Reator de indução magnética moderniza processos industriais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/08/2024

Ilustração do metamaterial que usa indução magnética para gerar calor diretamente dentro do reator.
[Imagem: Dolly Mantle]

Reatores eletroquímicos industriais

Descarbonizar a indústria pode ser um ótimo negócio para o planeta: Os processos industriais respondem por aproximadamente um terço das emissões de dióxido de carbono, o que é mais do que as emissões anuais de CO₂ dos veículos de passageiros, caminhões e aviões combinados.

Foi pensando nisto que Calvin Lin e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, desenvolveram um novo tipo de reator termoquímico que é capaz de usar eletricidade - em vez de queimar combustíveis fósseis - para gerar as imensas quantidades de calor necessárias para os processos industriais.

A maioria dos reatores termoquímicos funciona queimando combustíveis fósseis para aquecer um fluido, que então flui por tubos, como uma caldeira enviando água 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 próprio reator é uma opção muito mais razoável.

"Nós obtivemos uma infraestrutura de reator eletrificada e escalável para processos termoquímicos que apresenta propriedades ideais de aquecimento e transferência de calor," disse o professor Jonathan Fan, coordenador da equipe. "Basicamente, estamos levando o desempenho do reator aos seus limites físicos, e estamos usando eletricidade verde para alimentá-lo."

O reator também é menor, mais barato e energeticamente mais eficiente do que a tecnologia atual, tipicamente baseada na queima de gás natural ou óleo.

O sistema de indução simplifica não apenas o forno, mas toda a infraestrutura de aquecimento.
[Imagem: Calvin H. Lin et al. - 10.1016/j.joule.2024.07.017]

Indução magnética

O novo reator eletrificado usa indução magnética para gerar calor, o mesmo tipo de processo usado nos fogões domésticos mais modernos. A grande vantagem é que, em vez de ter que transportar o calor por tubos, o aquecimento por indução cria calor internamente dentro do próprio reator, aproveitando as interações entre correntes elétricas e campos magnéticos.

Para aquecer indutivamente uma barra de aço, por exemplo, ela pode ser posta no interior de uma bobina, uma série de voltas dadas em um fio elétrico, por onde então flui uma corrente alternada. Essa corrente cria um campo magnético oscilante que, por sua vez, induz uma corrente no aço. E, como o aço não é um condutor perfeito de eletricidade, parte dessa corrente se transforma em calor. Este método aquece efetivamente toda a peça de aço ao mesmo tempo, em vez de criar calor de fora para dentro.

Mas usar esse tipo de aquecimento por indução na indústria química não é tão fácil: Os reatores industriais precisam criar e distribuir calor uniformemente em um espaço tridimensional e serem muito mais eficientes do que um fogão doméstico.

Os pesquisadores descobriram que é possível maximizar a eficiência usando correntes de frequência particularmente alta, que alternam muito rapidamente, além de usar materiais particularmente maus condutores de eletricidade para construir o reator. Para isso, eles procuraram a eletrônica de potência mais eficiente disponível, para gerar as correntes necessárias, e usaram materiais cerâmicos no interior do reator, que são particularmente ruins em conduzir eletricidade.

O protótipo está gerando gás de síntese, uma importante matéria-prima na indústria química.
[Imagem: Calvin H. Lin et al. - 10.1016/j.joule.2024.07.017]

Metamaterial cerâmico

Tão importante quanto o uso da cerâmica foi o modo como essa cerâmica foi usada: A equipe construiu uma rede tridimensional de cerâmica porque os vazios da rede diminuem artificialmente a condutividade elétrica ainda mais. E esses vazios podem ser preenchidos com catalisadores, os materiais que precisam ser aquecidos para iniciar as reações químicas, essencialmente criando um metamaterial, um material artificial que apresenta características além daquelas dos materiais que lhe deram origem.

Isso torna a transferência de calor ainda mais eficiente e significa que o reator eletrificado pode ser muito menor do que os reatores tradicionais de combustível fóssil.

"Você está aquecendo uma estrutura de grande área de superfície que está bem próxima do catalisador, então o calor que você está gerando chega ao catalisador muito rapidamente para fomentar as reações químicas," explicou Fan. "Além disso, está simplificando tudo. Você não está transferindo calor de outro lugar e perdendo um pouco ao longo do caminho, você não tem nenhum cano entrando e saindo do reator - você pode isolá-lo [termicamente] completamente. Isso é ideal de um ponto de vista de gerenciamento de energia e custo."

Reação de deslocamento gás-água

Os pesquisadores usaram seu protótipo de reator eletrificado para produzir uma reação química chamada de mudança do vapor de água reversa (ou deslocamento gás-água), usando um novo catalisador sustentável. A reação, que requer alto calor, pode transformar dióxido de carbono capturado em gás de síntese, que pode ser posteriormente processado em combustíveis renováveis e produtos químicos, como metanol e outros hidrocarbonetos, por meio da síntese de Fischer-Tropsch.

Na demonstração de prova de conceito, o reator atingiu mais de 85% de eficiência, o que significa que ele converteu quase toda a energia elétrica em calor utilizável. O reator também demonstrou condições ideais para facilitar a reação química - o dióxido de carbono foi convertido em gás utilizável na taxa teoricamente prevista, o que geralmente não é o caso com novos projetos de reatores.

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