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21/03/2016
1
COMBUSTÍVEIS
Profa. Alexsandra Valério
Definição
Combustível é a substância susceptível de se
combinar quimicamente com outra através de uma
reação exotérmica, isto é, uma reação que desprende
calor.
• É a substância que participa da combustão e que contém
os elementos que sofrem oxidação.
• Nesta reação é o agente redutor. Os elementos redutores
de um combustível são: o carbono (principal elemento
presente nos combustíveis industriais); o hidrogênio e o
enxofre (é uma impureza indesejável).
Obtenção de energia
Combustíveis
fotossíntese
Tipos de Combustíveis
• Sólidos: lenha, carvão mineral, carvão vegetal
• Líquidos: derivados de petróleo (gasolina, diesel,
querosene, óleo combustível), etanol, biodiesel
• Gasosos: gás natural, GLP, biogás, hidrogênio
21/03/2016
2
Combustíveis Industriais
São aqueles que atendem as seguintes condições:
• Disponibilidade  existência de grandes quantidades;
• Baixo custo  preço acessível no local de consumo;
• Aplicabilidade  a tecnologia associada ao seu uso deve
estar disponível.
Combustíveis Industriais
• Ex: carvão mineral, derivados de petróleo e gás natural
Carvão Mineral
• Originário da transformação da matéria vegetal de
grandes florestas soterradas há milhões de anos, através
da ação da pressão, temperatura e microorganismos.
• Diferentes classificações: turfa, lignito, hulha (sub-
betuminoso, betuminoso) e antracito  mistura dos
materiais celulósicos com as substâncias minerais e
contínua atividade subterrânea (tempo)
Carvão Mineral
Carvão Mineral
• Maiores reservas nacionais  Rio Grande do Sul e Santa
Catarina
• A Bacia Carbonífera de Candiota, no RS, é a maior de
todas e conta com cerca de 12x109 ton de carvão, usado
como carvão energético.
Carvão Mineral
Utilização do carvão para fins energéticos  conhecimento
prévio das propriedades do carvão por:
• análise elementar;
• análise imediata;
• poder calorífico superior e inferior;
• reatividade.
• Determinação de álcalis, Na (sódio) e K (potássio)  é
importante porque estes causam sérios problemas de
obstrução (fouling) em caldeiras, devido a fácil volatilização e
condensação destes sobre as frias paredes da caldeira.
21/03/2016
3
Empregado especialmente nos processos de
• Combustão
• Gaseificação
• Liquefação
• Carbonização.
Carvão Mineral Combustão
• Ignição, causando a degradação térmica (pirólise), que
produz duas frações: produtos voláteis e o coque.
• Podutos voláteis  queimam em uma reação na fase
gasosa
• Coque  sofre uma reação superficial heterogênea com
o oxigênio.
• Produtos finais  calor e cinzas.
Reações termoquímicas de um combustível sólido (carvão,
biomassa) na presença de O2 em quantidades inferiores à
estequiométrica (mínimo teórico para a combustão) e vapor
d’água
Finalidade  formar gases que podem ser usados como
fonte de energia térmica e elétrica, para síntese de produtos
químicos e para a produção de combustíveis líquidos.
Produtos  monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2),
dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), traços de enxofre
(S), outros hidrocarbonetos leves, impurezas.
Gaseificação
• Visa transformar o carvão em combustível líquido.
• Nos EUA já existem usinas de liquefação de carvão, no
entanto o processo é bastante sofisticado e caro.
Liquefação
Carbonização
• Obtenção de coque
• Aquecimento às temperaturas de coqueificação e na
ausência de ar, produzindo um resíduo carbonáceo
relativamente não volátil
• Utilizado na produção de ferro gusa (alto forno)
Biomassa
• Matéria orgânica  principalmente resíduos de plantas
• Ex: madeira, resíduos urbanos e florestais, grãos, talos,
óleos vegetais e lodo de tratamento biológico de
efluentes
• Queima direta para produzir energia térmica e elétrica
• Processos químicos ou biotecnológicos para produção de
combustíveis (etanol, biodiesel)
• Menor poder calorífico que os combustíveis fósseis
(menor teor de carbono e maior teor de oxigênio)
Lenha
• Mais antigo (ainda bastante utilizado no Brasil)
• Suas características mais importantes são:
-estrutura
-teor de umidade
-massa específica baixa
-poder calorífico depende muito da umidade (PCI=4590
kcal/kg – 52% umidade)
-baixo teor de cinzas e ausência de enxofre
Análise elementar:
47,5%C; 6,0%H; 44%O; 1,0%N e 1,5% cinzas.
