproveitado para movimentar uma turbina 6 para geração de energia elétrica. Após a passagem pela turbina 6, o vapor d’agua resfriado se tornará água líquida. [0056] Na concretização preferida do presente pedido, os motores a combustão são imersos em tanques de imersão, de modo que o calor gerado pelos motores é aproveitado.

[0057] Os tanques de imersão compreendem um invólucro onde o motor é disposto, sendo que o invólucro encerra um primeiro fluido com um primeiro calor específico (por exemplo, a água). Esse primeiro fluido trocará calor com um segundo fluido com um segundo calor específico, gerando uma expansão de volume e escape de vapor (gerador de vapor 7 na figura 1 ). Esse vapor pode ser aproveitado para movimentar turbinas 8 de geração de energia elétrica.

[0058] Assim, na concretização preferida, tanto o vapor da queima de hidrogénio no motor pode ser aproveitado por geração de energia elétrica por turbina quanto o vapor gerado pela troca de calor com o fluido do tanque de imersão pode ser aproveitado por geração de energia elétrica por turbina.

[0059] Uma característica importante do sistema de acordo com o presente pedido é a destinação dos subprodutos quando o processo for realizado com água salina contendo cloro.

[0060] O cloro liberado no eletrodo positivo e recolhido através da campânula pode ser queimado com hidrogénio e gerar ácido clorídrico.

[0061] O hidróxido de sódio no tanque pode ser combinado com ácido clorídrico, resultando em uma reação de neutralização onde o produto final é água e o mesmo sal que veio do mar.

[0062] No caso de o tanque não usar a membrana para separar os eletrodos, o cloro se juntará com o hidróxido de sódio e formará um precipitado,

[0063] Um terceiro subproduto, o hipoclorito de sódio, pode ser queimado com hidrogénio e também dará origem a água e o mesmo sal que veio do mar.

[0064] O gás oxigénio formado em um dos eletrodos pode ser vendido comercialmente ou queimado com hidrogénio obtendo uma queima de temperatura mais elevada se for comercialmente mais favorável.

[0065] Na concretização preferida do presente pedido, o ácido clorídrico irá reagir com o metal gerando gás hidrogénio e o cloreto do metal. O cloreto do metal pode ser direcionado a um misturador 9 que mistura com hidróxido de sódio formando um precipitado de hidróxido do metal para posterior direcionamento a uma câmara de combustão 10 onde será queimado com hidrogénio e resultará em água e o metal reciclado.

[0066] O hidrogénio em excesso que não é consumido nos motores de combustão utilizados para gerar energia elétrica para realimentação dos tanques pode ser vendido como produto isolado ou queimado em termelétricas para gerar energia elétrica externa ao ciclo, a qual também poderá ser vendida.

[0067] Dessa reciclagem no misturador 9 restará outro subproduto que é o cloreto de sódio - que é o mesmo sal do mar que pode ser descartado.

[0068] Em uma concretização do presente pedido, o tanque de eletrólise 1 é construído com um fundo inclinado para que todo o precipitado seja direcionado a um local do tanque, possibilitando a retirada eficiente do precipitado do fundo. Essa característica faz com que o tanque possa ser instalado no oceano sem nenhum impacto ambiental.

[0069] Um aparelho motorizado pode ser utilizado para recolhimento do precipitado do tanque, facilitando o processo.

[0070] Em concretizações do presente pedido, os motores a combustão podem ser montados em locais mais distantes e altos pois o gás hidrogénio pode ser facilmente transportado (como, por exemplo, em cidades não litorâneas), de modo que a água gerada na combustão possa gerar na queda por gravidade energia elétrica como numa PCH (pequena central hidrelétrica) e depois a água pode ser enviada para os pontos de consumo.

[0071] Assim, tendo sido descritos exemplos de concretizações do presente pedido, deve ser entendido que o escopo do presente pedido abrange outras variações possíveis do conceito inventivo descrito, sendo limitadas tão somente pelo teor das reivindicações anexas, aí incluídos os possíveis equivalentes.