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  • 1. EDEN Relatório de Progresso PPS 2 Projectos de Demonstração INEGI Julho 2007
  • 2. ÍNDICE GERAL Descrição do PPS 2 ...................................................................................................................... 1 Contexto do Relatório.................................................................................................................. 4 Actividade B1 – Análise do Estado da Arte e Pré-Qualificação de Fornecedores .............................. 5 Tarefa B1.1.................................................................................................................................. 6 Tarefa B1.2................................................................................................................................ 51 Tarefa B1.3................................................................................................................................ 74 Tarefa B1.4.............................................................................................................................. 113 Tarefa B1.5.............................................................................................................................. 127 Tarefa B1.6.............................................................................................................................. 138 Tarefa B1.7.............................................................................................................................. 155 Actividade B2 – Instalação de Demonstração num Aterro Sanitário na Zona Norte do País.......... 160 Tarefa B2.1.............................................................................................................................. 161 Tarefa B2.2.............................................................................................................................. 165
  • 3. PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS D ESCRIÇÃO DO PPS 2 As pilhas de combustível (PC), enquanto solução de produção de energia eléctrica ou produção combinada de calor e electricidade (co-geração), estão, nos seus vários domínios de aplicação, numa fase pré-comercial. Espera-se que nos próximos cinco anos demonstrem a sua competitividade económica face às soluções convencionais de produção de energia, e que se verifique a sua progressiva penetração no mercado das soluções alternativas à produção convencional de energia. Este prazo esperado de cinco anos poderá vir a ser reduzido se a pressão da resolução dos problemas ambientais relacionados com o aquecimento global devido ao efeito de estufa vier a colocar uma maior urgência na obtenção de resultados numa diminuição efectiva do volume de CO2 emitido para a atmosfera por unidade de energia produzida. Tal situação poderá fazer com que as energias de origem em combustíveis fósseis (carvão e petróleo e gás natural) possam ver a sua produção penalizada ou, se venham a criar quadros de benefícios sobre custos evitados de emissão de CO2 que mais directamente apoiem soluções como as das pilhas de combustível. As PC apresentam-se hoje como uma tecnologia emergente e como uma das alternativas energéticas que rapidamente poderão assumir quotas importantes na satisfação das necessidades energéticas mundiais face às significativas vantagens que apresentam e que são: Relativa simplicidade tecnológica na sua operação, factor este que favorece uma rápida penetração no mercado; Um carácter modular que permite que as PC possam ser consideradas como fonte privilegiada de produção descentralizada de energia; Elevada flexibilidade no que se refere a combustíveis primários, podendo, quando associada a energias renováveis, contribuir para ultrapassar limitações específicas destes sistemas; Impacte ambiental nulo (NOx) ou reduzido (CO e CO2); Eficiência energética – 45 a 50 % em eficiência eléctrica directa, 70 % em ciclo combinado e 82% de eficiência global em sistemas de co-geração. O grande interesse que as PC estão a despertar, decorre directamente das pressões ambientais para a redução das emissões de gases poluentes e da consequente minimização do efeito de 1
  • 4. PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS estufa. As projecções de natureza económica de vários estudos sobre PC apontam para valores de mercado na ordem dos 110 a 109 Euros por kVA instalado, nos próximos 20 anos. Na actual fase desta tecnologia, está-se ainda numa fase de demonstração da mesma, havendo cerca de 150 centrais em operação no Japão e EUA, sendo este número substancialmente inferior na Europa. De acordo com um estudo de Outubro de 2001, elaborado por vários consultores do Banco Mundial, previa-se que entre 2004 e 2006, a maioria das tecnologias de PC estivesse disponível no mercado de forma sustentável, com uma redução de preços de 4000$USA/kWe (valores de 2001) para cerca de 1000 a 1500 $USA / kWe com custos de operação e manutenção na faixa dos 2 cêntimos de $USA/kWe. No caso português, e de acordo com várias estimativas, o mercado potencial para unidades de produção descentralizada com base em sistemas de micro e co-geração é de cerca de 500 MW, nos próximos dez anos (para que Portugal cumpra os compromissos assumidos face aos objectivos de directivas comunitárias relativamente à penetração de energias renováveis no sistema electroprodutor), o que corresponde a um valor de mercado de 750 milhões de Euro. A previsível competitividade das PC permite antever que progressivamente irão ganhar quotas de mercado cada vez mais relevantes relativamente a estes investimentos. É uma nova oportunidade tecnológica e económica que emerge e que no caso nacional nos deve criar a obrigação de estar, no médio prazo, para além da passiva importação e exploração de sistemas e aplicações. O objectivo deste PPS é o de permitir, através da instalação de uma unidade de demonstração, localizada no Porto, promover um processo de transferência e endogeneização de tecnologias das entidades fabricantes para o consórcio, no que se refere ao projecto, instalação, operação e manutenção destas unidades, criando condições para que a esperada penetração das PC no mercado nacional se possa vir a efectuar com significativa participação da tecnologia, engenharia e indústria nacional (na concepção, projecto, instalação, operação e fornecimento de subsistemas). Visa-se assim a aquisição, instalação e operação de um sistema de PC para produção de energia eléctrica ou eléctrica e térmica (co-geração) com alimentação directa de hidrogénio ou através de um reformador, que extrai de um gás como o propano ou o gás natural ou de biogás o hidrogénio necessário ao funcionamento da PC. 2
  • 5. PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS Assim perspectiva-se a instalação de uma PC no Porto, a instalar eventualmente nas instalações de um aterro que produza biogás e testar uma solução, com potência eléctrica compreendida entre os 5 e os 10 kWe. Com esta unidade pretende-se adquirir um conhecimento prático efectivo das capacidades e limitações destas tecnologias em aplicações estacionárias de produção distribuída de energia, e sua adequação para utilizar o biogás proveniente de aterros para a produção de electricidade. Criar-se-á um quadro de colaboração com os fornecedores seleccionados que viabilize a formação de técnicos das empresas do consórcio na concepção e projecto de sistemas, no conhecimento aprofundado das especificações técnicas e tecnológicas associadas às alternativas existentes, e através de um trabalho de “reverse engineering” a criação de competências internas que permitam a internalização do projecto global do sistema e dos vários subsistemas nele integrados e que viabiliza o posicionamento destas entidades como integradoras de sistemas. 3
  • 6. PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS C ONTEXTO DO R ELATÓRIO Este relatório diz respeito à execução material da actividade de I&D realizada no âmbito do PPS 2 do projecto “EDEN- Endogenizar o Desenvolvimento de Energias Novas”, desde 1 de Março de 2006 até Junho de 2007. É relatado todo o trabalho realizado no âmbito das tarefas B1.1, B1.2, B1.3, B1.4, B1.5, B1.6, B1.7, B2.1 e B2.2. De acordo com o cronograma definido as restantes tarefas vão apenas a ser inicializadas no 2º semestre de 2007 pelo que ainda não constam do presente relatório. 4
  • 7. PROJECTO EDEN – Actividade B1 A CTIVIDADE B 1 – ANÁLISE DO ESTADO DA A RTE E PRÉ-QUALIFICAÇÃO DE RÉ- F ORNECEDORES Proceder-se-á ao estudo actualizado da situação actual da tecnologia, das alternativas tecnológicas existentes, fazendo-se uma avaliação comparativa das respectivas vantagens, limitações, perspectivas de desenvolvimento, condições de operação, custos actuais e previsão da sua evolução a médio prazo. No âmbito desta actividade realizar-se-ão visitas a fornecedores e a instalações de demonstração em operação e analisar-se-ão as problemáticas associadas ao licenciamento e operação. Nos contactos com os fornecedores dar-se-á relevância à sua disponibilidade para estágios de formação de técnicos nacionais e ao acompanhamento da concepção do projecto das unidades adquirir, por quadros das empresas que integram o consórcio. Como resultado desta actividade serão pré-qualificados os fornecedores a contactar para apresentação de propostas formais, para as unidades a instalar. 5
  • 8. Tarefa B1.1 Análise da informação disponível