21/03/2016
4
Lenha
Desvantagens:
• Apresenta outras aplicações interessantes, como: produção
de celulose, móveis, construção civil, indústria química, etc;
• Dificulades de transporte, manuseio e estocagem;
• Liberação de voláteis poluentes
• Poder calorífico relativamente baixo e dependente da umidade;
• Irregularidade no fornecimento, devido à sazonalidade de sua
colheita.
Serragem e Cavacos  Resíduos da indústria de
beneficiamento da madeira (moveleira, papel e celulose)
Carvão Vegetal
• O carvão vegetal ou de madeira é uma substância
combustível, sólida, negra e quebradiça, resultante da
combustão incompleta da madeira (pirólise), cuja análise
elementar é:
-acima de 83%C; 2 a 3%H; 3 a 4%O; máx. 7% de cinzas
e máx. de 7% de umidade.
Carvão Vegetal
• Em relação ao coque de carvão mineral, apresenta teores de
enxofre e cinzas mais baixos
• No caso brasileiro, permite a economia de divisas, pois o
carvão mineral para coque é importado.
• As desvantagens são: fragilidade, o que resulta em
formação de finos em excesso; altamente higroscópico e
heterogeneidade.
• Seus principais usos são:
• -combustível doméstico;
• -redutor siderúrgico;
• -enriquecimento do solo na agricultura.
Derivados de petróleo
• Combustível fóssil de maior uso na atualidade
• Facilidade de transporte e estocagem
• Indústria de transformação bem distribuída e com custos
baixos, o que torna seus derivados competitivos e de
difícil substituição.
• Presença de impurezas: enxofre, cinzas, água.
• Gasolina
• Querosene
• Óleo diesel
• Óleo combustível
Destilação
do Petróleo
21/03/2016
5
• Mais consumido entre os combustíveis usados no
transporte rodoviário
• Alta densidade energética
• Número de octanagem menor que os demais
combustíveis  limita as razões de compressão e
eficiência energética
Gasolina Número de octanagem ou Índice de Octanagem
(IO)
• Parâmetro que mede a qualidade da gasolina
•É a capacidade que o combustível tem, em mistura com
o ar, de resistir a altas temperaturas na câmara de
combustão, sem sofrer detonação. A detonação, também
é conhecida como batida de pino, e pode destruir o
motor.
•Quanto maior a octanagem (maior IO), maior será a
resistência à detonação.
•isoctano (2,2,4-trimetil pentano): IO 100 (detona pouco)
• n-heptano: IO 0 (detona muito)
•No Brasil, a octanagem é expressa em IAD = Índice
Antidetonante .
Tipos de gasolina comercializadas no Brasil
• Comum ou regular: IO 80 (cor original sem adição de corantes)
• Aditivada : presença de aditivos, dispersantes/ detergentes que
impedem a formação de depósitos. É permitida a adição de corantes.
• Premiun: IO mínimo 91, medida pelo índice antidetonante.
Óleo diesel
• Segundo combustível mais usado no transporte rodoviário
• Processo de combustão nos motores ocorre por
processos:
• físicos  transporte do combustível e ar para a câmara
de combustão; mistura ar / combustível; propiciam
condições de temperatura e pressão.
• químicos  auto-ignição do combustível
Relativamente baixas emissões de CO e hidrocarbonetos,
mas altas emissões de NOx e materiais particulados
Óleo Combustível
• São frações pesadas residuais do petróleo, obtidas em
vários processos de refinação
• Composição: HC de elevado peso molecular: parafinas,
naftalenos, olefinas; com derivados de enxofre, nitrogênio,
oxigênio, vanádio, niquel, sódio e ferro.
