Células a Combustível
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Gerao e
Cogerao
Prof. Dr. Ricardo Alan V Ramos
UNESP FEIS PPGEM
Discente:
Rbinson Gerardo T P Erazo
Ilha Solteira - SP, Junho de 2015
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Clulas a
Combustvel Tecnologia e Aplicaes
em Gerao e Cogerao
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Gerao e Cogerao
Introduo Histrico
Conceito
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Gerao e Cogerao
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Gerao e Cogerao
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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Gerao e Cogerao
Motor CI x Clula a
Combustvel
Energia Qumica
En.
Trmica
En. Mecnica
(til)
Energia Qumica
Energia Eltrica
[til]
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Gerao e Cogerao
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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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Gerao e Cogerao
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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Gerao e Cogerao
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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PPGEM
Gerao e Cogerao
Obrigado!
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PPGEM
Gerao e Cogerao
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