  • 9. Tarefa B1.1 ÍNDICE 1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………….8 2. Introdução………………………………………………………………………………………………9 3. Actividade I&D Realizada…………………………………………………………………………….12 3.1 Caracterização dos tipos de células de combustível existentes no mercado .................... 12 3.1.1. Células de Combustível PEMFC e DMFC................................................................... 15 3.1.2. Células de Combustível AFC .................................................................................... 17 3.1.3. Células de Combustível PAFC................................................................................... 17 3.1.4. Células de Combustível MCFC ................................................................................. 18 3.1.5. Células de Combustível SOFC .................................................................................. 19 3.2. Levantamento da informação disponibilizada pelos fornecedores – modelos comercializados ..................................................................................................................... 20 3.2.1. Células de Combustível PEMFC e DMFC................................................................... 23 3.2.2. Células de Combustível SOFC .................................................................................. 31 3.2.3. Células de Combustível AFC .................................................................................... 38 3.2.4. Células de Combustível PAFC................................................................................... 40 3.2.5. Células de Combustível MCFC ................................................................................. 43 4. Conclusões Gerais……………………………………………………………………………………48 5. Referências Bibliográficas…………………………………………………………………………….49 7
  • 10. Tarefa B1.1 1. RESUMO DA TAREFA No decorrer desta tarefa proceder-se-á à recolha da informação disponível abrangendo os aspectos tecnológicos e de mercado e as experiências operacionais das diversas tecnologias, informação esta que será disponibilizada pelos fornecedores ou com origem em fontes independentes. 8
  • 11. Tarefa B1.1 2. INTRODUÇÃO A indústria eléctrica passa actualmente por uma fase de reflexão face às recentes subidas no custo dos combustíveis, bem como à problemática do custo das emissões de CO2, o que leva ao reequacionamento do papel das tecnologias tradicionais criando oportunidades para as novas tecnologias e redefinindo o âmbito e o carácter das regulações governamentais. Estas alterações advêm da interacção das seguintes forças propulsoras: − Uma emergente alteração tecnológica pode oferecer fontes de geração distribuída com benefícios não acessíveis às tradicionais e centralizadas fontes de energia; − Aumento das preocupações com a segurança de abastecimento têm revelado a vulnerabilidade de produção de energia centralizadas a acidentes ou sabotagens; − Constrangimentos ambientais mais restritivos na produção de energia são inevitáveis já que esta produção representa uma parcela importante na poluição local e global; A indústria energética responde a estas questões com uma panóplia de estratégias de negócio: preço flexível para os grandes consumidores, separação dos activos de produção, transmissão e distribuição, esforços agressivos de contenção de custos, diversificação das fontes energéticas. Emerge desta situação uma indústria mais diversificada e mais competitiva que continuará a mudança das companhias tradicionais focadas na “produção-transmissão-distribuição” para companhias com uma estrutura mais heterogénea. Uma das mais prometedoras e excitantes tecnologias emergentes é a das pilhas de combustível que converte combustível em energia com eficiências muito interessantes, e que, não existindo combustão, no caso do hidrogénio apresenta emissões poluentes praticamente inexistentes e, no caso dos combustíveis fósseis, limitadas ao inevitável CO2. Têm-se observado nos últimos tempos significativos progressos na investigação desta tecnologia, para diferentes tipos de solução e quer para aplicações estacionárias ou para aplicações automóveis, que podem levar a uma comercialização muito competitiva destes produtos já num horizonte de 5 anos. O uso de células de combustível e de tecnologias de hidrogénio, para explorar os benefícios daí decorrentes na produção descentralizada e nos transportes, estão entre as prioridades propostas em duas recentes Comunicações da Comissão Europeia: “An Energy Policy for Future” e “Towards a European Strategic Energy Technology Plan”, ambas de 10.01.2007. A Comissão Europeia irá preparar, em 2007, o primeiro Plano Estratégico Europeu para as Tecnologias Energéticas, como parte integrante da sua Política Energética para a Europa. A União 9
  • 12. Tarefa B1.1 Europeia fixou três objectivos-chave para o desenvolvimento das suas tecnologias energéticas: reduzir o custo actual das energias renováveis, facilitar a utilização eficiente da energia e colocar as indústrias europeias em posição de liderança no domínio das tecnologias com baixas emissões de carbono. Foram estabelecidas metas a longo prazo: 2020: meta de 20% de renováveis, incluindo o aumento da contribuição das energias renováveis de menor custo, como a eólica off-shore e os biocombustíveis de segunda geração 2030: fontes de baixo carbono, captura e armazenamento de CO2 em centrais eléctricas utilizando combustíveis fósseis e adaptação crescente dos transportes ao uso de biocombustíveis de segunda geração e de células de combustível de hidrogénio; A partir de 2050: um “mix” energético que poderia incluir um maior contributo das renováveis, carvão e gás sustentáveis, hidrogénio sustentável e, para os estados membros que o pretendam, energia de cisão avançada e energia de fusão. Tudo isto deverá ser feito em conjunto com uma melhor utilização da energia nos processos de conversão, nos edifícios, na indústria e nos transportes. A União Europeia aposta nas células de combustível como um vector tecnológico importante para o uso eficiente do gás natural ou do hidrogénio. A Plataforma Tecnológica Europeia do Hidrogénio e Células de Combustível (HFP)1 definiu acções de implementação que constituem a base de um Programa Europeu do Hidrogénio e Células de Combustível, para o período 2007 – 2015, de investigação, desenvolvimento de tecnologia e demonstração, cujas principais metas são: Desenvolvimento dos veículos a hidrogénio e das infra-estruturas associadas para comercialização em 2015, podendo vir a atingir-se um valor de vendas anual de 1.8 milhões de veículos por volta de 2020; Abastecimento de hidrogénio sustentável: satisfazer 10-20% da procura de hidrogénio com tecnologias livres ou de baixa emissão de CO2 por volta de 2015; Células de combustível para cogeração e produção eléctrica: ter mais de 1 GW de capacidade em operação em 2015 (podendo vir a atingir-se 16 GW em 2020), implicando desenvolvimentos nas três tecnologias - PEMFC, MCFC and SOFC – de forma equilibrada para atingir os objectivos de transição e de longo prazo; Células de combustível para aplicações portáteis (dispositivos electrónicos e geradores eléctricos portáteis): introduzir “milhares” de produtos no mercado por volta de 2010. 1 https://www.hfpeurope.org/ 10
  • 13. Tarefa B1.1 No quadro seguinte resumem-se os pressupostos do plano de implementação do HFP para 2020. Tabela 1- “Snapshot 2020” do HFP: pressupostos relativos às aplicações do hidrogénio e células de combustível no cenário 2020 Entre as futuras opções tecnológicas de conversão de electricidade/calor, as células de combustível SOFC (incluindo IT-SOFC2) e MCFC3 deverão ter um desenvolvimento alargado a curto/médio prazo em pequenas aplicações distribuídas de produção combinada de calor e electricidade, sendo para tal necessário I&D em materiais (por exemplo, para melhorar o transporte iónico e, logo, a eficiência das células IT-SOFC) e redução de custos4. A longo prazo, é ainda necessário o desenvolvimento faseado das infra-estruturas de produção, distribuição e armazenamento de hidrogénio. 2 IT-SOFC: Intermediate Temperature (500° C - 600° C) Solid Oxide Fuel Cells 3 MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell 4 Transition to a sustainable energy system for Europe - The R&D perspective, A summary report by the ISSN 1018-5593, Comissão Europeia, 2006, disponível em Advisory Group on Energy, http://ec.europa.eu/research/energy/gp/gp_pu/article_1100_en.htm 11
  • 14. Tarefa B1.1 3. ACTIVIDADE I&D R EALIZADA 3.1 CARACTERIZAÇÃO DOS TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL EXISTENTES NO MERCADO Fazendo uma pequena descrição da tecnologia, uma pilha de combustível consiste em dois eléctrodos porosos, cada um revestido num dos lados por uma camada catalisadora de platina, separados por um electrólito. O hidrogénio (combustível) é alimentado no ânodo (-) e o oxigénio - ou ar - (oxidante) entra na célula de combustível através do cátodo (+). Através da acção de um catalisador os átomos de hidrogénio são decompostos em protões e electrões, que seguem caminhos diferentes para o catado. Os protões são conduzidos através do electrólito para o cátodo e os electrões, que não podem passar através do electrólito, criam uma corrente eléctrica externa que pode ser utilizada antes de regressar ao cátodo, na qual é reunida com os iões positivos de hidrogénio e oxigénio para formar água e calor. Em seguida pode ver-se um esquema de uma PC. O rendimento eléctrico obtido é superior ao que se obtém no caso dos motores de combustão interna. Durante o processo de conversão da energia química do combustível em energia eléctrica, liberta-se calor, o que implica que uma parte da energia química não é convertida em electricidade 12