• A composição final depende das características
(viscosidade, teor de enxofre e vanádio, umidade, ponto de
fulgor...) e do tipo de processamento do petróleo
Óleo Combustível
• Utilizado em uma grande variedade de equipamentos para
geração de energia ou calor
• Indústria  caldeiras, aquecedores, fornos, secadores, etc
• Sistema de aquecimento doméstico (países frios)
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6
Etanol (álcool etílico)
• Obtido de biomassa, de plantas ricas em açúcar, amido e
material celulósico, através da fermentação da glicose.
• É um combustível ecologicamente correto, pois é obtido
de fontes renováveis de energia.
• No Brasil  cana-de-açúcar. O processo de fermentação
deixa dois resíduos principais: bagaço, que é usado como
combustível na própria destilaria e o vinhoto usado como
fertilizante na plantação de cana.
Combustível  etanol hidratado
(mínimo 92,6ºINP)
Gasolina no Brasil  25% de etanol anidro
(mínimo 99,3ºINP)
Etanol (álcool etílico)
• O álcool etílico pode ser usado como combustível puro ou
em misturas com gasolina tanto como combustível como,
após a sua conversão em ETBE (éter etil-terc-butílico),
aditivo antidetonante.
Biodiesel
• Composto de alquilésteres de ácidos graxos de cadeia
longa, derivados de óleos vegetais ou de gorduras
animais:
Óleo vegetal virgem: soja, palma, linho, girassol, colza...
Óleo vegetal residual
Gorduras animais: sebo, banha de porco, gordura de franco,
óleo de peixe (subprodutos da indústria de carnes)
Materiais gordurosos de estações de tratamento de esgoto
Algas
• Geralmente misturado ao diesel convencional.
Biodiesel
• Etanol ou
metanol
subproduto
biodiesel
21/03/2016
7
Apresentam as melhores características para utilização na
indústria
São queimados com rendimento térmico elevado e com
pequeno excesso de ar
Não apresentam emissões sulfurosas nem cinzas
Maior facilidade de regular entrada de ar
Maior facilidade de transporte
Maior facilidade de pré-aquecimentos
Combustíveis gasosos Gás Natural
• Fonte não renovável, resultado de longa decomposição de
material vegetal e animal em meio ausente de O2.
• Ocorrência: Associado ao petróleo ou não associado
• Reserva brasileira: 588.617,49 milhões de m3
• Entre os combustíveis fósseis, é o menos poluente.
• Mistura de hidrocarbonetos  principalmente metano
• Composição:
• Olefina Proporção PE (ºC)
• Metano 80-90% -160ºC
• Etano 5-10% -90ºC
• Propano, butano, pentano, CO2 e água
• Gás natural úmido composto predominantemente de
metano, etano e, em menores proporções, de propano e
outros hidrocarbonetos de maior peso molecular,
apresentando contaminantes, como nitrogênio, dióxido de
carbono, água e compostos de enxofre  secagem  gás
natural seco e líquido de gás natural
• Líquidos de gás natural  GLP, gasolina
Gás Natural Gás Natural
Utilização
• Geração de energia elétrica
• Combustível em motores de combustão interna
• Uso residencial e comercial: aquecimento de água e
calefação
• Usado no próprio campo de extração: reinjetado para
manter a pressão dos reservatórios
• Hidrocarbonetos que são produzidos no início da destilação
do petróleo ou do gás natural
• Composição: propano e butano
Utilização:
• Aquecimento doméstico
e industrial
• Motores de combustão
Interna (pouco usado)
• Combustível industrial
Características:
 altamente concentrado
 Propicia queima limpa
 Composição uniforme
 Baixo teor de enxofre
 Alto PC
 Facilidade de transporte
Gás liquefeito de petróleo (GLP) Biogás
• É um produto estéril, inócuo, inodoro quando purificado
(em estado natural tem leve odor de gás sulfídrico) e de
fácil manuseio.
• O biogás é obtido a partir da digestão anaeróbica de
resíduos vegetais ou animais, principalmente esterco
bovino ou suíno. Pode ser obtido a partir de esgoto
urbano e de aterros sanitários de lixo urbano.
• O resíduo da produção do biogás pode ser usado como
fertilizante orgânico na lavoura.
Composição:
65-80% CH4
H2, CO2, CO, O2, N2, HC superiores
21/03/2016
8
• Atualmente o hidrogênio é produzido através da reforma
com vapor do gás natural, segundo a reação:
CH4 + H2O → CO + 3H2
• O processo de eletrólise da água é muito caro e só é
usado quando se necessita de pequenas quantidades de
hidrogênio puro.
