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Eletrólise - Grupo Eletrobras.
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1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Clulas a Combustvel:
Atividades do CEPEL
1. Encontro Nacional do
Hidrognio
IPEN, Agosto 2006
Eduardo T. Serra Jos Geraldo de M. FurtadoD I R E T O RIA D E P&D DEPTO. DE TECNOLOGIAS ESPECIAIS
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Roteiro da Apresentao
< Introduo
< Clulas a Combustvel
< Aspectos Bsicos
< Aplicaes
< Insero no Mercado
< Aspectos Crticos
< Anlise Tcnico-econmica
< Atividades do CEPEL
< Unidade de Demonstrao (5kW)
< Reforma de Etanol
< Desenvolvimento de Componentes
< Modelagem - Aproveitamento do rejeitotrmico
< Anlise tcnico-econmica
< Concluses
Unidade Ilha do Fundo
Unidade Adrianpolis
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Originalmente concebidas em 1839 por William Grove, como o processo inverso da eletrlise da gua;
So dispositivos eletroqumicos que convertem a energiaqumica de uma reao diretamente em energia eltrica.
Clula a CombustvelAspectos Bsicos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Anodo: H2 2H+ + 2e-Catodo: O2+2e-+ 2H+ H2
Oxidante
Sada gases
H2 Ar + CO2
Ar + CO2 (exc)
2H2H++
ee--
Anodo Catodo
EletrEletrlitolito
CO32-
HH++
OO22
Ar
ArAr (exc(exc.)
HH22OO
ee--
+ calor
HH++
Clula a CombustvelAspectos Bsicos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Clula a CombustvelAspectos Bsicos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Reformador COMB
H2
Produtos da reao reao
Circu
ito d
o A
no
do
AN
OD
O
Circu
ito d
o C
ato
do
CA
TO
DO
Carga Eltrica
Circuito Eltrico
Circuito de Refrig.
Circuito de Hidratao
Produtos da reao
O2 ou Ar
Clula a CombustvelAspectos Bsicos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
VantagensVantagens::
< Perspectiva de altaeficincia e confiabilidade;
< Excelente desempenho em cargas parciais;
< Ausncia ou baixasemisses;
< Expectativa de intervaloselevados entre falhas;
< Silenciosas pela ausnciade partes mveis;
< Modularidade e operaoremota;
< Flexibilidade de utilizaode combustveis
DesvantagensDesvantagens::
< Vida til limitada (vida til real desconhecida);
< Eficincia eltrica decrescenteao longo da vida;
< Investimento inicial aindamuito elevado;
< Poucas unidades de demonstrao;
< Poucos provedores datecnologia;
< Tecnologia pouco divulgadapara gerao estacionria;
Clula a CombustvelAspectos Bsicos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Clula a CombustvelProduo de Hidrognio
Fonte: European Commission- High Level Group for Hydrogen and Fuel Cells
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Distribuda
Clula a CombustvelAplicaes Gerao Estacionria
Centralizada
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
CentralizadaCentralizada X X DistribuDistribudada
Clula a CombustvelAplicaes Gerao Estacionria
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Clula a CombustvelAplicaes Gerao Estacionria
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Insero no MercadoFatores Crticos
< Custo (produo, instalao e manuteno);
< Escala de produo (unidades por ano);
< Nmero de fabricantes de componentes e unidades;
< Receptividade da sociedade (segurana, normas, padres);
< Concorrncia entre mercados de energia eltrica e insumos (GN, hidrognio, etanol, metanol, etc);
< Eficincia e durabilidade;
< Competio entre tecnologias de GD e entre tecnologias de CaC;
< Evoluo tecnolgica (tolerncia a contaminantes, materiais e engenharia dos componentes e engenharia de operao/controle).