  • 15. Tarefa B1.1 e portanto o rendimento baixa significativamente. Em sistemas de Cogeração, o calor libertado pode ser aproveitado, aumentando-se assim o rendimento global do sistema. As pilhas de combustível apresentam eficiências energéticas na ordem dos 45% em termos eléctricos e de cerca de 80% em instalações de Cogeração, em que o aproveitamento do calor libertado permite atingir valores de eficiência global daquela gama. Com estes valores de eficiência, estas ofuscam as micro turbinas e os motores de combustão interna e, levando em linha de conta as perdas na transmissão e na distribuição, podem inclusivamente competir com a tecnologia de ciclo combinado de turbina de gás. De forma a obter-se potências mais elevadas podem associar-se várias células de combustível em série, resultando então na denominada pilha de combustível. O electrólito pode ser um meio líquido ou sólido e tem grande influência no desenho e temperatura de funcionamento. O tipo de electrólito determina quer a natureza e pureza do combustível e do oxidante, quer a temperatura de funcionamento. Os preços por kWe instalados são actualmente de 2000 a 3000 USD, podendo estes valores chegar aos 1000 USD a prazo. Neste tipo de soluções, dependendo do tipo de tecnologia, o combustível pode ser hidrogénio, gás natural, biogás, etanol e mesmo diesel. Dependendo das aplicações para que são direccionadas, as células de combustível necessitam de possuir características diferentes. Por exemplo, para aplicações portáteis, o ideal é que as células seleccionadas trabalhem à temperatura ambiente, de modo a evitar a necessidade de aquecimento adicional e a reduzir o tempo de arranque. Com o intuito de responder a diversas necessidades operacionais, foram desenvolvidos diferentes tipos de células. As células de combustível podem ser caracterizadas tendo em atenção diferentes parâmetros, nomeadamente, o electrólito, a temperatura de operação ou a espécie química transportadora de carga. Na tabela seguinte encontram-se resumidamente os diferentes tipos de células, bem como as suas principais características. 13
  • 16. Tarefa B1.1 Tabela 2– Tipos de células de combustível e principais características Tipo de Temperat Rendime células de Electról Transporta ura de Combustí nto combustív ito dor de Cargas operação vel eléctrico el (ºC) (%) Alcalina OH- KOH 60-120 H2 puro 35 - 55 (AFC) Membr Polímer ana de H2 puro H+ o sólido 50-100 35 - 45 Permuta (tolera CO2) (Nafion) Iónica (PEMFC) H2 puro (tolera o CO2 Acido Ácido H+ ~220 e CO a 40 Fosfórico fosfórico aproximadam (PAFC) ente 1 %) H2, CO, Carbon Carbon CH4, outros ato de ato 2- CO3 ~650 hidrocarbonet >50 potássio e Fundido os (tolera o de lítio (MCFC) CO2) H2, CO, Óxido CH4, outros Oxido sólido ~1000 >50 hidrocarbonet Sólido (ytria, O2- os (tolera o (SOFC) Zirconia) CO2) As pilhas de combustível podem ser categorizadas de acordo com o material do electrólito e, consequentemente, com as aplicações de baixa media ou alta temperatura. Apesar das elevadas temperaturas de funcionamento das MCFC e SOFC resultarem em eficiências termodinâmicas mais baixas, uma melhor cinética, bem como a opção de se utilizar os gases de escape com elevada temperatura, compensam esse facto. As pilhas de hidrogénio de elevadas temperaturas oferecem ainda a vantagem da reformação interna, em que o calor produzido na reacção electro química é simultaneamente usado por 14
  • 17. Tarefa B1.1 reformar Gás Natural ou outros combustíveis em hidrogénio dentro da chaminé, diminuindo o esforço de arrefecimento requerido já que mais eficientemente se usa o calor. Outra característica das pilhas de combustível de alta temperatura reside no facto de não necessitar de níveis de pureza tão elevados do combustível. As pilhas de hidrogénio de alta temperatura apresentam eficiências na ordem dos 50% existindo inclusivamente projectos de demonstração na Holanda. Espera-se que no futuro, juntando pilhas de combustível (SOFC) a turbinas a gás, usando o calor dos gases de escape, seja possível atingir eficiência na ordem dos 60%. Também as pilhas de hidrogénio da tecnologia MCFC podem ser acopladas a turbinas de vapor com eficiências energéticas um pouco inferiores. Por tudo isto, são as pilhas de hidrogénio de elevadas temperaturas as mais indicadas para aplicações estacionárias. No que diz respeito às tecnologias PAFC e PEMFC, estas incluem-se na categoria de baixa temperatura de funcionamento. Estas requerem um processamento do combustível mais complexo pois só podem funcionar com hidrogénio molecular puro. Assim sendo, neste tipo de pilha é necessário um reformador para converter o combustível primário em hidrogénio. Finalmente, no que diz respeito à tecnologia AFC, estas foram desenvolvidas no âmbito da investigação espacial. O seu elevado custo de produção tem levado a algum atraso no seu desenvolvimento 3.1.1. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PEMFC E DMFC As células de combustível com membrana de permuta iónica PEMFC (CCMPI em português), possuem este nome devido à membrana polimérica especial usada como electrólito. O combustível mais usado é hidrogénio puro (Kordesch et al, 1996). Estas células podem usar combustíveis alternativos, que são previamente convertidos em hidrogénio, nomeadamente o metanol, etanol, metano, etc (Cappadonia et al, 2000). O único produto líquido resultante é a água, evitando-se assim problemas de corrosão. A membrana mais usada é constituída por Nafion, que quando humidificada conduz protões do ânodo para o cátodo. Devido à exigência de humidificação as temperaturas de operação deste tipo de células são relativamente baixas (inferiores a 100 ºC), mesmo trabalhando sob pressão (Hoogers, 2003). Como as temperaturas de operação são baixas, é necessário o uso de um catalisador para aumentar a velocidade da reacção. O catalisador usado é a platina, em pequenas quantidades, representando o seu custo uma pequena parte do custo total 15
  • 18. Tarefa B1.1 da célula. A platina usada para estas temperaturas é altamente sensível ao envenenamento pelo CO e tolera o CO2 (Joon, 1998). As PEMFC não têm problemas de corrosão, têm um processo de fabrico simples e permitem trabalhar a elevadas densidades de corrente. Existe uma variante deste tipo de células, que são as células com alimentação directa de metanol (DMFC). Em termos de transporte e armazenamento, este combustível apresenta grandes vantagens sobre o hidrogénio: é líquido à temperatura ambiente, podendo ser facilmente transportável e armazenado (Hirshenhofer et al., 1998). Os principais problemas desta célula são o facto de o metanol se difundir através da membrana do ânodo para o cátodo e as perdas electroquímicas no ânodo. Estes dois factores diminuem a eficiência da célula. Estes inconvenientes poderão ser ultrapassados através de uma investigação mais profunda sobre este assunto, tornando-se esta célula particularmente útil para aplicações portáteis e meios de transporte (Larminie, 2002). Em seguida apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo para as PEMFC (respectivamente (0.1) e (0.2)). Reacções PEMFC H 2 ( g ) → 2 H + (aq ) + 2e − (0.1) 1 O2 ( g ) + 2 H + (aq ) + 2e− → H 2O(l ) (0.2) 2 Por outro lado para as DMFC as reacções que se dão no ânodo e no cátodo são respectivamente (0.3) e (0.4). Reacções DMFC CH 3OH (aq ) + H 2O(l ) → CO2 ( g ) + 6e − + 6 H + (aq ) (0.3) 3 6 H + (aq ) + 6e − + O2 ( g ) → 3H 2O(l ) (0.4) 2 16
  • 19. Tarefa B1.1 3.1.2. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL AFC As células de combustível alcalinas (AFC), foram o primeiro tipo de células a aparecer, têm uma das histórias mais longas de todos os tipos de células de combustível, tendo sido desenvolvidas como um sistema de trabalho pelo investigador pioneiro F.T. Bacon desde 1930. Esta tecnologia foi muito desenvolvida nos programas espaciais Gemini e Apollo e foi um passo chave para colocar o homem na Lua. Nestas células, o electrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH para temperaturas elevadas e menos concentrada para temperaturas inferiores (Larminie, 2002). As CCA apresentam um grande problema, que é a adsorção do CO2 pelos electrólitos alcalinos usados (NaOH, KOH), o que eventualmente reduz a condutividade do electrólito. Sendo assim, não pode ser usado como combustível hidrogénio impuro contendo CO2 e o ar tem de ser limpo de modo a não conter CO2 (necessária a utilização prévia de um oxidante). O problema das velocidades de reacção baixas (baixas temperaturas), é superado usando eléctrodos porosos, contendo platina e operando a pressões elevadas. Devido a estes inconvenientes, as AFC apenas conseguiram conquistar alguns mercados especiais, tal como as aplicações espaciais. Algumas tentativas comerciais foram feitas para mudar tal facto, como foi o caso da ZETEK/ZEVCO que utilizou este tipo de célula nos táxis de Londres e em camiões, e a ETAING GmbH que utilizou este tipo de células em navios (Hoogers, 2003). A grande vantagem das células AFC é o seu preço, são bastante baratas. Tal facto ajuda a que esta tecnologia penetre num mercado altamente especializado para sistemas de propulsão em recinto fechado, como veículos de transporte nos aeroportos, ou em vários segmentos no sector dos equipamentos portáteis (Hoogers, 2003). Abaixo apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente (0.5) e (0.6)). Reacções AFC H 2 ( g ) + 2OH − (aq ) → 2 H 2O(l ) + 2e− (0.5) 1 O2 ( g ) + H 2O(l ) + 2e − → 2OH − (aq ) (0.6) 2 3.1.3. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PAFC 17