• Os usos mais importantes do hidrogênio são:
• -hidrogenação catalítica de derivados de petróleo;
• -síntese da amônia e metanol;
• -hidrogenação de óleos vegetais (margarinas)
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Hidrogênio

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  • 1. 21/03/2016 1 COMBUSTÍVEIS Profa. Alexsandra Valério Definição Combustível é a substância susceptível de se combinar quimicamente com outra através de uma reação exotérmica, isto é, uma reação que desprende calor. • É a substância que participa da combustão e que contém os elementos que sofrem oxidação. • Nesta reação é o agente redutor. Os elementos redutores de um combustível são: o carbono (principal elemento presente nos combustíveis industriais); o hidrogênio e o enxofre (é uma impureza indesejável). Obtenção de energia Combustíveis fotossíntese Tipos de Combustíveis • Sólidos: lenha, carvão mineral, carvão vegetal • Líquidos: derivados de petróleo (gasolina, diesel, querosene, óleo combustível), etanol, biodiesel • Gasosos: gás natural, GLP, biogás, hidrogênio
  • 2. 21/03/2016 2 Combustíveis Industriais São aqueles que atendem as seguintes condições: • Disponibilidade  existência de grandes quantidades; • Baixo custo  preço acessível no local de consumo; • Aplicabilidade  a tecnologia associada ao seu uso deve estar disponível. Combustíveis Industriais • Ex: carvão mineral, derivados de petróleo e gás natural Carvão Mineral • Originário da transformação da matéria vegetal de grandes florestas soterradas há milhões de anos, através da ação da pressão, temperatura e microorganismos. • Diferentes classificações: turfa, lignito, hulha (sub- betuminoso, betuminoso) e antracito  mistura dos materiais celulósicos com as substâncias minerais e contínua atividade subterrânea (tempo) Carvão Mineral Carvão Mineral • Maiores reservas nacionais  Rio Grande do Sul e Santa Catarina • A Bacia Carbonífera de Candiota, no RS, é a maior de todas e conta com cerca de 12x109 ton de carvão, usado como carvão energético. Carvão Mineral Utilização do carvão para fins energéticos  conhecimento prévio das propriedades do carvão por: • análise elementar; • análise imediata; • poder calorífico superior e inferior; • reatividade. • Determinação de álcalis, Na (sódio) e K (potássio)  é importante porque estes causam sérios problemas de obstrução (fouling) em caldeiras, devido a fácil volatilização e condensação destes sobre as frias paredes da caldeira.
  • 3. 21/03/2016 3 Empregado especialmente nos processos de • Combustão • Gaseificação • Liquefação • Carbonização. Carvão Mineral Combustão • Ignição, causando a degradação térmica (pirólise), que produz duas frações: produtos voláteis e o coque. • Podutos voláteis  queimam em uma reação na fase gasosa • Coque  sofre uma reação superficial heterogênea com o oxigênio. • Produtos finais  calor e cinzas. Reações termoquímicas de um combustível sólido (carvão, biomassa) na presença de O2 em quantidades inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão) e vapor d’água Finalidade  formar gases que podem ser usados como fonte de energia térmica e elétrica, para síntese de produtos químicos e para a produção de combustíveis líquidos. Produtos  monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), traços de enxofre (S), outros hidrocarbonetos leves, impurezas. Gaseificação • Visa transformar o carvão em combustível líquido. • Nos EUA já existem usinas de liquefação de carvão, no entanto o processo é bastante sofisticado e caro. Liquefação Carbonização • Obtenção de coque • Aquecimento às temperaturas de coqueificação e na ausência de ar, produzindo um resíduo carbonáceo relativamente não volátil • Utilizado na produção de ferro gusa (alto forno) Biomassa • Matéria orgânica  principalmente resíduos de plantas • Ex: madeira, resíduos urbanos e florestais, grãos, talos, óleos vegetais e lodo de tratamento biológico de efluentes • Queima direta para produzir energia térmica e elétrica • Processos químicos ou biotecnológicos para produção de combustíveis (etanol, biodiesel) • Menor poder calorífico que os combustíveis fósseis (menor teor de carbono e maior teor de oxigênio) Lenha • Mais antigo (ainda bastante utilizado no Brasil) • Suas características mais importantes são: -estrutura -teor de umidade -massa específica baixa -poder calorífico depende muito da umidade (PCI=4590 kcal/kg – 52% umidade) -baixo teor de cinzas e ausência de enxofre Análise elementar: 47,5%C; 6,0%H; 44%O; 1,0%N e 1,5% cinzas.