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Componente Eficincia Custo Relativo
Reformador (Processador de combustvel) 79% 40%
Empilhamento de CaC (Fuel Cell Stack) 57% 27%
Condicionamento de Potncia 95% 18%
Controle e Instrumentao 90% 15%
Total 39% 100%
Eficincia e Custo Relativo dos Componentes
Insero no MercadoFatores Crticos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
36%
15%19%
6%
15%
5% 4% Catalisadores - Matria-prima (Pt/Ru)
Fabricao dos Catalisadores
Membranas
Placas difusoras de gases
Placas bipolares
Sistemas de vedao
Outros
Insero no MercadoFatores Crticos
Custo Relativo para Preparao de MEAs
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Mercado Parmetros
Domstico Comercial Industrial
Gs natural (US$/kWh) 0,02 0,04 0,02 0,04 0,01 0,03
Energia Eltrica (US$/kWh) 0,08 0,16 0,08 0,16 0,04 0,12
Vida til da CaC (Anos) 5 12 5 12 5 12
Investimento aceitvel (US$/kW) 600 1400 400 1800 500 800
Unidade PEMFC
tamanho (kW)
Baixo Volume de Produo
(10.000 unid/ano)
Alto Volume de Produo
(100.000 unid/ano)
Preo (US$/unid.) US$/kW Preo (US$/unid.) US$/kW
10 kW 16.000 1.600 5.000 500
25 kW 25.000 1.000 7.500 300
50 kW 40.000 800 12.000 240
Insero no MercadoFatores Crticos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
(*) Preos: base junho/2003(**) Metanol: Preo virtual
Combustvel PCI por
unidade de massa
PCI por unidade de
volume
Massa especfica
Referncia R$(*)
R$/GJ
Hidrognio 119.600 kJ/kg 9.967 kJ/m3 0,083 kg/m3 3/m3 a
18/m3 300 a 1.800
Gs natural 49.694 kJ/kg 35.780 kJ/m3 0,72 kg/m3 0,50/m3 a 1,60/m3 14 a 45
GLP 46.044 kJ/kg 100.836 kJ/m3 2,19 kg/m3 29/butijo de 13kg 48
Etanol hidratado 26.378 kJ/kg 21.334 kJ/L 0,809 kg/L 1,57/L 74
Metanol 19.900 kJ/kg 15.820 kJ/L 0,795 kg/L 1,06/L(**) 67(**)
Gasolina 44.173 kJ/kg 32.776 kJ/L 0,742 kg/L 2,20/L 67
Diesel 43.335 kJ/kg 36.922 kJ/L 0,852 kg/L 1,54/L 42
Insero no MercadoFatores Crticos
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
< Especificao de sistemas, desenvolvimento e avaliao de desempenho de componentes de sistemas de CaC(PEMFC e SOFC);
< Desenvolvimento de reformador de etanol em parceria com outras instituies (INT e IPEN)
< Simulao e controle de sistemas de gerao, base de CaC, no mbito da GD;
< Modelagem de sistemas de gerao para otimizao operacional e aproveitamento do rejeito trmico das CaCe do reformador de combustvel;
< Avaliao tcnica e econmica de sistemas base de CaC.
Atividades do CEPEL
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELUnidade de Demonstrao
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELUnidade de Demonstrao
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELReforma de Etanol
q Projetos do Fundo Setorial CT-Energ e CHESF/ANEEL
qParceria CEPEL/INT/IPEN
q Objetivos
q Estudar a cintica das reaes de reforma do etanol
q Projetar os reatores para a reforma do etanol e para as reaes de shift e de oxidao do CO
q Estudar uma rota alternativa de purificao do gs de reforma, atravs de permeao em membrana de paldio
q Construir o sistema de produo de hidrognio a partir do etanol e avaliar o desempenho (eficincia e pureza do H2)
q Integrar o reformador CaC existente no CEPEL.