  • 20. Tarefa B1.1 As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC, ou CCAF em português) foram desenvolvidas para o mercado de geração de energia de média escala. Foram as primeiras células produzidas comercialmente, existindo muitas unidades de 200 kW instaladas na Europa e nos Estados Unidos (Larminie, 2002). As PAFC operam a uma temperatura de 200 ºC usando como electrólito o H3PO4 fundido. Este electrólito é relativamente estável quando comparado com outros ácidos comuns. Assim, as PAFC podem produzir energia eléctrica a temperaturas elevadas. Além disso, o uso de um ácido concentrado facilita a gestão da água na célula uma vez que minimiza a pressão de vapor da água. O suporte utilizado para o ácido é o carboneto de silício e o catalisador é a platina (Kordesch e Simader, 1996). Porém, em comparação com as duas células de combustível a baixa temperatura (AFC, PEMFC), as PAFC apenas atingem densidades de corrente moderadas. Estas células também são sensíveis ao envenenamento pelo CO e são tolerantes no que diz respeito ao CO2 (Joon, 1998). Em seguida apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente (0.7) e (0.8)). Reacções PAFC H 2 ( g ) → 2 H + (aq ) + 2e − (0.7) 1 O2 ( g ) + 2 H + (aq ) + 2e− → H 2O(l ) (0.8) 2 3.1.4. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MCFC As células de carbonato fundido (MCFC) funcionam na gama de temperaturas de 600-700 ºC e utilizam como electrólito uma combinação de carbonatos alcalinos (Na, K, Li) estabilizados num suporte de LiAlO2. A altas temperaturas, os carbonatos alcalinos formam um sal que possui uma alta condutividade de iões carbonato. Como catalisador pode-se usar o níquel no ânodo e óxido de níquel no cátodo, não sendo necessário o uso de metais nobres (Hirschenhofer et al., 1998). Apesar desta aparente simplicidade e funcionalidade, o problema reside na natureza do electrólito, que é extremamente corrosivo. Abaixo apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente (0.9) e (0.10)). 18
  • 21. Tarefa B1.1 Reacções MCFC H 2 ( g ) + CO32 − → H 2O( g ) + CO2 ( g ) + 2e− (0.9) 1 O2 ( g ) + CO2 ( g ) + 2e− → CO32 − (0.10) 2 3.1.5. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SOFC As células de combustível de óxido sólido (SOFC) funcionam na gama de temperaturas de 600-1000 ºC e utilizam como electrólito um metal óxido sólido e não poroso, usualmente Y2O3 estabilizado em ZrO2. Tipicamente o ânodo é Co-ZrO2 ou Ni-ZrO2 e o cátodo é Sr-LaMnO3. Em seguida apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente (0.11) e (0.12)). Reacções SOFC H 2 ( g ) + O2 − → H 2O(l ) + 2e− (0.11) 1 O2 ( g ) + 2e− → O 2− (0.12) 2 Estes dois últimos tipos de células de combustível (óxido sólido e carbonato fundido), que funcionam a altas temperaturas, são principalmente utilizadas para potências elevadas (da ordem dos MW), em sistemas estacionários de conversão energética. Nestes sistemas o electrólito consiste em materiais de transporte de aniões, como O2- e CO32-, que são os portadores de carga. Estes dois tipos de células de combustível têm duas vantagens principais sobre as células de baixa temperatura. A primeira vantagem é de poderem alcançar altos rendimentos energéticos, cerca de 60 % dos protótipos alcançam rendimentos superiores a 45 %. Isto torna-as particularmente atractivas para a geração eficiente de energia estacionária (Hoogers, 2003). A segunda vantagem são as altas temperaturas de operação, que permitem o uso de combustíveis com misturas de H2/CO, de modo que o necessário processo de conversão do combustível pode acontecer na própria célula. Isto reduz a complexidade destes sistemas quando comparados com os sistemas que possuem células que operam a baixas temperaturas e requerem a geração de hidrogénio como um passo prévio adicional. Existe também a possibilidade de integração destas células em ciclos de turbinas a vapor ou a gás. 19
  • 22. Tarefa B1.1 O facto das células de combustível a altas temperaturas não poderem ser facilmente desligadas é aceitável para o sector estacionário, mas provavelmente só aplicável para este tipo de sectores (Hoogers, 2003), dada a sua inércia de funcionamento. 3.2. LEVANTAMENTO – DA INFORMAÇÃO DISPONIBILIZADA PELOS FORNECEDORES MODELOS COMERCIALIZADOS No âmbito da presente tarefa foi efectuado um levantamento de informação quanto aos modelos actualmente comercializados e quanto aos estados actuais de desenvolvimento dos diferentes tipos de células de combustível. Da pesquisa efectuada concluiu-se que consoante a aplicação desejada quer o tipo de célula quer o tipo de combustível é diferente. Consequentemente a rede de fornecedores será igualmente diferente. Para pequenas aplicações estacionárias: • Células a Combustível de 0.5 kW a 10 kW • Pequenos equipamentos portáteis: computadores portáteis e telemóveis • Mercado residencial, comercial e serviços, com funções de fornecimento de energia ininterrupta • 80 empresas no mundo inteiro, • 900 pequenos sistemas estacionários em funcionamento • Maioria dos sistemas nesta área utiliza a tecnologia de célula a combustível PEMFC (Membrana de permuta de Protões). As SOFC (célula a combustível de Óxido Sólido) também começam a surgir neste mercado. • O combustível preferido para estas aplicações é o gás natural e propano e o metanol para as PEMFC (que de facto passarão a ser DMFC); • Actualmente este mercado não pode trazer um retorno atractivo, pois além dos preços estarem muito altos, a vida útil destas primeiras gerações ainda não são satisfatórias (é necessário uma durabilidade de 5 anos),neste momento apenas duram pouco mais de 1 ano; • Nas áreas comercial e de serviços (telecomunicações, bancos, etc.), o sistema de reserva de energia, tem-se revelado um mercado de aplicação interessante, necessitando apenas um regime de funcionamento esporádico (Axane e Plug Power). 20
  • 23. Tarefa B1.1 • Cerca de 80% dos fabricantes nestas aplicações estão nos (EUA); • Os custos são superiores a 4000 €/kW Para Grandes aplicações estacionárias: • De entre todas, é a aplicação mais testada e investigada nos últimos 30 anos • Nos últimos 2 anos existem muitos casos de sistemas de demonstração • Potência de saída de 10 kW, embora a média seja próxima de 200kW • As menores são MCFC de 250kW e as maiores de PAFC com 11MW. • Existem 650 sistemas construídos e em operação no mundo inteiro • competem neste mercado as tecnologias SOFC e MCFC, ocupando o espaço que • pertencia às PAFC (CC de Ácido Fosfórico) • As aplicações com MCFC e a SOFC, são tecnologias de alta temperatura de operação e com alta eficiência, onde o calor rejeitado pode ser aproveitado e/ou ser integrado a uma turbina a gás. Utilizam módulos de 250kW • As PEMFC é outra das tecnologias emergentes nesta área de aplicação, mas com módulos mais pequenos 75kW. As empresas envolvidas são Ballard Power e Nuvera. • Vários combustíveis são utilizados como fonte de hidrogénio (gás natural, etanol, biogas, metano da fermentação, metano do carvão mineral) • As principais instalações de células a combustível estacionárias acima de 10kW estão no Japão e na América do Norte, principalmente nos EUA • A Alemanha lidera o mercado europeu com 60% da capacidade instalada (o maior sistema é de 200kW) Depois de caracterizadas estas diferenças procedeu-se à recolha e sistematização da informação disponibilizada pelos fornecedores de células de combustível. Para tal começou-se por seleccionar uma série de fornecedores e, a partir dessa listagem procurar a informação disponível para os diferentes tipos de células de combustível. Os fornecedores foram escolhidos com base em informações disponibilizadas por outros promotores de projectos de demonstração. De todas os existentes foram escolhidos os que, para além de terem sido 21
  • 24. Tarefa B1.1 recomendados, apresetavam uma maior informação e uma maior experiência no fabrico e desenvolvimento deste tipo de tecnologia. Fornecedores seleccionados: • Astris, Energi Inc. (Canadá) www.astris.ca • EFOY (Alemanha) www.smartfuelcell.de • H2 Industrial (Dinamarca) www.h2industrial.com • ElectroChem, Inc. (EUA) www.fuelcell.com • Toshiba International Fuel www.toshiba.co.jp/product/fc/fce/ Cells, Inc. (Japão) www.plugpower.com • Plug Power(EUA – Holanda) www.nuvera.com • Nuvera (EUA – Itália) www.fce.com • Fuel Cell Energy (EUA) www.ztekcorp.com • ZTEC Corporation (EUA) www.ballard.com • BALLARD (Canadá) www.h2economy.com • H2 Economy (Arménia) • Ceramic Fuel Cells Limited www.cfcl.com.au (Austrália) www.delphi.com • DELPHI (EUA) www.htceramix.ch • HT Ceramix (Suiça) www.axane.fr • Axane (França) • Fuji Electric Company, Ltd. www.fujielectric.co.jp/eng/ (Japão) www.acumentrics.com • Acumentrics (EUA) www.utcpower.com • UTC Power (EUA) www.powergeneration.siemens.co • Siemens (Alemanha) m 22
  • 25. Tarefa B1.1 3.2.1. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PEMFC E DMFC As características das células de combustíveis PEMFC e DMFC comercializadas são apresentadas de seguida. Fornecedor NUVERA A Nuvera comercializa um módulo de nova geração de pilhas de combustível PEM, denominado PowerFlowTM. Em resposta às necessidades do mercado, PowerFlow é uma pilha combustível completa, inteiramente automatizada e projectada para ser instalada em veículos e equipamentos industriais. Caracteristicas técnicas Potência eléctrica de saída …................................. 0 a 5,0 kW Tensão................................................................... 36 ou 48 VDC Eficiência eléctrica………....................................... 52 % Volume....................................................................81 l Combustível............................................................ Hidrogénio Exhaust Emissions................................................... Vapor Água Operating Temperature........................................... 0ºC a 35ºC Nível de ruído.......................................................... 66 dBA Figura 1 – Pilha de combustível PowerflowTM 23
