Thermodynamic analysis of a novel trigeneration process of hydrogen, electricity and desalinated water: the case of Na-O-H cycle, GEN-IV nuclear reactors and MED installation

Abstract

O hidrogênio (H2) é uma substância com uma ampla gama de aplicações. Ele pode ser obtido de acordo com diferentes processos, incluindo o ciclo termoquímico Na-O-H (sódio-oxigênio-hidrogênio) que quebra moléculas de água por meio de reações químicas cíclicas sustentadas por uma fonte de calor. Nesse contexto, os reatores nucleares de quarta geração (GEN-IV) são opções energéticas adequadas para atender a esse tipo de processos, pois são projetados para fornecer eletricidade em conjunto com aplicações que demandam altas temperaturas. Ao mesmo tempo, água potável poderia ser obtida por meio do processo de dessalinização MED (Multi-Effect Distillation) que reutiliza o calor residual de sistemas térmicos. Ainda, a produção de H2 a partir do ciclo Na-O-H através do calor fornecido por reatores GEN-IV acoplados a uma unidade MED possibilita a trigeração de eletricidade, H2 e H2O, três importantes insumos para a sociedade. Então, o primeiro objetivo principal desta tese é avaliar o desempenho térmico de um novo processo de trigeração, considerando três tecnologias GEN-IV de 1000 MW como fontes de calor para o ciclo Na-O-H e instalação MED. Este objetivo é desenvolvido através da implementação de balanços de massa, energia, entropia e exergia no software Engineering Equation Solver (EES) para determinar a quantidade desses três insumos. De acordo com os resultados, o processo avaliado tem potencial para produzir cerca de 5 kg/s de H2, 400 MW de eletricidade e 800 kg/s de água. Tais valores obtidos são teóricos e maximizados em função de todas as simplificações consideradas na pesquisa. No segundo objetivo principal é investigado se existem outras variações (b, c, d ou e) do ciclo Na-O-H que apresentam desempenho térmico superior à forma clássica desse sistema, variação (a), avaliada no primeiro objetivo. Os resultados indicaram que a variação (e) apresenta eficiência energética de aproximadamente 77% enquanto a variação (a) apresenta eficiência próxima de 52%. No terceiro objetivo principal são estabelecidos os limites termodinâmicos para ciclos termoquímicos partir de sistemas semelhantes ao Na-O-H. Os resultados mostraram que todos os ciclos termoquímicos devem ter variação de entalpia superior a 283,83 kJ para produzir 1 mol de H2. Finalmente, concluiu-se que o processo de trigeração de H2, água e eletricidade avaliado no trabalho tem potencial para atender a demanda por tais insumos pelo desenvolvimento futuro dos sistemas analisados.