Células de Combustível (Fuel Cells) · Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra...

Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra

Hidrogénio - Células de Combustível

Aníbal Traça de AlmeidaISR – Universidade de CoimbraDep. Engenharia Electrotécnica

3030 Coimbra, PortugalEmail: [email protected]


A economia do hidrogénioÉ uma perspectiva aliciante :

- é potencialmente um portador de energia abundante, limpo, seguro e flexível.

QuestõesQuestões FundamentaisFundamentais . . . -NÃO é uma fonte de energia, mas um portador de energia- Não dispõe ainda de uma rede integrada- Ainda não é competitivo em termos de custos, desempenho ou

de fiabilidade face aos combústíveis fósseis- As avaliações mais optimistas situam a economia do hidrogénio

a décadas de distância


SistemasSistemas EnergEnergééticosticos BaseadosBaseadosno no HidrogHidrogéénionio

CentraisCentrais de de ProduProduççãoão de de HidrogHidrogéénionio

HH2 2 LLííquidoquido HH2 2 GasosoGasoso

PropulsãoPropulsão AeroespacialAeroespacialMotoresMotores de CIde CI

CCéélulaslulas de de CombustCombustíívelvel

CCéélulaslulas de de CombustCombustíívelvel

TransportesTransportes EnergiaEnergia ElElééctricactricaE E TTéérmicarmica


• Produção:Fonte de Energia UtilizadaProdução Local vs. RemotaImpacto Ambiental

• Armazenamento, Transporte e Manuseamento:Armazenamento Gasoso, Líquido, e em SolidosTransporte via condutas, Comboios, Camiões

• Questões de Segurança na Produção, Armazenamento e Transporte -Normas e Códigos

• Competitividade Económica

Questões Chave na Utilizaçãodo Hidrogénio


TecnologiasTecnologias de de ProduProduççãoãoSeparação com Vapor(SMR)Oxidação Parcial(POX)Gasificação de CarvãoGasificação de BiomassaElectrólise

Elect. Convencional(Carvão, Nuclear)Energia EólicaSolarFotovoltaicaElect. Solar Térmica

Ciclos TermoquímicosSolar TérmicaNuclear

Produção Biológica


Oxidação ParcialMetano

CH4

(Ar-)Oxigénio

O2

Dióxido de

CarbonoCO2

MetanoCH4

ÁguaH2O

Dióxido de

CarbonoCO2

HidrogénioH2

HidrogénioH2

Hidrogénio derivado do Gás Natural

Separação com Vapor


• O processo de gasificação/pirólise pode ser usado para gerar hidrogénio.

-A biomassa tem de ser sujeita aum processode alta temperatura e pressão. - A decomposição e oxidação parcialda biomassa produz uma mistura de gases rica em hidrogénio

HidrogHidrogéénionio a a partirpartir dadaBiomassaBiomassa


HidrogHidrogéénionio TermoquTermoquíímicomico

• Usa uma série de reacções químicaspara produzir o hidrogénio final

High Temperature Heat Chemical

CycleWater

Low Temperature Heat

Oxygen

Hydrogen


Energia Térmica Solar


HidrogHidrogéénionio BiolBiolóógicogico

• Dois principais organismos produtores de hidrogénio: -algas e bactérias utilizam enzimas para gerarhidrogénio em condições anaeróbicas


• Electrólise através de Electricidade Convencional

• Electrólise através de EnergiasRenováveis– Energia Eólica– Fotovoltaicas– Solar Térmica

(Concentradores)– Novos Desenvolvimentos

(Nano Rectennas)

ElectrElectróóliselise

Perdas de energia na produção de hidrogénio por electrólise

Ele

ctro

lizad

or

–Ren

dim

ento

HH

V

Densidade [A/cm2]

Electrolizador


Produção de hidrogénio pela electrólise e por separação de gás natural

1. Da água por electróliseH2O => H2 + ½ O

energia eléctrica + H2O = energia no H2 + ½ O286 kJ/mol = 286 kJ/mol

100% = 100%Na realidade:

125% do input de energia = 100% energia no H2 + 25% de perdas

2. Do gás natural por separação com vapor de águaCH4 + 2 H2O=> 4 H2 + CO2

energia do metano + calor + H2O = energia no H2 + CO2890 kJ/mol + 254 kJ/mol = (4 x 286 kJ/mol =) 1,144 kJ/mol

78% + 22% = 100%Na realidade:

110% do input de energia = 100% energia no H2 + 10% de perdas

CustosCustos de de ProduProduççãoão de de HidrogHidrogéénionio

5.0

15.0

25.0

35.0

45.0

55.0

2003 2008 2013 2018 2023 2028 2033 2038 2043 2048

Year

Hyd

roge

n Pr

oduc

tion

Cos

t ($/

GJ)

(F

ebru

ary

$US

2003

)

Grid Electrolysis (Fossil Fuel Based)PV ElectrolysisSolar Based Thermal Powered ElectrolysisSolar Antenna Power ConversionSteam Reforming of Natural GasPartial OxidationCoal GasificationAmmonia Based Solar Powered ElectrolysisWind Electrolysis

Electrólise a partir da RedeElectrólise em FVElectrólise Térmica através do SolConversão com de uma antena solarReforma com vapor de gás naturalOxidação parcialGasificação de carvãoElectrólise solar com base na amóniaElectrólise eólica