  • 26. Tarefa B1.1 Fornecedor BALLARD Este fornecedor comercializa pilhas de combustível tipo PEM por forma a responder à procura do mercado por células de elevada eficiência e durabilidade. Os modelos de seguida apresentados são os comercialmente denominados por Mark 902 e Mark 1030. O modulo de células de combustível Mark 902 pertence à quarta geração de células de combustível da BALLARD e foi projectado especificamente para a utilização em veículos de passageiros e permite obter uma potência máxima de 85 kW em funcionamento continuo. Este módulo (Mark 902) permite igualmente obter configurações que debitam potências eléctricas compreendidas entre 10 kW e 300 kW dependendo do tipo de utilização e dos requerimentos do projecto. Figura 2 – Pilha de combustível MARK 902 Caracteristicas técnicas: Tipo de célula: PEM Desempenho : 85 kWe contínuos Corrente eléctrica: 300 Amps1 Tensão DC: 284 Volts2 Combustível : Hidrogénio Oxidante : Ar Temperatura de operação (nominal): 80°C Pressão nominal de combustível: 1 a 2 barg Pressão nominal do ar: 1 a 2 barg Dimensões: 805 x 375 x 250 mm Peso: 96 kg Volume: 75 litros 24
  • 27. Tarefa B1.1 Um outro produto comercializado é a pilha de combustível Mark1030 que utiliza um liquida refrigerante. Em anexo à célula, um dispositivo de monitorização da tensão da pilha é fornecido. As características desta pilha são as seguintes: Características técnicas: Tipo de célula: PEM Desempenho : 13200 kWe Corrente eléctrica: 35 Amps1 Combustível: Gás rico em Hidrogénio (>72% H2) e com < 10 ppm CO Oxidante: Ar filtrado Temperatura armazenamento: 0 a 40°C Temperatura arranque: > 0 °C Humidade relativa: 90 a 110% Dimensões : 430 x 171 x 231 mm Peso 20,5 kg Volume 17 litros Figura 3 – Pilha de combustível MARK 1030 Fornecedor EFOY 25
  • 28. Tarefa B1.1 A EFOY comercializa células de combustível com alimentação directa de metanol (DMFC) capaz de fornecerem 600, 1200, 1600 Wh de energia . A série comercializada de células de combustível consiste em três modelos: A EFOY 600 que fornece uma energia eléctrica de 600 Wh por dia, O EFOY 1200 que fornece uma energia eléctrica de 1.200 Wh por dia, sendo o sucessor directo da célula combustível SFC A50. O EFOY 1600 é, por sua vez o modelo apropriado para procuras de energia mais elevada, capaz de fornecer 1600 Wh de energia eléctrica por dia, uma corrente até 130 A-hora. O seu peso é de 7,5 kg e o seu tamanho é de 43.5 x 20.0 x 27.6 cm. Todas as células combustíveis de SFC operam com cartuchos de combustível próprios para este tipo de células, um método seguro e conveniente de alimentar a pilha. Os cartuchos são normalizados de acordo com padrões técnicos alemães. Com um único M10 cartucho de 10 litros é possível gerar mais de 600 A-hora de electricidade. Os recipientes de maior capacidade estão disponíveis a pedido do cliente. Figura 4 – Pilha de combustível EFOY 1600 Fornecedor H2 Industrial A pilha da célula combustível com alimentação directa de metanol (DMFC) comercializada pela H2 Industrial consiste num conjunto de 15 unidades de células electricamente ligadas em série. Cada unidade da pilha é alimentada com metanol e ar através de um distribuidor gás/ líquido. Cada célula consiste numa placa bipolar de fluxo e de uma MEA. A MEA (membrane electrode assembly) é o conjunto formado pelos eléctrodos, placas de carbono e a membrana polimérica. A membrana tem neste caso uma área activa de 90 cm2. Descrição técnica: Saída eléctrica 100 W, máximo 150 W Corrente da pilha 18 A Tensão da pilha 6 W 26
  • 29. Tarefa B1.1 Eficiência 35% Número de células ligadas em série: 15 Dimensões da pilha: 145 mm x 145 mm x 163.5 mm Peso da pilha 4 kg Fonte de combustível metanol de 1.0 M ° Figura 5 – Pilha de combustível DMFC da H2 industrial. Fornecedor H2 economy Este fornecedor apresenta a comercialização de uma série de pilhas de combustível denominado por ProFC™ . As pilhas de combustível são compostas por 1 a 10-células produzindo assim de 12 a 100 W de potencia eléctrica com uma tensão 0,6 a 6,0 V. Usado juntamente com um conversor AC-DC, consegue-se alimentar aplicações como por exemplo computadores portáteis. 27
  • 30. Tarefa B1.1 Figura 6 – Pilhas de combustível ProFCTM. Fornecedor axane A série de pilhas de combustível comercializada (Comm PacTM Base) pode fornecer energia eléctrica de um modo contínuo e a sua acção pode ser complementada com o auxílio de energias renováveis tais como energia solar e eólica. Características técnicas: Tipo de célula PEM Gama de potência De 0,5 a 10 kW (1 a 2 módulos) Capacidade de sobrecarga De 5 a 20 kW (dependendo da configuração) Voltagem 110V AC / 60 Hz 230 V AC / 50 Hz 48 V DC Saída Sinusoidal THD1 < 5 % com carga resistiva Poluição sonora 45 dba a 1 m Peso 60 kg sem hidrogénio Dimensão 150x170x210 cm Máxima potência Transiente instantâneo Temperatura de 55 °C a 70 °C armazenamento 28
  • 31. Tarefa B1.1 Temperatura de operação -40 °C a 45 °C Figura 7 – Pilhas de combustível Comm PacTM. Fornecedor Plug Power A Plug Power comercializa sistemas de pilhas de combustível (PEM). A sistemas disponíveis pertencentes à série GenCore fornecem energia eléctrica com tensões de 48Vdc ou 120Vdc consoante o modelo. O combustível de alimentação é o Hidrogénio. Características dos produtos 5B48 R5U120 Desempenho Taxa de produção 0 a 5000 W 0 a 5000 W liquida 125,9 a 136,2 Voltagem ajustável 46 a 56 VDC (48) VDC (120) Gama de operação da 125,9 a 139,8 42 a 60 VDC voltagem VDC Gama de operação da 0 a 109 A 0 a 39.9 A intensidade de corrente Combustível 99,95 % em base 99,95 % em base Hidrogénio gasoso seca seca 80 +/- 16 psig (5,5 80 +/- 16 psig (5,5 Pressão de alimentação +/-1.1 bar) +/-1.1 bar) Composição 40 l/min a 3000 W 40 l/min a 3000 29
  • 32. Tarefa B1.1 W 75 l/min a 5000 75 l/min a 5000 W W Operação Temperatura ambiente -40 ºC a 46 ºC -40 ºC a 46 ºC 0 % a 95 % (não 0 % a 95 % (não Humidade relativa condensados) condensados) -197 ft a 6000 ft 197 ft a 6000 ft Altitude (-60 m a 1829 m ) (-60 m a 1829 m ) 44” a 26” W x 44” a 26” W x 24” Propriedades Dimensões 24” D (112 x 66 x 61 D (112 x 66 x 61 cm) físicas cm) Peso 500 Lbs (227 kg) 500 Lbs (227 kg) Segurança Certificação FOC Classe A FOC Classe A 1,75 l/min Emissões Água 1,75 l/min máximo máximo CO, CO2, NOx, SO2 < 1 ppm < 1 ppm Ruído 60 dBA @1m 60 dBA @1m Figura 8 – Pilhas de combustível Gen Core. Fornecedor Electro Chem, Inc. 30
  • 33. Tarefa B1.1 As pilhas de combustível da ElectroChem são fabricadas de modo a terem níveis elevados de usabilidade e fiabilidade. A pilha EFC50-ST pode operar sem humidificação externa a pressões superiores a 3 atm. A versatilidade destas pilhas permite que sejam alimentadas com H2 e O2, ou com ar não sendo necessária a re-circulação de gases. As potências eléctricas fornecidas estão entre: 10 e 20 W por célula. Figura 9 – Pilhas de combustível Gen Core. 3.2.2. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SOFC Fornecedor Ceramic Fuel Cells Limited A Ceramic Fuel Cells Limited é uma das principais companhias principais do mundo no desenvolvimento contínuo da célula combustível de alta temperatura (SOFC), tendo projectado uma pilha SOFC de 1kW e a partir dela produziu um sistema de produção de energia eléctrica e calor a partir de uma pilha combustível do óxido (SOFC) (CHP) denominado Net~Gen. A Net~Gen é uma unidade pré-comercial da demonstração, que permite avaliar o potencial do dispositivo. Estes testes de campo permitem explorar mais o potencial da produção eficiente e limpa de electricidade a partir dos sistemas micro-CHP com SOFC, tais como a Net~Gen. A Ceramic Fuel Cells Limited está a produzir quantidades limitadas deste tipo de unidades. Características técnicas 31
  • 34. Tarefa B1.1 Energia eléctrica 1kW Calor 1 kW ≈ 40 % Eficiência eléctrica ≈ 80 % Eficiência total Voltagem – 1 ph 220/240 VAC 50 Hz Dimensões 700x600x1200 mm Peso 150 kg Figura 10 – Unidade Net-Gen. Para além das células de combustível e respectivos sistemas combinados de produção de electricidade e calor, a Ceramic Fuel Cells Limited desenvolveu também uma estação de teste Esta estação de teste é constituída por plataforma funcional e versátil que contém o equipamento essencial tal como unidade da aquisição de dados (DAQ), controlo de caudais, sistema de humidificação do combustível e sistema total de segurança para a unidade. . Fornecedor Delphi O fornecedor DELPHI tem neste momento uma unidade de demonstração de células de combustível SOFC denominado SECA. 32
  • 35. Tarefa B1.1 Esta unidade produziu 4,24 kW de potência eléctrica quando alimentado a metano, apresentado uma eficiência eléctrica de 37 por cento. Os resultados dos testes de durabilidade mostram uma degradação de apenas 7% em 1.500 horas da operação. Figura 11 – Unidade SECA. Fornecedor ZTEC Corporation O fornecedor ZTEC comercializa um produto denominado de EHVAC™ que usa um sistema da células de combustível SOFC juntamente com um chiller de absorção, sendo um sistema eficiente de produção de electricidade, calor e ventilação (EHVAC™). Esta configuração utiliza de forma eficiente a exaustão das células SOFC para aquecer ou refrigerar um edifício. Para a Cogeração o gás natural alimenta o reformador, onde é convertido a hidrogénio e a monóxido de carbono antes de ser alimentada nas células combustíveis. As reacções electroquímicas entre o combustível e o ar ocorrem no interior das células combustíveis e produzem electricidade. A exaustão quente da célula combustível é então conduzida ao chiller. 33
