Geração Energia Sustentável

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável
FSA – Gestão de Energia - JCB Out/09 - 1
• Boa noite a todos
• José Carlos Basilio
– josecarlosbasilio@gmail.com
• jcbasilio@wordpress.com
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• FSA
– Acadêmico
– Geral

FSA – Gestão de Energia - JCB
Programação
• Roteiro
– 10/05/10
• Células a Combustível
– 17/05/10
• Energia Eólica, Energia Solar, Energia das Marés, Biomassa
Mai/10 - 2

Célula combustível
• Quiz
• Qual é o tipo de célula a combustível que
acabará energizando carros, ônibus e, talvez,
até mesmo nossas casas?
– Bateria de células a combustível
– Célula a combustível com membrana para troca de prótons
– Célula a combustível sem membrana para troca de prótons
Out/09 - 3
O que você sabe sobre essas
miniusinas de eletricidade?
A célula a combustível com membrana para troca de prótons (PEMFC) é uma das tecnologias mais
promissoras. A PEMFC faz uso de uma das mais simples reações da célula a combustível.

Quiz
• Qual é uma das metas prioritárias das células a
combustível?
– Redução da poluição
– Barateamento do custo de produção
– Aumento da potência
• Qual a eficiência global de um motor acionado
por gasolina automotiva?
– 10%
– 20%
– 30%
Out/09 - 4
A redução da poluição é uma das metas
prioritárias da célula a combustível. Na
comparação de um carro de célula a
combustível com um a gasolina e com um a
bateria, é fácil notar como os de células a
combustível podem melhorar a eficiência
dos automóveis.
A eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva é de 20%.
Isto é, cerca de 20% do conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida
em trabalho mecânico.

Quiz
• Qual a tecnologia de células a combustível
usada no programa espacial dos EUA desde a
década de 1960?
– Células a combustível de óxido sólido
– Células a combustível do ácido fosfórico
– Células a combustível alcalinas
• Qual a tecnologia com potencial
para ser empregada em pequenos
sistemas estacionários de geração
de energia?
– Células a combustível do ácido fosfórico
– Células a combustível de óxido sólido
– Células a combustível de carbonato fundido
Out/09 - 5
As células a combustível alcalinas
(AFC) Estão entre os mais antigos
projetos. Têm sido usadas no
programa espacial dos Estados
Unidos desde a década de 1960.
A AFC é bastante suscetível à
contaminação, por isso exige
hidrogênio puro e oxigênio.
Células a combustível do ácido
Fosfórico (PAFC) poderão ser
potencialmente empregada em
pequenos sistemas estacionários
de geração de energia. Como
operam em temperaturas mais
altas do que as das células a
combustível PEM, exigem mais
tempo para se aquecerem.

Quiz
• Os carros abastecidos com células a
combustível são semelhantes a que tipo de
carros?
– Carro a gasolina
– Carro elétrico
– Carro a diesel
• Provavelmente o carro movido à célula a
combustível será abastecido com o quê?
– Etanol
– Propano
– Metanol
Out/09 - 6
Os carros abastecidos com células a combustível devem começar a
substituir os de gasolina e diesel dentro de alguns anos. Tal carro,
bastante semelhante ao carro elétrico, usa a célula a combustível e
o reformador ao invés de baterias.
Muito provavelmente seu carro à célula a combustível será abastecido
com metanol, embora algumas companhias estejam desenvolvendo
reformadores de gasolina.

Quiz
• Sob o ponto de vista técnico, o que
é uma célula a combustível?
– Aparelho conversor de energia eletroquímica
– Aparelho conversor de energia eletroestática
– Aparelho conversor de energia eletromagnética
• Como deveria ser chamada a célula a
combustível?
– Bateria a combustível
– Pilha a combustível
– Carregador a combustível
Out/09 - 7
Sob o ponto de vista
técnico, uma célula a
combustível é um aparelho
conversor de energia
eletroquímica. A célula a
combustível converte os
elementos químicos
hidrogênio e oxigênio em
água, e gera eletricidade
enquanto faz isso.
A célula a combustível deveria ser chamada de pilha a
combustível, mas o termo célula acabou prevalecendo.

Quiz
• A célula a combustível fornece tensão de que
tipo?
– Corrente alternada
– Corrente negativa
– Corrente contínua
Out/09 - 8
A célula a combustível fornece tensão em CC (corrente contínua)
que pode ser empregada para energizar motores, lâmpadas e
outros aparelhos elétricos.

CaC – vídeo
Mai/10 - 9

Contextualização do tema
Mai/10 - 10

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Mai/10 - 12

Eficiência
Porque célula a combustível é uma alternativa?
• Possui elevada eficiência de conversão*:
– elétrica 50%,
– com cogeração 80% (calor pode ser usado para
aquecer água).
• Geração no local, sem poluição química (porque
produz somente água) e sem poluição sonora.
• Vida útil de 40.000 horas.
*depois de cem anos de existência, a eficiência de um motor a combustão é de apenas
20%!
As plantas mais eficientes de geração de energia têm eficiência de 33 a 35%
Mai/10 - 13

Outras vantagens
• A produção de energia sem combustão e sem partes
móveis das CaCs as faz até 25% mais eficientes que os
motores a combustão interna, reduzindo a emissão de
poluentes e de dióxido de carbono.
• Mesmo com hidrogênio obtido de fontes fósseis como o
petróleo e o gás natural, a emissão de dióxido de
carbono (CO2) cai de 25 a 50%, e a fumaça produzida
quando comparada com equipamentos tradicionais
como os geradores a diesel, diminui em 99%.
• As fontes de energia renováveis são cruciais pois
durante o crescimento destes, como a cana-de-açúcar,
ocorre o seqüestro de carbono presente na atmosfera
(CO2), além de liberarem o oxigênio.
Mai/10 - 14