Cust

os

de

Pro

duçã

o d

e H

idro

gén

io($

/GJ)

Feve

reir

o $

US 2

003)

Ano

Opções de distribuição de energia

Electricidade de Fontes renováveis

Electrólise

Hidrogénio

H2

Rede Eléctrica

Electricidade para o

utilizador

Células de Combustível


Compressão de Hidrogénio

AdiabáticaIsotérmica

Perd

as

de e

nerg

ia p

or

HH

V d

e H

idro

gén

io

Pressão Final [bar]

Liquefacção de HidrogénioEn

erg

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e L

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cção

p

or

HH

V d

e H

idro

gén

io

Capacidade de liquefacção de uma Central [kg/h]

Obsoleta

Standard

Avançada

Transporte Rodoviário de Hidrogénio

Distância de Entrega – só ida [km]

Ener

gia

consu

mid

a

por

entr

ega

de

com

bust

ível

[M

J/kg

]

Gasolina, etc...

H2, líquido

H2, 200bar

Transporte de hidrogénio a longa distância atravésde condutas

Distância da origem da conduta [km]

En

erg

ia d

e b

om

bag

em

po

r H

HV

de g

ás

en

treg

ue

Hidrogénio

Metano

Transporte de electricidade renovável pela rede e hidrogénio

Fonte de Energia Renovável

Rede eléctrica

hidrogénio

consumidor

Hidrogénio gasoso

Hidrogénio líquido

Ele

ctri

cid

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A r

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Ele

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Gás

Hid

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Co

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ão

Tra

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Dis

trib

uiç

ão

Arm

aze

nen

o


Célula deCombustível

H2OO2

H2

calor

Energia eléctrica

Célula de Combustível“Processo inverso da electrólise.”


Células de combustível

Processador de Combustível

Gestão da Água

Sistema de Ar

Pilha de Células de Combustível

Condicionamento de Potência

Gestão Térmica

Entrada de Hidrogénio

Saída de Água

Entrada de Ar

Saída de Calor

Exaustão

Combustível

Electricidade

Calor

Exaustão

Diagrama de uma cDiagrama de uma céélula de combustlula de combustíível com capacidade para separar o hidrogvel com capacidade para separar o hidrogéénio do nio do combustcombustíível de entradavel de entrada


Células de combustívelRendimento comparativo entre as diversas tecnologias de cRendimento comparativo entre as diversas tecnologias de céélulas de combustlulas de combustíível e outras vel e outras

tecnologias convencionaistecnologias convencionais


Emissões Relativas de Poluentes

Central de Energia Fóssil

Ciclo combinadoa gás

Microturbina Células de Combustível

11.29

0.54

0.27

0.02

(Kilogramas de emissão por 1000 kWhNOx, CO, SOx, Hidrocarbono, Partículas)

0

0.68

0.23

0.45

11.11

11.34


Potenciais benefícios das células de combustível para a produção distribuída

• Decréscimo do uso de combustíveis fósseis importados

• Redução das emissões de dióxido de carbono e de outros poluentes

• Melhoria da fiabilidade

• Mitigação da necessidade de expansão da capacidade de produção bem como da transmissão e distribuição

• Redução das perdas T&D (10% de toda a electricidade)

• Integração de fontes intermitentes

Fuel cell applications


Fuel cells capital cost

Capital costs, €/kWFuel cell technology Projected (2010) Present

PEMFC 1.100-1.800 2.400-12.000PAFC 1.350-1.800 4000-5.000SOFC 1.200-2.000 10.000-16.000MCFC 1.200-2.000 15.000-22.000


Aplicações Estacionárias

Energia de Qualidade

Energia de Reserva

Cogeração Geração Distribuida

Locais Remotos


Fuel Cells and Emergency Preparedness

– Emergency services (9/11)

– Water systems– Medical

facilities– Airports– Research

laboratories

– Food service– Industry– Prisons– Senior citizen

housing– Computer

centers


Long Interruptions (2003)Place and Date, Number of Affected Consumers,

Restoration Time, Demand (GW)

•Canada and USA (14-8-03)•50.000.000•24 hours•61.800 GW

•Birmingham(5-9-03)•20.000•11 minutes•253 GW

•London(28-8-03)•410.000•47 minutes•720 GW

•South of Sueden andEast of Denmark(23-9-03)•4.000.000•2 hours•6.600 GW

•Italy,exceptSardinia(28-9-03)•60.000.000•20 hours•27.702 GW

Célula de Combustível numa Casa (Japão)

Rede Eléctrica

Energia Eléctrica

Rede de gás natural

Água quente para banhos, aquecimento

Tanque

de

água

quente

Envio de dados

Dados

Dados

CC


Padrão de mobilidade em PessoaPadrão de mobilidade em Pessoa--km, por pessoa km, por pessoa e por ano, de entre os anos 1850 e 1990e por ano, de entre os anos 1850 e 1990

Estratégias de lançamento de veículos a H2

Ensaios GM

Protótipo GM


Autocarro com tracAutocarro com tracçção elão elééctrica na cidade ctrica na cidade do Porto, com cdo Porto, com céélulas de combustlulas de combustíível vel

alimentadas a hidrogalimentadas a hidrogéénio nio

Aplicação em Veículos submarinos-Autonomia e segurança

Aplicação em Aviões-Redução drástica de emissões e de ruído

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