  • 36. Tarefa B1.1 Figura 12–Sistema EHVAC. Fornecedor HT Ceramix A unidade de demonstração HoTbox™ é um sistema completo de demonstração de uma pilha de combustível (SOFC) com potência de 500W. O sistema inclui também um isolamento contra as baixas temperaturas, os controlos, um computador pessoal integrado num painel com software dedicado, uma bateria ácida de ligação. O sistema funciona com hidrogénio ou gás de reformação, e a pilha opera a uma temperatura de 750°C. Este sistema é inteiramente autónomo e está equipado com uma bateria para o arranque independente. Foi projectado de forma a garantir uma fácil acessibilidade da pilha para manutenção. A unidade de demonstração HoTbox™ é ideal para os clientes que pretendam ter uma unidade de SOFC para mostrar as sua potencialidades, ou para aqueles interessados em testar o HoTbox™ num sistema já existente. 34
  • 37. Tarefa B1.1 Figura 13 – Unidade Hotbox. O combustível usado é o hidrogénio ou gás rico em hidrogénio proveniente da reformação e a potência eléctrica fornecida é de 0.5 a 2 kW. Fornecedor Siemens Devido à necessidade de desenvolvimento e melhoria de desempenho do produto e, sobretudo, a redução de custo uma nova série de geradores de energia foi desenvolvida. A eficiência elevada e o aspecto ecológico das células combustíveis SOFC foram já bastante estudadas pela Siemens Power Generation para aplicações estacionárias. A validação do produto e a redução de custo são agora objectivos principais para o mercado das aplicações estacionárias. O objectivo fundamental deste estudo de sistemas denominados SECA é desenvolver um SOFC revolucionário que possa ser fabricado em grande escala para uma grande variedade de aplicações com um custo mais baixo em relação aos componentes actuais. A fim de atingir estes objectivos, a pesquisa em novos materiais está a decorrer. Existe então a expectativa de começar a produzir produtos de pequena escala de SOFC operando com gás natural ou em combustíveis líquidos disponíveis, tais como o querosene ou o diesel. 35
  • 38. Tarefa B1.1 Existe actualmente já um produto pré-comercial da Siemens Power Generation denominado SFC-200. Consiste num sistema SOFC de cogeneração com potência de 125 kW, alimentado a gás natural à pressão atmosférica, com eficiência eléctrica de 44-47% na potência nominal. Uma eficiência total de >80% é esperada. Figura 14 –Sistema SFC-200. Para além do produto acima descrito foi efectuada uma extensa pesquisa, por parte da Siemens Power Generation, no desenvolvimento de um protótipo de 5 kW que operasse com gás natural, baseados em pilhas tubulares da Siemens power generation. Como resultado dessa pesquisas e de um acordo cooperativo com a empresa Fuel Cell Technologies (FCT), a Siemens Power Generation é actualmente o fornecedor de um sistema de geração de energia eléctrica e calor com tecnologia SOFC de potência 5 kW a operar com gás natural. Figura 15 – Sistema FCT 5 kW SOFC. Fornecedor Acumentrics Este fornecedor comercializa os modelos RP-SOFC-5000 (5 kWe) e o RP-SOFC-10000 (10 kWe). 36
  • 39. Tarefa B1.1 As pilhas de combustivel RP-SOFC podem ser alimentadas directamente com gás natural, propano ou outros combustíveis similares. Isto permite eficiências eléctricas que variam entre 40%-50%. A alta temperatura de operação permite aproveitar o calor gerado pela pilha aumentando a eficiência global para valores acima dos 75%. Características técnicas: RP-SOFC-5000 [RP-SOFC-10000] Saída eléctrica: Potência de saída da SOFC: 5 kW / 5 kVA [10 kW / 10 kVA] Tensão de saída: 120/240 V AC mono-fásicos Corrente eléctrica: 31 amps [62 amps] Tempo de arranque: Aquecimento de 10-30 min Combustivel usado: Tipos de combustível: gás natural, metano (standard) propano, etanol, metanol e hidrogénio (opcional) Dimensões: 68” L x 36” W x 60” H [68” L x 36” W x 72” H] Peso: < 1,200 lbs [< 1,500 lbs] Temperatura de operação: -20 a 120 degF Emissões acústicas: 65 dBA Manutenção: Filtro de entrada do ar: Limpeza anual Filtro de enxofre: Mudar após 9000 horas de operação Garantia: Um ano. Figura 16 – Pilha RP-SOFC-5000. 37
  • 40. Tarefa B1.1 3.2.3. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL AFC Fornecedor Astris, Energi Inc. A POWERSTACK™ MC250 comercializada pela Astris é uma pilha monopolar, com células de combustível alcalinas. Este produto é modular, permitindo obter potências na gama dos 300 W - 10 kW. Com a eliminação da platina e o uso de um electrólito barato, a POWERSTACK™ MC250 tem um custo muito mais baixo do que outras células combustíveis de baixa temperatura. O uso do hidróxido de potássio como um electrólito permite que o POWERSTACK™ MC250 opere a temperaturas inferiores a 0ºC. Com a baixa temperatura de operação e nenhuma exigência de humidificação para o arranque, a MC250 tem um tempo de arranque rápido. As pilhas operam com o hidrogénio e o ar, à pressão atmosférica. Figura 17 – Pilha POWERSTACKTM MC250. A LABCELL 200 é uma pilha de células de combustível alcalinas de tamanho médio, apropriada para demonstração laboratorial. O LC200 pode ser completamente desmontada e remontada a fim de se poder observar os seus componentes, tais como o cátodo e o ânodo. As pilhas têm potências de saída até 240 W. Operam com o hidrogénio e o ar, à pressão atmosférica. 38
  • 41. Tarefa B1.1 Figura 18 – Pilha LABCELL 200. A última geração de pilhas AFC correspondente à série POWERSTACKTM MC 250 apresenta melhorias significativas na densidade energética e sistemas de controlo inteligentes que requerem uma intervenção mínima do utilizador. De referir o Modelo Portátil E8 com uma potência de 2,4 kW adequado parar uma série de aplicações portáteis e estacionárias. Figura 19 – Modelo E8 - POWERSTACK™ MC250. Este modelo apresenta uma potência nominal de 2,4 kW e fornece 48 VDC de energia eléctrica com 50 amp de corrente. Este modelo contém duas pilhas POWERSTACK™ MC250- 1200W. Esta unidade é alimentada por um reservatório externo de hidrogénio armazenado numa gama de pressão entre 6-200 bar. À potência nominal, o consume de combustível é de 1600 litros/hora. A eficiência eléctrica do modelo é de 50%.A unidade completa é completa por um sistema que inclui um micro processador que efectua o controlo de toda a operação. Modelo E8 Gerador portátil AFC Desempenho Potencia Nominal 2,4 kW 39
  • 42. Tarefa B1.1 Voltagem nominal 48 +10/-4V DC Intensidade de corrente nominal 50 A Máxima intensidade de corrente 60 A Pilhas de combustível 2 x MC250 -1200W Tempo útil de vida 2000h Combustível Hidrogénio Consumo de hidrogénio (à 1,6 Nm3/h potencia nominal) Pressão de alimentação 6 -200 bar (100 – 3000 psi) Armazenamento do combustível Externo Electrólito 8 M KOH Eficiência do sistema > 50 % Tempo de arranque < 3 min (48 VDC instantâneo) Ambiente Temperatura ambiente 0 - 40 ºC Humidade relativa 5 – 95 % Geral Dimensões 72 x 61 x 61 cm (58,5 x 24 x 24 in) Peso 125 kg (275 lbs) 3.2.4. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PAFC Fornecedor UTC Power UTC Fuel Cells, formerly ONSI, localizada no South Windsor, Connecticut, comercializa um sistema de célula de combustível: a estação 200-kW PC25™ PAFC. A célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC): usa ácido fosfórico líquido como electrólito. A estação PureCell™ 200, é produzida desde 1991, é uma estação PAFC. A PureCell™ 200 é altamente eficiente – eficiência total de 85% é atingida quando o calor produzido pela célula combustível é usado para a co-geração. As estações PAFC têm geralmente grandes dimensões, são pesadas e requerem um tempo de aquecimento. Dadas estas características as estações PACF são usadas principalmente em aplicações estacionárias. 40
  • 43. Tarefa B1.1 Figura 20 – Estação PureCell™ 200 O sistema PureCell™ é limpo, eficiente e uma estação de células de combustível de confiança. Produz 200 kW de energia e cerca de 900.000 Btu/hr de calor para aplicações combinadas de calor/energia. A solução base do sistema PureCell™ 200 é uma unidade que funciona ligada à rede e opera em paralelo com esta. Pode-se ainda optar por uma configuração de dupla modalidade, que permite à unidade operar ligada à rede ou independente da rede, mudando de modalidade automaticamente ou por comando. Características • Emissões baixas (melhores que CARB 07) • Baixo perfil sonoro (60 dBA) • Eficiências energéticas superiores a 90% • Funcionamento com gás natural ou gás proveniente de digestores anaeróbicos Fornecedor Fuji Electric Company, Ltd. A Fuji Electric Company, Ltd constrói e comercializa a FP-100, uma estação PCAF de 100kW. Fornecedor Toshiba International Fuel Cells, Inc. 41