  • 4. 21/03/2016 4 Lenha Desvantagens: • Apresenta outras aplicações interessantes, como: produção de celulose, móveis, construção civil, indústria química, etc; • Dificulades de transporte, manuseio e estocagem; • Liberação de voláteis poluentes • Poder calorífico relativamente baixo e dependente da umidade; • Irregularidade no fornecimento, devido à sazonalidade de sua colheita. Serragem e Cavacos  Resíduos da indústria de beneficiamento da madeira (moveleira, papel e celulose) Carvão Vegetal • O carvão vegetal ou de madeira é uma substância combustível, sólida, negra e quebradiça, resultante da combustão incompleta da madeira (pirólise), cuja análise elementar é: -acima de 83%C; 2 a 3%H; 3 a 4%O; máx. 7% de cinzas e máx. de 7% de umidade. Carvão Vegetal • Em relação ao coque de carvão mineral, apresenta teores de enxofre e cinzas mais baixos • No caso brasileiro, permite a economia de divisas, pois o carvão mineral para coque é importado. • As desvantagens são: fragilidade, o que resulta em formação de finos em excesso; altamente higroscópico e heterogeneidade. • Seus principais usos são: • -combustível doméstico; • -redutor siderúrgico; • -enriquecimento do solo na agricultura. Derivados de petróleo • Combustível fóssil de maior uso na atualidade • Facilidade de transporte e estocagem • Indústria de transformação bem distribuída e com custos baixos, o que torna seus derivados competitivos e de difícil substituição. • Presença de impurezas: enxofre, cinzas, água. • Gasolina • Querosene • Óleo diesel • Óleo combustível Destilação do Petróleo
  • 5. 21/03/2016 5 • Mais consumido entre os combustíveis usados no transporte rodoviário • Alta densidade energética • Número de octanagem menor que os demais combustíveis  limita as razões de compressão e eficiência energética Gasolina Número de octanagem ou Índice de Octanagem (IO) • Parâmetro que mede a qualidade da gasolina •É a capacidade que o combustível tem, em mistura com o ar, de resistir a altas temperaturas na câmara de combustão, sem sofrer detonação. A detonação, também é conhecida como batida de pino, e pode destruir o motor. •Quanto maior a octanagem (maior IO), maior será a resistência à detonação. •isoctano (2,2,4-trimetil pentano): IO 100 (detona pouco) • n-heptano: IO 0 (detona muito) •No Brasil, a octanagem é expressa em IAD = Índice Antidetonante . Tipos de gasolina comercializadas no Brasil • Comum ou regular: IO 80 (cor original sem adição de corantes) • Aditivada : presença de aditivos, dispersantes/ detergentes que impedem a formação de depósitos. É permitida a adição de corantes. • Premiun: IO mínimo 91, medida pelo índice antidetonante. Óleo diesel • Segundo combustível mais usado no transporte rodoviário • Processo de combustão nos motores ocorre por processos: • físicos  transporte do combustível e ar para a câmara de combustão; mistura ar / combustível; propiciam condições de temperatura e pressão. • químicos  auto-ignição do combustível Relativamente baixas emissões de CO e hidrocarbonetos, mas altas emissões de NOx e materiais particulados Óleo Combustível • São frações pesadas residuais do petróleo, obtidas em vários processos de refinação • Composição: HC de elevado peso molecular: parafinas, naftalenos, olefinas; com derivados de enxofre, nitrogênio, oxigênio, vanádio, niquel, sódio e ferro. • A composição final depende das características (viscosidade, teor de enxofre e vanádio, umidade, ponto de fulgor...) e do tipo de processamento do petróleo Óleo Combustível • Utilizado em uma grande variedade de equipamentos para geração de energia ou calor • Indústria  caldeiras, aquecedores, fornos, secadores, etc • Sistema de aquecimento doméstico (países frios)
