Gerao e

Cogerao

Prof. Dr. Ricardo Alan V Ramos

UNESP FEIS PPGEM

Discente:

Rbinson Gerardo T P Erazo

Ilha Solteira - SP, Junho de 2015

Clulas a

Combustvel Tecnologia e Aplicaes

em Gerao e Cogerao

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Introduo Histrico

Conceito

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Tecnologias do domnio do

Fogo

O ser humano evoluiu sua capacidade

de controlar e aproveitar a combusto

Sculo XX Era dos Motores de combusto interna: ~ 2 bilhes de

unidades produzidas.

Fonte: Wikipedia - licena Creative Commons

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Motor CI x Clula a

Combustvel

Energia Qumica

En.

Trmica

En. Mecnica

(til)

Energia Qumica

Energia Eltrica

[til]

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Motor CI x Clula a

Combustvel

Eficincia da clula combustvel no

limitada eficincia de Carnot

Porque no envolve transferncia de

calor (sem perca de exergia), i.e,

degradao de energia qumica em

calor.

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O que uma Clula a

Combustivel?

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O que uma Clula a

Combustivel?

Clula Eletroqumica: dispositivo que

corrente eltrica promove reao

qumica e vice-versa.

Clula Voltaica: dispositivo converte energia

qumica diretamente em eletricidade.

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O que uma Clula a

Combustivel?

Clula Voltaica:

Consumvel: no utilizvel depois

da primeira descarga (ex: pilha AA)

No-consumvel: reutilizvel Recarregvel: via corrente eltrica (ex:

bateria de carro)

Reabastecvel: via suprimento de

combustvel (ex: clulas a combustvel)

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Reavivamento da Tecnologia

Primeira clula a

combustvel de Sir

William Groves (1839)

NASA: Misso Gemini e

Apolo utilizaram como

fonte de energia e

gua potvel.

Fonte: http://hydropole.ch/wp-content/uploads/2014/12/1368347848.gif

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Reavivamento da Tecnologia

Futuras prximas aplicaes:

automobilstica,

usinas de potncia,

gerao descentralizada de energia e

calor (residencial),

fonte de energia para celulares e

pequenos aparelhos eletrnicos

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Por dentro da

Clula a

Combustvel Clula Voltaica

Classificao

Configurao Tpica

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Clula Voltaica

Fonte de Eltrons

(Oxidao)

nodo

Sumidouro de

Eltrons

(Reduo)

Ctodo

e-

ons +

22 4+ + 4 2 + 4

+ + 4 22

: +

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Funcionamento

Fonte: http://globalmissionenergy.com/wp-content/uploads/2014/03/animation-fuel-cell.gif

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Classificao Siglas :

AFC :: Alkaline Fuel Cell (1G)

PAFC :: Phosphoric Acid Fuel Cell (1G)

DMFC :: Direct Methanol Fuel Cell

MCFC :: Molten Carbonate Fuel Cell (2G)

SAFC :: Solid Acid Fuel Cell

SOFC* :: Solid Oxide Carbonate Fuel Cell (3G)

SPFC or PEM* :: Solid Polymer Fuel Cell or Proton Exchange Membrane (3G)

MFC** :: Microbial Fuel Cell

* Tecnologias mais promissoras

** Tecnologia sob estudo

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Classificao

Critrios:

Temperatura de Operao

Estado Fsico do Eletrlito

Tipo do Combustvel e Aplicao

Natureza Qumica do Eletrlito

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Temperatura de Operao Baixa [70 a 200 C]

SPFC (polimrico), AFC, PAFC til para aplicaes em automveis em que tempo

de aquecimento deve ser pequeno

Mdia [600 700 C] MCFC (carbonato fundido)

Alta [800 1000 C ] SOFC (cermico) Importante em aplicaes estacionrias: cintica

qumica favorvel, gua quente de exausto para cogerao

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Estado Fsico do Eletrlito Lquidos

Primeiras clulas a combustvel

Variam a composio conforme corrente eltrica

Corrosivos

Slidos Tendncia moderna das clulas a combustvel

So mais estveis quimicamente e menos corrosivos

Cermicas (altas temperaturas), polmeros (baixas temperaturas) e carbonatos fundidos.

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Tipo de Combustvel e Aplicaes

Fonte: baseado em [2]

Faixa de

Potncia Tecnologias

Tpicas Exemplos

Porttil 5 W 20 kW DMFC SPFC

Barcos, iluminao, pequenos eletrnicos de uso pessoal

Transporte 1 100 kW SPFC DMFC

Clulas combustvel para automveis, nibos, caminhes

Estacionrio 0,5 400 kW MCFC PAFC SOFC SPFC

Suprimentos initerruptos de potncia, grandes sistemas de cogerao

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Tipo de Combustvel e Aplicaes

Fonte: [2]

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Natureza Qumica do Eletrlito

Alcalino

Exemplo: hidrxido de potssio KOH

Evitado: presena de CO2 no ar forma

carbonatos insolveis nos eletrlito.