  • 44. Tarefa B1.1 Central de produção de energia a pilha de combustível de 200kW: Pc25TMC Esta central fornece energia limpa, fiável para hospitais, escritórios, hotéis, trabalhos industriais por todo o Mundo. Situada dentro ou fora das instalações, no telhado ou na cave, as pilhas de combustível geram energia perto dos elementos a alimentar, portanto não existem preocupações de maior em termos de baixa voltagem, limitações de carga, qualidade e fiabilidade. Características de PC25TMC Baixo custo Compacta e leve Fiável Não - poluente Múltiplos combustíveis Várias opções, incluindo a operação remota do sistema Colocação flexível Características 200 kW (AC, NET) Voltagem saída/ frequência 400V (50Hz), 480V (60Hz) Eficiência eléctrica 40% (LHV, AC, NET) Eficiência de energia 41% (LHV)/ 60ºC água térmica/temperatura quente Gás natural (43Nm3/h) Consumo de combustível Emissões NOx: < 5ppm; SOx: desprezável Ruído Próximo de 60dB a 10m da instalação Qualidade: água pura; Águas residuais Quantidade: próximo de 0 Qualidade: água da rede ou Forneciment água pura Forneciment o água Quantidade: perto de 0 o Forneciment Quatro (4) cilindros contendo 7Nm3 para um ciclo o azoto Módulo 5,5m x 3,0m x 3,0m/ fornecimento Dimensões/ 18,2tons energia peso Módulo 4,1m x 1,3m x 1,2m/ arrefecimento 0,7tons Instalação Interior ou exterior Funcionamento/ Interface Automático, funcionamento 42
  • 45. Tarefa B1.1 eléctrica autónomo/ ligação à rede Opções Recuperação térmica Água alta temp. (90~120ºC) + água quente (60ºC) Propano (LPG) Combustível Gás proveniente de digestores anaeróbicos Ligação à rede/ independente da rede Interface eléctrica Fornecimento DC Monitorização de performance e diagnóstico Monitorização remota Manutenção Frequência Item Duração Manutenção durante a A cada 3000 horas de + Limpeza de filtros 1 dia operação funcionamento + Substituição de resina WTS + Bombas de serviço Manutenção anual Anualmente + Inspecção/ limpeza permutadores calor e Aproximadamente 4 dias tanque + Substituição CSA Inspecção A cada 5 anos + Substituição catalisadores Figura 21 – Estação PureCell™ 200 3.2.5. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MCFC Fornecedor Fuel Cells Energy 43
  • 46. Tarefa B1.1 Fuel Cell Energy é vista como a principal empresa de desenvolvimento de tecnologia de MCFC. A empresa comercializa estações com uma gama de potências de 250 kW a 1000 kW as quais designa por Direct Fuel Cell™. Modelo DFC® 300A – 250 kW Figura 22 – Modelo DFC® 300A. Dimensões: Altura 10,5 in Largura 9 in Comprimento 28,1in Emissões: NOx < 0.3 ppmv SOx <0.01 ppmv CO <10 ppmv VOC <10 ppmv Calor Disponível Temperatura de Exaustão ≈ 650° F Caudal de Exaustão 3,000 lbs/hr Calor disponível de exaustão 300,000 Btu/hr Características: Potência: 250 kW Tensão: 480 VAC, 50 ou 60 Hz Possibilidade de geração combinada de electricidade e calor Sistema modular Reformação interna do combustível 44
  • 47. Tarefa B1.1 Poucas partes móveis Sistema compacto Flexibilidade de combustível Benefícios Energia Ultra limpa Eficiente Operação silenciosa Energia de elevada qualidade Modelo DFC® 1500 – 1 MW Figura 23– Modelo DFC® 1500 – 1 MW Dimensões: Altura 26,5 in Largura 43 in Comprimento 40 in Emissões: NOx < 0.3 ppmv SOx <0.01 ppmv CO <10 ppmv VOC <10 ppmv Calor Disponível Temperatura de Exaustão ≈ 650° F Caudal de Exaustão 13,800 lbs/hr Calor disponível de exaustão 1,4 mm Btu/hr 45
  • 48. Tarefa B1.1 Características: Potência: 1000 kW Tensão: 480 VAC, 50 ou 60 Hz Possibilidade de geração combinada de electricidade e calor Sistema modular Reformação interna do combustível Sistema compacto Flexibilidade de combustível Benefícios Energia limpa Eficiente Operação silenciosa Energia de elevada qualidade DFC® 3000 - 2 MW Figura 24 – DFC® 3000 - 2 MW Dimensões: Altura 27,5 in Largura 49,4 in Comprimento 59,6 in Emissões: NOx < 0.3 ppmv SOx <0.01 ppmv CO <10 ppmv VOC <10 ppmv 46
  • 49. Tarefa B1.1 Calor Disponível Temperatura de Exaustão ≈ 650° F Caudal de Exaustão 27,200 lbs/hr Calor disponível de exaustão ≈ 2,8 mm Btu/hr Características: 2000 kW net 480 VAC, 50 ou 60 Hz By-product heat availability Modular and scalable Internal fuel reforming Poucas partes móveis Small package Flexibilidade de combustível Benefícios Energia limpa Eficiente Easily sited Operação silenciosa Energia de elevada qualidade 47
  • 50. Tarefa B1.1 4. C ONCLUSÕES G ERAIS Dependendo das aplicações para que são direccionadas, as células de combustível necessitam de possuir características diferentes. Por exemplo, para aplicações portáteis, o ideal é que as células seleccionadas trabalhem à temperatura ambiente, de modo a evitar a necessidade de aquecimento adicional e a reduzir o tempo de arranque. Com o intuito de responder a diversas necessidades operacionais, foram desenvolvidos diferentes tipos de células. As células de combustível podem ser caracterizadas tendo em atenção diferentes parâmetros, nomeadamente, o electrólito e a temperatura de operação ou a espécie química transportadora de carga. 48
  • 51. Tarefa B1.1 5. REFERÊNCIAS B IBLIOGRÁFICAS • Cappadonia, M., Stimmins, U., Kordesch, K., Oliveira, J.C., (2002), Fuel Cells, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, Inc. • Hirschenhofer, J. H., Stauffer, D. B., Engleman, R. R., Klett, M. G., 1998, Fuel Cells Handbook (revision 4), Morgantown West Virginia, US DOE. • Hoogers, G., 2003, Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press LLC. • Joon, K., 1998, Fuel cells- a 21st century power system, Journal of Power Sources, 71 12-18. • Kordesch, K., Simader, G., 1996, Fuel cells and their applications, VCH Publishers. • Larminie, J., 2002, Fuel Cells, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, Inc. Catálogos de pilhas de combustível comercializados disponíveis em: www.astris.ca www.smartfuelcell.de www.h2industrial.com www.fuelcell.com www.toshiba.co.jp/product/fc/fce/ www.plugpower.com www.nuvera.com www.fce.com www.ztekcorp.com 49
  • 52. Tarefa B1.1 www.ballard.com www.h2economy.com www.cfcl.com.au www.delphi.com www.htceramix.ch www.axane.fr www.fujielectric.co.jp/eng/ www.acumentrics.com www.utcpower.com www.powergeneration.siemens.co m 50
  • 53. Tarefa B1.2 Contactos com utilizadores e visitas a instalações de demonstração
  • 54. Tarefa B1.2 ÍNDICE 1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………..53 2. Introdução……………………………………………………………………………………………..54 3. Actividade I&D Realizada…………………………………………………………………………….55 3.1. Levantamento de informação acerca de projectos de demonstração com utilização do biogás como combustivel. ...................................................................................................... 55 3.1.1 Projectos de demonstração com alimentação de biogás a células de combustível tipo MCFC.................................................................................................................................... 55 3.1.2 Projectos de demonstração com alimentação de biogás a células de combustível tipo PEMFC. ................................................................................................................................. 57 3.1.2.1 Projecto de demonstração do Instituto de Engenharia Agricola (ATB), Potsdam, Alemanha.............................................................................................................................. 58 3.1.2.2 Projecto instalado numa fazenda de Minnesota usando biogás proveniente de estrume bovino...................................................................................................................... 58 3.1.3 Projectos de demonstração com alimentação de biogás a células de combustível tipo SOFC..................................................................................................................................... 59 3.1.3.1 Projecto de demonstração BioSOFC – Programa Life - Espanha ............................... 63 3.1.4.1 Projecto de demonstração situado em Penrose, Califórnia....................................... 64 3.1.4.1.1 Historial do projecto ........................................................................................... 64 3.1.4.1.2 Descrição do sistema de pré-tratamento de biogás e resultados obtidos ............... 64 3.1.4.1.3 Descrição Projecto de demonstração. Principais resultados ................................... 66 3.2 – Visitas a instalações de demonstração ....................................................................... 69 4. Conclusões Gerais……………………………………………………………………………………71 5. Referências Bibliográficas…………………………………………………………………………….72 52
  • 55. Tarefa B1.2 1. RESUMO DA TAREFA No decorrer desta tarefa serão efectuados contactos e visitas a unidades de demonstração já em operação e será feita uma avaliação das experiências obtidas pelos utilizadores das mesmas nomeadamente no que concerne os aspectos referentes à operacionalidade e manutenção dessas instalações. 53
  • 56. Tarefa B1.2 2. INTRODUÇÃO NTRODUÇÃO As pilhas de combustível (PC), enquanto solução de produção de energia eléctrica ou produção combinada de calor e electricidade (co-geração), estão, nos seus vários domínios de aplicação, numa fase pré-comercial. Espera-se que nos próximos cinco anos demonstrem a sua competitividade económica face às soluções convencionais de produção de energia, e que se verifique a sua progressiva penetração no mercado das soluções alternativas à produção convencional de energia. Este prazo esperado de cinco anos poderá vir a ser reduzido se a pressão da resolução dos problemas ambientais relacionados com o aquecimento global devido ao efeito de estufa vier a colocar uma maior urgência na obtenção de resultados numa diminuição efectiva do volume de CO2 emitido para a atmosfera por unidade de energia produzida. Tal situação poderá fazer com que as formas de energia de origem em combustíveis fósseis (carvão e petróleo e gás natural) possam ver a sua produção penalizada ou, se venham a criar quadros de benefícios sobre custos evitados de emissão de CO2 que mais directamente apoiem soluções como as das pilhas de combustível. Actualmente existem em todo o mundo vários projectos de demonstração a operar com diferentes tipos de combustível e com diferentes tipos de células de combustível. Para atingir os objectivos e propósito desta tarefa foi efectuado um levantamento de informação acerca dos projectos de investigação existentes. Esta pesquisa foi focalizada para os que usam o biogás como combustível. Dos contactos com promotores de projectos foi possível validar a exequibilidade deste tipo de instalações de demonstração. 54