  • 6. 21/03/2016 6 Etanol (álcool etílico) • Obtido de biomassa, de plantas ricas em açúcar, amido e material celulósico, através da fermentação da glicose. • É um combustível ecologicamente correto, pois é obtido de fontes renováveis de energia. • No Brasil  cana-de-açúcar. O processo de fermentação deixa dois resíduos principais: bagaço, que é usado como combustível na própria destilaria e o vinhoto usado como fertilizante na plantação de cana. Combustível  etanol hidratado (mínimo 92,6ºINP) Gasolina no Brasil  25% de etanol anidro (mínimo 99,3ºINP) Etanol (álcool etílico) • O álcool etílico pode ser usado como combustível puro ou em misturas com gasolina tanto como combustível como, após a sua conversão em ETBE (éter etil-terc-butílico), aditivo antidetonante. Biodiesel • Composto de alquilésteres de ácidos graxos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais ou de gorduras animais: Óleo vegetal virgem: soja, palma, linho, girassol, colza... Óleo vegetal residual Gorduras animais: sebo, banha de porco, gordura de franco, óleo de peixe (subprodutos da indústria de carnes) Materiais gordurosos de estações de tratamento de esgoto Algas • Geralmente misturado ao diesel convencional. Biodiesel • Etanol ou metanol subproduto biodiesel
  • 7. 21/03/2016 7 Apresentam as melhores características para utilização na indústria São queimados com rendimento térmico elevado e com pequeno excesso de ar Não apresentam emissões sulfurosas nem cinzas Maior facilidade de regular entrada de ar Maior facilidade de transporte Maior facilidade de pré-aquecimentos Combustíveis gasosos Gás Natural • Fonte não renovável, resultado de longa decomposição de material vegetal e animal em meio ausente de O2. • Ocorrência: Associado ao petróleo ou não associado • Reserva brasileira: 588.617,49 milhões de m3 • Entre os combustíveis fósseis, é o menos poluente. • Mistura de hidrocarbonetos  principalmente metano • Composição: • Olefina Proporção PE (ºC) • Metano 80-90% -160ºC • Etano 5-10% -90ºC • Propano, butano, pentano, CO2 e água • Gás natural úmido composto predominantemente de metano, etano e, em menores proporções, de propano e outros hidrocarbonetos de maior peso molecular, apresentando contaminantes, como nitrogênio, dióxido de carbono, água e compostos de enxofre  secagem  gás natural seco e líquido de gás natural • Líquidos de gás natural  GLP, gasolina Gás Natural Gás Natural Utilização • Geração de energia elétrica • Combustível em motores de combustão interna • Uso residencial e comercial: aquecimento de água e calefação • Usado no próprio campo de extração: reinjetado para manter a pressão dos reservatórios • Hidrocarbonetos que são produzidos no início da destilação do petróleo ou do gás natural • Composição: propano e butano Utilização: • Aquecimento doméstico e industrial • Motores de combustão Interna (pouco usado) • Combustível industrial Características:  altamente concentrado  Propicia queima limpa  Composição uniforme  Baixo teor de enxofre  Alto PC  Facilidade de transporte Gás liquefeito de petróleo (GLP) Biogás • É um produto estéril, inócuo, inodoro quando purificado (em estado natural tem leve odor de gás sulfídrico) e de fácil manuseio. • O biogás é obtido a partir da digestão anaeróbica de resíduos vegetais ou animais, principalmente esterco bovino ou suíno. Pode ser obtido a partir de esgoto urbano e de aterros sanitários de lixo urbano. • O resíduo da produção do biogás pode ser usado como fertilizante orgânico na lavoura. Composição: 65-80% CH4 H2, CO2, CO, O2, N2, HC superiores
  • 8. 21/03/2016 8 • Atualmente o hidrogênio é produzido através da reforma com vapor do gás natural, segundo a reação: CH4 + H2O → CO + 3H2 • O processo de eletrólise da água é muito caro e só é usado quando se necessita de pequenas quantidades de hidrogênio puro. • Os usos mais importantes do hidrogênio são: • -hidrogenação catalítica de derivados de petróleo; • -síntese da amônia e metanol; • -hidrogenação de óleos vegetais (margarinas) • -células de combustível. Hidrogênio