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Desenvolvimento de placas separadoras metlicas revestidasRede PEM/MCT CEPEL- Mestrado COPPE/UFRJ F.Rodrigues
Atividades do CEPELDesenvolvimento de Componentes
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Placas Bipolares
Determinao da RCI de amostras de ao inox com e sem revestimento
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Placas Bipolares
Curva RCI X Presso (amostra B4)
20
40
60
80
100
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Corrente aplicada = 1 ATa = 23 2 C
Amostra de Ao Inox AISI 316 + Revestimento B
Presso (N/cm2)
RC
I (
m?
*cm
2)
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Presso = 220N/cm
RCI de amostras com e sem revestimentos
A = TiNB = CrNC = N(inica)D = DLC
Placas Bipolares
Presso = 220 N/cm Corrente aplicada 1 A
Tamb. 23 2 C
79
7 13
199
577
20
100
200
300
400
500
600
S/Rev. A B C D Grafite
Revestimento
RC
I (m
oh
ms.
cm)
RC
I (m
?.c
m2 )
Revestimento
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELModelagem
Diagrama de Blocos do Projeto de Modelagem do SistemaOtimizao Operacional e Aproveitamento do Rejeito Trmico
Rede PEM/MCT CEPEL Mestrado COPPE/UFRJ, Diana A. Siqueira
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELModelagem
Diagrama de Blocos do Projeto de Modelagem do Sistema
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
y = 0.61x + 0.46
y = 0.38x + 0.29
y = 0.52x + 0.052
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Custo do gs natural - US$/Nm3
Hid
rog
nio
- U
S$/
Nm
3
100Nm3/h 200Nm3/h 2000Nm3/h
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
US$/kg US$/Nm3
ELETRLISE 3,50 0,32
REFORMA GN 1,50 0,14
GASEIFICAO BIOMASSA 2,60 0,23
PIRLISE BIOMASSA 2,90 0,23
PROJEAO DO CUSTO - 2010
Fonte: Devlin, P., Milliken, J., Petrovic, J., Read, C. and Satyapal, S. Hydrogen Production and Storage R&D,Proceedings: Fuel Cell Seminar 2003, Miami
US$3,50/kg = US$29,30/GJ (Eletrlise)
US$1,50/kg = US$12,54/GJ (Gs Natural)
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Processo Fonte US$/kmol H2 US$/kg H2 US$/m3 H2US$/m3 H2 + Custos de
Capital e O&M
Energia Nuclear - US$19/MWh 1,503 0,752 0,068 0,238Energia Nuclear - US$50/MWh 3,955 1,978 0,178 0,348Hidreltrica US$40/MWh 3,164 1,582 0,142 0,312Hidreltrica US$15/MWh 1,186 0,593 0,053 0,223Hidreltrica US$5/MWh 0,396 0,198 0,018 0,188Termeltrica a gs natural US$40/MWh 3,164 1,582 0,142 0,312Energia elica US$75/MWh 5,932 2,966 0,267 0,437Solar fotovoltaica US$300/MWh 23,727 11,864 1,067 1,237
US$ 0,00/MWh 0,170
US$ 5/MWh 0,193
US$ 40/MWh 0,350
US$ 50/MWh 0,395
US$ 75/MWh 0,508
US$ 300/MWh 1,520
Gas natural US$ 0,031842/m3, Nigro IPEN, 2004 0,243 0,122 0,011 0,471
Gas natural US$ 0,12/m3, seg. Simader, G. 0,600
Gas natural US$ 0,74/m3, seg. Simader, G. 0,910
Gas Natural US$ 0,031842/m3, seg. Simader, G. 0,479
Gas Natural US$ 0,00/m3, seg. Simader, G. 0,460
Gasolina US$ 0,34/L 2,700 1,350 0,121Metanol US$ 0,145/L 2,387 1,194 0,107Biogs US$ 0,29/m3 3,427 1,714 0,154Etanol - US$ 0,40/L (reforma com etanol) 3,904 1,952 0,175Etanol - US$ 0,40/L (reforma com GN) 2,911 1,456 0,131
Reforma - Combustveis Renovveis
Instalao para produo de 100 Nm3/horaReforma - Combustveis Fsseis
Simader, G. - Fuel Cell Technologies for Hydrogen (Part I: Basic Principles), Lisboa,15-19 April 2002.