Para aplicaes com oxignio puro (nave

espacial), clula a combustvel de KOH tem

alta eficincia

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Natureza Qumica do Eletrlito cido

Exemplo: cido fosfrico (popular) Eletrlitos de polmeros slidos atuam como cidos So pouco reativos com CO2 atmosfrico

Carbonatos Fundidos Exemplos: carbonatos de ltio e potssio

Cermico Ex: YSZ (zircnia estabilizada por tria) e SDC (cria

dopada com samrio) Condutores de nions (como o O--)

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Configurao Tpica

Fonte: [4]

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Clula a Combustvel

Microbial

Fonte: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2007/cp/b703627m

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No Mundo Real Casos

Cogerao

Custos

Prs x Contras

Fonte: Wikipedia - licena Creative Commons

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1. O Maior Parque de Clulas

a Combustvel do Mundo

Fonte: www.fuelcellenergy.com

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1. O Maior Parque de Clulas

a Combustvel do Mundo

Localizada na cidade de Hwasung,

Coria do Sul

21 Clulas a Combustvel do modelo

DFC3000 (FuelCell Energy Inc.)

Produo de 59 MW (suficiente para

cerca de 140 mil lares)

Fornece calor para o sistema de

aquecimento distrital (cogerao)

Fonte: www.fuelcellenergy.com

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2. A Maior Planta de Clulas a

Combustvel Biogs

Fonte: www.fuelcellenergy.com

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2. A Maior Planta de Clulas a

Combustvel Biogs

Localizada na California, EUA

Instalada junto a um centro

de tratamento de esgoto

Produo de 2,8 MW

Utiliza como combustvel o

biogs (biodigesto do

esgoto)

Fonte: www.fuelcellenergy.com

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Cogerao

Tecnologia SOFC (cermica) tem eficincia de converso qumica para eltrica de 45-65% PCI do combustvel, duas vezes mais que os motores de combusto interna [3].

Em ciclo combinado, h vrias aplicaes de cogerao utilizando sistemas de SOFC que tem potencial de atingir >85% do PCI [3].

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Esquema de Funcionamento

Fonte: adaptado de [5]

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Micro Cogerao Residencial Produo de Energia eltrica e calor para a residncia

Porte de 0.5 - 10 kWe

Eficincia total da gerao de cogerao 80-95%

Tipos mais utilizados PEM (membrana polimrica) ou SOFC (cermica)

Vendas no Japo de 10 000 unidades em 2012

Pode utilizar gs natural e GLP (mais comum na sia), hidrognio (comum nos EUA) e alguns testes com metanol (Europa)

Fonte: Aplication - Stationary

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Esquema de Funcionamento

Fonte: http://www.e1na.com/combined-heat-power.htm

Legenda:

Energia eltrica

Calor

Gs Natural

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Custos

Fonte: OpenEI, mantido pelo US Departament of Energy e pelo

National Renewable Energy Laboratory (NREL), uma compilao

dos dados do histricos de custo de gerao nos EUA.

70 110 130

240

Open Energy Information

(OpenEI) jun 2015

Custo Mdio US$/MWh

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Prs x Contras

Prs

Alta eficincia

Alta confiabilidade

Ausncia de rudo

Adequado para gerao distribuda (residncias)

Baixa poluio

Adequado para cogerao, utilizando gases de exausto a altas temperaturas

Baixa manuteno

Modularidade

Contras

Tecnologia cara (utilizao de materiais nobre como a platina)

Armazenamento do Hidrognio (altamente inflamvel)

Custo associado ao transporte e distribuio de novos combustveis, como o hidrogncio

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Obrigado!

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Referncias Referncia Bsica:

DA ROSA, A. V. Fundamentals of Renewable Energy Process. 2 Ed. Academic Press. Estados Unidos da Amrica . 2009.

Outras:

[1] INTERNACIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Energy Technology Essentials Fuell Cells. 2007. Disponvel em: . Acesso 13 de Maio 2015.

[2] CHEMVIEWS. Fuel Cell Capacity and Cost Trends. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2013. DOI: 10.1002/chemv.201300069. Acesso 16 de Junho 2015.

[3] WACHSMAN, E.D et LEE, K.T . Lowering the Temperature of Solid Oxide Fuel Cells. Science 334, 935 (2011). DOI: 10.1126/science.1204090

[4] PERLES, C, E. Propriedades fsico-qumicas relacionadas ao desenvolvimento de membranas de Nafion para aplicaes em clulas a combustvel do tipo PEMFC. Polmeros ,vol.18, no.4, So Carlos, 2008. http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282008000400005 . Acesso em 20 de junho de 2015

[5] DE SERVI et alli. Enhancement of the Electrical Efficiency of Commercial Fuel Cell Units by Means of an Organic Rankine Cycle: A Case Study. J. Eng. Gas Turbines Power 135(4), 2013. DOI: 10.1115/1.4023119