Revolução Industrial
Século XVII
1698 - Thomas Newcomen, em Staffordshire, na Grã-
Bretanha, instala um motor a vapor para esgotar
água em uma mina de carvão.
Século XVIII
1709 - Abraham Darby, em Coalbrookdale,
Shropshire, na Grã-Bretanha, utiliza o carvão para
baratear a produção do ferro.
1765 - James Watt, na Grã-Bretanha, introduz o
condensador na máquina de Newcomen,
componente que aumenta consideravelmente a
eficiência do motor a vapor.
Mai/10 - 15
1780 - Edmund Cartwright, de Leicestershire, na Grã-Bretanha, patenteia o primeiro tear a
vapor.
1800 - Alessandro Volta, na Itália, inventa a bateria elétrica.
Século XIX
1803 - Robert Fulton desenvolveu uma embarcação a vapor na Grã-Bretanha.
1825 - George Stephenson concluiu uma locomotiva a vapor, e inaugura a primeira ferrovia, entre
Darlington e Stockton-on-Tees, na Grã-Bretanha.
1830 - A Bélgica e a França iniciaram as respectivas industrializações utilizando como matéria-
prima o ferro e como força-motriz o motor a vapor.
1885 - Gottlieb Daimler inventou um motor a explosão.

‘Descarbonização’ da energia
Mai/10 - 16
A economia baseada no
hidrogênio como fonte
energética representaria
o fim da presença do
carbono nas fontes de
energia.
O desenvolvimento da
tecnologia das células a
combustível,
inicialmente para as
naves espaciais e,
nas últimas duas décadas, para geração de energia elétrica tanto
estacionária como em veículos é um fator extremamente importante
na tendência para a utilização do hidrogênio como vetor energético.

Metanol
O metanol é um líqüido, inflamável e possui
chama invisível. Possui fórmula química
CH4O
A tualmente é obtido pela reação do gás de
síntese (produzido a partir de origens
fósseis, como o gás natural), uma mistura
de H2 com CO passando sobre um
catalisador metálico a altas temperaturas e
pressões.
Mai/10 - 17
Esta reação processa-se à temperatura de cerca de 300°C e pressões
de 200 a 300 atm. A equação da reação é:
CO + 2 H2 → H3C-OH
Ele também pode ser produzido a partir da cana-de-açúcar.

Um pouco de história
Mai/10 - 18

Pilha comum, Bateria e Célula a Combustível
Mai/10 - 19

Funcionamento básico da CaC
• A estrutura básica de
uma célula a
combustível consiste
de três partes:
-ânodo,
-cátodo e um
-eletrólito.
Mai/10 - 20
O combustível básico de uma célula a combustível
é o hidrogênio, que reage com o oxigênio
produzindo água e eletricidade.

Reação Química
• No ânodo
2 H2 => 4 H+ + 4 e-
• No cátodo
O2 + 4 H+ + 4 e- => 2 H2O
Mai/10 - 21

Tipos de Célula a Combustível
Mai/10 - 22

CaC Alcalina - AFC
• O eletrólito utilizado é
uma solução concentrada
de KOH .
• Pilhas AFC utilizadas no
programa Apollo da
NASA.
Mai/10 - 23
• Os eletrólitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH)
dissolvem o CO2 (prejudica a célula!).
• O eletrólito apresenta custos reduzidos.

CaC Membrana - PEMFC
Mai/10 - 24
• Simplicidade de
funcionamento.
• Problemas de corrosão
são mínimos.
• O catalisador utilizado é a
platina.
• Os combustíveis utilizados podem ser, por
exemplo, metanol, etanol, metano, propano, etc.
• O metanol (líquido) pode ser facilmente
transportado e armazenado.

CaC Ácido Fosfórico - PAFC
Mai/10 - 25
• As primeiras a serem
produzidas.Unidades de
200 kW instaladas nos
Estados Unidos e na
Europa.
• Sistema de produção de
energia elétrica seguro.
• Sistemas funcionaram continuamente durante
anos sem qualquer manutenção.

CaC Carbonato Fundido - MCFC
Mai/10 - 26
• Pode-se utilizar o níquel
como catalisador no
ânodo e óxido de níquel
no cátodo (dada a alta
temperatura) não sendo
necessária a utilização de
metais nobres .
• Pode utilizar-se diretamente gás natural, não
havendo a necessidade da utilização de
“reformadores” externos.
• Eletrólito corrosivo (lítio, potássio e carbonatos
de sódio).

CaC Óxido Sólido - SOFC
Mai/10 - 27
• Velocidades de reação
elevadas sem a utilização
de catalisadores nobres.
• Metano pode ser utilizado
diretamente, sem unidade
de reformação externa.
• Os materiais cerâmicos acarretam dificuldades
adicionais na sua utilização, envolvendo custos
de fabrico elevados e sendo necessários muitos
equipamentos extras para que a célula produza
energia elétrica.

Energia Eólica
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• Energia Eólica:
– abundante,
– renovável,
– limpa e
– disponível em muitos lugares.
• Aerogeradores,
– a força do vento é captada por hélices ligadas a uma
turbina que aciona um gerador elétrico.
• Potencial de aproveitamento no Brasil:
143.000MW
Mai/10 - 29

Legislação
• O governo federal criou em abril de 2002 pela
Lei no 10.438 o Programa de Incentivos às
Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa)
– fonte eólica,
– biomassa e
– PCH
Mai/10 - 30

Diagrama de um gerador eólico
Mai/10 - 31

Aplicações comerciais
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