Instalao para produo de 100 Nm3/h
CUSTO
Eletrlise, Nigro, IPEN, 2004
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Parcela do custo de gerao devido ao combustvel, em funo do preo especfico do combustvel e da eficincia eltrica considerada.
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Parcela do custo de gerao devido aos investimentos e ao tempo de amortizao do investimento. A parcela de O & M j est somada nas curvas apresentadas.
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
100 200 300 350 400 500 600 700 800 900
15%aa, 10anos, ef. = 35%
Preo do combustvel, R$/GJ
Pre
o d
o eq
uipa
men
to, R
$/K
W
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 10 20 30 40 50 60 70
Custo daeletricidade
gerada,R$/MWh:
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Caso Base da Anlise de Sensibilidade
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Anlise de sensibilidade monoparamtrica
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Anlise de sensibilidade biparamtrica
Atividades do CEPELAnlise Tcnico- econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
0
50
100
150
200
250
0:00 1:30 3:00 4:30 6:00 7:30 9:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 0:00
HORR I O ( H H : M M )
Pot.Mdia Semana (kW)
Pot. CaC (kW)
Edifcio residencial de classe mdia com 116 unidades
Atividades do CEPELAnlise Tcnico- econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
DADOS DE SADA I. Energia Associada CaC I.1. Energia Eltrica Produzida 701,620 kWh/anoI.2. Energia Trmica Produzida 3,247.8 GJ/anoI.3. Energia Requerida do Combustvel 7,216.7 GJ/anoI.4. Combustvel Cons. (Volume) GN Acomp. Carga 183,369 Nm3/anoII. Energia Deslocada pela CaC II.1. Reduo na Demanda Anual com Acomp.de Carga 80.1 kW.anoII.1a. Reduo na Demanda Anual com CaC na Base 80.1 kW.anoII.2. Eletricidade Consumida no Imvel 701,620 kWh/anoII.3. Eletricidade Vendida Concessionria 0 kWh/anoII.4. Energia Trmica Aproveitada 3,247.5 GJ/anoIII. Economia Energtica Anual (Consumidor) III.1. Eletricidade 221,712.04 R$/anoIII.2. Energia Trmica 72,137.22 R$/anoIII.3. Receita de Venda de Eletricidade 0.00 R$/anoIV. Despesas Anuais (Consumidor) IV.1. Combustvel 160,307.20 R$/anoIV.2. Manuteno 28,099.90 R$/anoIV.3. Amortizao do Investimento 105,442.16 R$/anoV. Incentivos/Subsdios V.1. Incentivo Anual Concedido pela Concessionria 0.00 R$/anoV.2. Desconto na tarifa de Gs 0.00 R$/anoVI. Balanos Econmicos VI.I. CONSUMIDOR VI.I.a. Economias e Receitas Anuais 293,849.26 R$/anoVI.I.b. Despesas Anuais 293,849.26 R$/anoVI.I.c. Incentivos e Subsdios 0.00 R$/ano
GANHO (PERDA) PARA O CONSUMIDOR 0.00 R$/ano
VI.II. CONCESSIONRIA VI.II.a. Postergao de Investimentos (Demanda) 7,250.72 R$/anoVI.II.b. Energia Disponibilizada (Venda Tarifa Mdia) 104,763.15 R$/anoVI.II.c. Energia Residencial no Vendida aps CaC 221,712.04 R$/ano
GANHO (PERDA) PARA A CONCESSIONRIA (109,698.17) R$/ano
