lang=pt-br|thumb|Diagrama esquemático do ciclo enxofre-iodo O ciclo enxofre-iodo (ciclo S–I) é um ciclo termoquímico de três etapas usado para produzir hidrogênio.

O ciclo S–I consiste em três reações químicas cujo reagente líquido é a água e cujos produtos líquidos são hidrogênio e oxigênio. Todos os outros produtos químicos são reciclados. O processo S–I requer uma fonte de calor de alta temperatura e alta eficiência.

Descrição do processo H2O ½ O2 ↓ ↑I2→Reação 1←SO2 + H2O←Separação↑ ↓ ↑2 HI←Decantação→H2SO4→Reação 2↓H2 As três reações combinadas para produzir hidrogênio são as seguintes: I2 + SO2 + 2 H2O 2 HI + H2SO4 (100–120 °C) (Reação de Bunsen)

O HI é então separado por destilação ou decantação líquido-líquido.

2 H2SO4 2 SO2 + 2 H2O + O2 (830 °C)

A água, o SO2 e o H2SO4 residual devem ser separados do oxigênio (subproduto) por condensação.

2 HI I2 + H2 (450 °C)

O iodo e qualquer água ou SO2 acompanhante são separados por condensação, e o produto hidrogênio permanece na forma de gás.

Reação global: 2 H2O → 2 H2 + O2

Os compostos de enxofre e iodo são recuperados e reutilizados, daí a consideração do processo como um ciclo. Este processo S–I opera de forma análoga a uma máquina térmica química. O calor entra no ciclo nas reações químicas endotérmicas de alta temperatura 2 e 3, e sai do ciclo na reação exotérmica de baixa temperatura 1. A diferença entre o calor que entra e o que sai do ciclo é liberada na forma de calor de combustão do hidrogênio produzido.

Características Vantagens Processo totalmente fluido (líquidos, gases), tornando-o bem adequado para produção contínua Alta eficiência térmica prevista (cerca de 50%), buscando superar as perdas em cascata da conversão eletroelétrica Sistema completamente fechado, sem subprodutos ou efluentes (além de hidrogênio e oxigênio) Adequado para aplicação com fontes de calor solar, nuclear e híbrida (ex.: solar-fóssil) – caso temperaturas suficientemente altas possam ser atingidas É o processo mais desenvolvido entre os métodos termoquímicos concorrentes para a cisão da água Escalável desde aplicações em escala relativamente pequena até grandes instalações Sem necessidade de catalisadores ou aditivos caros ou tóxicos Mais eficiente que a eletrólise da água (~70–80% de eficiência) utilizando eletricidade derivada de uma usina termoelétrica (~30–60% de eficiência), resultando em uma eficiência combinada de ~21–48% Calor residual adequado para calefação urbana se a cogeração for desejada

Desvantagens Temperaturas muito elevadas necessárias (pelo menos 850 °C) – inalcançáveis ou difíceis de atingir com os atuais reatores de água pressurizada ou energia solar concentrada Reagentes corrosivos usados como intermediários (iodo, dióxido de enxofre, ácido iodídrico, ácido sulfúrico); portanto, são necessários materiais avançados para a construção do equipamento do processo Desenvolvimento adicional significativo necessário para ser viável em grande escala Na faixa de temperatura proposta, usinas termoelétricas avançadas podem atingir eficiências (produção elétrica por entrada de calor) superiores a 50%, anulando em parte a vantagem de eficiência Em caso de vazamento, o ácido iodídrico, corrosivo e moderadamente tóxico, é liberado no meio ambiente Caso o objetivo primário seja a geração de calor de processo, as temperaturas extremas exigidas pelo ciclo tornam o seu uso questionável quando comparado ao aproveitamento direto do calor térmico Incapaz de usar fontes de energia não térmicas ou de baixa temperatura, como energia hidrelétrica, eólica ou a maioria das opções de energia geotérmica disponíveis atualmente

Pesquisa O ciclo S–I foi inventado na General Atomics na década de 1970.Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53. A Agência Japonesa de Energia Atômica (JAEA) realizou experimentos bem-sucedidos com o ciclo S–I no Reator de Teste de Alta Temperatura resfriado a hélio,https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf. Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009Status report 101 – Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C)JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C um reator que atingiu a primeira criticidade em 1998. A JAEA tem a aspiração de usar reatores nucleares de temperatura muito alta da Geração IV (VHTR) para produzir quantidades industriais de hidrogênio. (Os japoneses referem-se ao ciclo como ciclo IS.) Foram feitos planos para testar sistemas automatizados em maior escala para a produção de hidrogênio. Sob um acordo da Iniciativa Internacional de Pesquisa em Energia Nuclear (INERI), o CEA francês, a General Atomics e os Laboratórios Nacionais de Sandia estão desenvolvendo conjuntamente o processo enxofre-iodo. Pesquisas adicionais estão ocorrendo no Laboratório Nacional de Idaho, bem como no Canadá, na Coreia do Sul e na Itália.

Desafio dos materiais O ciclo S–I envolve operações com produtos químicos corrosivos a temperaturas de até cerca de 1000 °C. A seleção de materiais com resistência suficiente à corrosão sob as condições do processo é de importância fundamental para a viabilidade econômica deste processo. Os materiais sugeridos incluem as seguintes classes: metais refratários, metais reativos, superligas, cerâmicas, polímeros e revestimentos.Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review Alguns dos materiais sugeridos incluem ligas de tântalo, ligas de nióbio, metais nobres, aços de alto teor de silício,Saramet info sheet várias superligas à base de níquel, mulita, carbeto de silício (SiC), vidro, nitreto de silício (Si3N4), entre outros. Pesquisas recentes em prototipagem em escala sugerem que novas tecnologias de superfície de tântalo podem ser uma maneira técnica e economicamente viável de construir instalações de maior escala.T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, "Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments", AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a.

Economia do hidrogênio O ciclo enxofre-iodo foi proposto como uma forma de fornecer hidrogênio para uma economia baseada em hidrogênio. Ele não requer hidrocarbonetos como os métodos atuais de reforma a vapor, mas exige calor proveniente de combustão, reações nucleares ou concentradores de calor solar.

Ver também

Ciclo cobre-cloro Ciclo híbrido de enxofre Ciclo óxido de cério(IV)-óxido de cério(III) Ciclo óxido de ferro Ciclo zinco-óxido de zinco Eletrólise a alta temperatura

Leitura complementar Paul M. Mathias e Lloyd C. Brown "Thermodynamics of the Sulfur-Iodine Cycle for Thermochemical Hydrogen Production", apresentado na 68ª Reunião Anual da Sociedade de Engenheiros Químicos do Japão, 23 de março de 2003. (PDF). Atsuhiko TERADA; Jin IWATSUKI, Shuichi ISHIKURA, Hiroki NOGUCHI, Shinji KUBO, Hiroyuki OKUDA, Seiji KASAHARA, Nobuyuki TANAKA, Hiroyuki OTA, Kaoru ONUKI e Ryutaro HINO, "Development of Hydrogen Production Technology by Thermochemical Water Splitting IS Process Pilot Test Plan", Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.44, No.3, p. 477–482 (2007). (PDF).

Ligações externas Hydrogen: Our Future made with Nuclear (na edição 9 da MPR Profile) Use of the modular helium reactor for hydrogen production (World Nuclear Association Symposium 2003)

Categoria:Produção de hidrogênio Categoria:Reações inorgânicas