DADOS DE ENTRADA I. Carga Eltrica Demanda de Pico 173.0 kWConsumo Anual de Eletricidade 1,158,728 kWh/anoDemanda Mnima 106.6 kWDemanda Mdia 132.3 kWII. Carga Trmica Demanda Trmica Anual 2,760.3 GJ/anoForma de Aquecimento de gua 2 Chuv=1 Gas=2Deslocamento % Anual da Carga Trmica 100% %Deslocamento Anual do Consumo de Gs 2,760.3 GJ/anoTemperatura Requerida 60 oCEficincia do Sistema de Aquecimento 85% %Energia Trmica Requerida 3,247.5 III. Clula a Combustvel Potncia 80.1 kWFator de Carga sem Venda de EE para a Concessionria 100% %
Fator de Carga com Venda de EE para a Concessionria 100% %
Meses de Operao por Ano 12 ms/anoPotncia Mdia de Operao 80.1 KWEficincia Eltrica 35% %Eficincia Trmica 45% %Venda de Energia para a Concessionria? 1 S=1/N=2Preo de Venda 0.082 R$/kWhCusto Unitrio de Instalao da CaC 2,201.41 US$/kWCusto de Instalao da CaC 470,686.46 R$ IV. Custos da Energia Demanda 0.00 R$/kW/msEletricidade (Mdia Residencial Light) 0.316 R$/kWhEletricidade (Mdia Light) 0.216 R$/kWhCombustvel (Gs Natural Industrial) 22.21 R$/GJCusto Marginal de Capacidade Instalada 131.20 R$/kWanoIncentivo/Benefcio Concedido pela Concessionria EE 30.00% %
Desconto na tarifa de GN 0% %Manuteno varivel 0.040 R$/kWhManuteno fixa 27,065.13 R$Forma de Cobrana da Manuteno 1 Var=1 Fixa=2V. Fatores Econmicos Taxa de Juros 15% %aaVida til 10 anoFator de Anualizao do Investimento 0.2240 VI. Forma de Operao Acompanhamento de Carga ou Potncia Fixa 1 Acomp=1 Fixa=2A CaC Posterga Investimentos para a Concessionria? 1 S=1/N=2
Fator de Carga Mdio da Concessionria 69% %
Atividades do CEPELAnlise Tcnico- econmica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica
Livro publicado pelo CEPEL
Introduo Clulas a Combustvel O Combustvel das Clulas a Combustvel Custos Futuros Cenrios de Progresso Tecnolgica Mercado Impactos da Insero das Clulasa Combustvel no Mercado dasConcessionrias de Energia Eltrica
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Concluses
q O sistema eltrico brasileiro difere substancialmente da
maioria dos pases desenvolvidos, pela predominncia da
gerao hidrulica de energia eltrica;
q Fatores ambientais ainda no pressionam o emprego de
clulas a combustvel na gerao estacionria;
q Existem nichos de mercado para as clulas a
combustvel, relacionados qualidade e confiabilidade da
energia eltrica gerada;
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Concluses
q A competio entre o custo da energia eltrica e o dos
insumos energticos pode criar um mercado para clulas a
combustvel (residencial e comercial), desde que haja uma
reduo de custo das mesmas (US$/kW);
q O atendimento de comunidades isoladas atravs de
clulas a combustvel pode ser atrativo pela diversidade de
combustveis.
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
Concluses
q H necessidade de aperfeioamento da tecnologia de
CaC (aumento da eficincia e reduo dos custos de
investimento);
q As CaC podem se beneficiar de subsdios em um cenrio
de incentivos a implementao de tecnologias eficientes e
limpas;
q O aproveitamento e a contabilizao do rejeito trmico
(co-gerao - aquecimento ou refrigerao) implica em
aumentar a eficincia de utilizao do combustvel.
1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006
ObrigadoObrigado
Contato: Eduardo T. SerraContato: Eduardo T. SerraPesquisador ConsultorPesquisador ConsultorDiretoria de P&DDiretoria de P&[email protected]@cepel.br(21) 2598 6163(21) 2598 6163