  • 57. Tarefa B1.2 3. ACTIVIDADE I&D R EALIZADA 3.1. LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO ACERCA DE PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS COMO COMBUSTIVEL. O uso de células de combustível é uma tecnologia emergente que pode promover o uso limpo, eficiente, e económico da energia do biogás, apresentado contudo alguns problemas sendo um deles a variabilidade de composição molar do gás que depende da fonte e varia com tempo. O biogás pode ser usado em diferentes tipos de células de combustível, preferencialmente em células de combustível de alta temperatura (MCFC, SOFC) desde que se promova, antes da reformação, a remoção dos compostos de enxofre e hidrocarbonetos halogenados. Estas células são mais tolerantes às impurezas e operam com misturas H2/CO/CO2, alguns dos elementos presentes no biogás. Quanto às células de combustível de baixa temperatura (PEMFC e PAFC) a utilização de biogás como combustível é também possível desde que se assegure a montante do processo de reformação externa a remoção dos compostos de enxofre, NH3, hidrocarbonetos halogenados. Os níveis do CO terão de ser obrigatoriamente menores do que 10 ppm. Existem actualmente vários projectos de demonstração em funcionamento, com a utilização de biogás como combustível, cujos resultados provam a exequibilidade técnica do projecto de demonstração a ser instalado no âmbito do projecto EDEN. Estes projectos utilizam diferentes tipos de células de combustível sendo que o biogás que serve de combustível tem também diferentes origens. 3.1.1 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO MCFC. Estas células de combustível (MCFC) usam uma solução líquida de carbonatos de lítio, sódio e/ou de potássio, embebidos numa matriz sólida para formar um eletrólito. Estas células prometem altas eficiências de conversão de combustível em electricidade, cerca de 60% normalmente, ou um factor global de conversão energética de 85% com a aplicação de co-geração, e operam a uns 650º C. A alta temperatura de operação é necessária para alcançar uma condutividade suficiente do eletrólito. Devido a esta alta temperatura, os catalisadores de metais nobres não são exigidos para os processos eletroquímicos de redução e oxidação, na célula de combustível. Até agora, as 55
  • 58. Tarefa B1.2 células MCFCs tem sido operadas com hidrogénio, monóxido de carbono, gás natural, propano. A sua utilização com biogás tem sido igualmente testada estando em fase de demonstração. Um dos projectos de pesquisa propõe, como caminho de optimização destes sistemas, a adaptação das células MCFC com um módulo quente (MTU, para o uso com biogás (Ott e Tamm, 2003). Na Europa existem actualmente no âmbito da utilização das células de combustível de alta temperatura tipo MCFC quatro principais instalações de demonstração: - Universidade de Nitra, Eslováquia, projecto de demonstração a operar com biogás a partir de resíduos agrícolas. Apresenta 2.400 horas de operação no primeiro ciclo, acima de 3300 horas no segundo ciclo e desde Dezembro de 2003 em funcionamento contínuo. Promotor do projecto: Universidade de Nitra. - Centro de desenvolvimento industrial, Seaborne GmbH, Owschlag, Alemanha, projecto de demonstração a operar com biogás obtido a partir de resíduos industriais, 2.200 horas de operação. Promotores do projecto: MTU CFC Solutions GmbH, Seaborne (Alemanha) - Asten, Linz AG, Austria, projecto de demonstração a operar com biogás obtido a partir de digestão anaeróbia de desperdícios de uma unidade de tratamento de água, 2.300 horas de operação. Promotores do projecto: Profactor, STUDIA e Linz AG (Austria) - Aterro sanitário Urbaser, Pinto, Espanha, projecto de demonstração a operar com gás de aterro, iniciado em Fevereiro de 2004. Promotores do projecto: Urbaser, CIEMAT (Espanha) 56
  • 59. Tarefa B1.2 Projectos de demonstração - MCFC Localização na Europa Eslováquia Origem do biogás: Resíduos agrícolas Owschl Alemanha ag Nitra, Origem do biogás: Eslováquia Resíduos industriais Austria Origem do biogás: Linz, Tratamento de águas Pinto Austria residuais , Figura 1 – Localização das instalações de demonstração com MCFCs alimentadas com biogás. 3.1.2 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO PEMFC. Estas células operam a temperaturas relativamente baixas (cerca de 80º C), têm alta densidade de potência e podem variar rapidamente sua potência de saída, contudo são sensíveis às impurezas presentes no combustível, pelo que a sua utilização com biogás envolve cuidados especiais. Os sistemas de PEMFC estão a ser desenvolvidos para uso estacionário com gás natural como combustível. Como este tipo de célula de combustível pode apenas utilizar-se o hidrogénio; o gás natural necessita ser reformado originando um gás rico em hidrogénio. As primeiras experiências de sistemas de PEMFC abastecidas por gás natural estão em fase de demonstração e apresentam uma eficiência de 25% para 5 kWel (Koschowitz, 2003) até 35% em células de 200 kWel (Pokojski, 2001). A optimização de um sistema de 1 kWel na Universidade Gesamthochschule em Essen atingiu uma eficiência eléctrica máxima de 42% (Schmitz, 2002). Como o biogás tem propriedades similares ao gás natural torna-se um combustível renovável eficaz. Contudo o biogás tem uma capacidade energética mais baixa, e apresenta na sua composição dióxido de carbono e impurezas prejudiciais tais como como compostos e amónia de enxofre. 57
  • 60. Tarefa B1.2 A intenção das pesquisas que actualmente estão em curso é desenvolver e testar sistemas de PEMFC como uma tecnologia eficaz e eficiente para gerar a energia eléctrica a partir do biogás. A pesquisa está ser focalizada, numa primeira fase, na verificação da compatibilidade dos biogás com PEMFC e na optimização dos parâmetros do sistema. Existem actualmente alguns projectos de demonstração a operar, dos quais destacamos um instalado na Alemanha (Potsdam) e um outro numa quinta no Minnesota (EUA). As descrições destes projectos são de seguida apresentadas 3.1.2.1 PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO INSTITUTO ENGENHARIA AGRICOLA (ATB), DO DE POTSDAM, ALEMANHA. O Instituto de Engenharia Agrícola (ATB) tem neste momento a operar um projecto de demonstração de células de combustível tipo PEM com alimentação de biogás. A equipa de investigadores, conduzida pelo Dr. Volkhard Scholz no Instituto da engenharia agrícola Bornim (ATB Potsdam), usa uma célula combustível tipo PEM com potência de 1 kWel para a produção combinada de electricidade e calor. A célula combustível usada tem a configuração base dos sistemas vocacionados para uso doméstico e que funcionam no gás natural. Tendo sido adaptado para responder às diferentes exigências de desempenho para este caso específico. Comparado com o gás natural, o biogás possui uma densidade energética mais baixa e requer a purificação por causa da presença de outros gases prejudiciais. Assim sendo o gás usado neste projecto é desulfurizado numa etapa preliminar e reformado a um gás rico em hidrogénio, antes de alimentar o sistema da célula combustível com potência de 1 kWel. O biogás usado provém de uma instalação piloto de bio-metanização em fase sólida existente no instituto. Os resultados entretanto obtidos confirmam a aplicabilidade do uso das PEMFC com biogás. De facto eficiências eléctricas superiores a 38% foram obtidas, com emissões de poluentes gasoso baixos. A operação requereu igualmente baixo nível de manutenção. 3.1.2.2 PROJECTO MINNESOTA INSTALADO NUMA FAZENDA DE USANDO BIOGÁS PROVENIENTE DE ESTRUME BOVINO. 58
  • 61. Tarefa B1.2 Uma fazenda localizada no estado de Minnesota tem um projecto de demonstração a funcionar com uma célula combustível alimentada por biogás obtido a partir de estrume de gado vacum. O projecto de demonstração é o primeiro de seu tipo, sendo os seus promotores o departamento de agricultura do Minnesota (MDA), a fazenda de Haubenschild, o departamento de bio-sistemas e engenharia agrícola da Universidade de Minnesota. A digestão anaeróbica do estrume produz o biogás (essencialmente constituído por metano, CO2, vapor de água e outras impurezas). Na etapa inicial do sistema instalado (limpeza e reformação do gás) o biogás é convertido a um gás rico em hidrogénio, que é alimentado a um sistema de célula de combustível tipo PEMFC com uma potência de 5 kW para gerar electricidade. O propósito do projecto é investigar a praticabilidade de usar a tecnologia da célula combustível PEMFC com este tipo específico de combustível. Os investigadores da Universidade de Minnesota conseguiram já assegurar o funcionamento intermitentemente da célula combustível com biogás, e estão a trabalhar com vista a obterem o seu funcionamento contínuo. Uma célula combustível deste tamanho é ideal para finalidades da pesquisa, mas não é suficientemente potente para alimentar electricamente a vacaria ou produzir electricidade para venda. Vários sistemas de baixo custo, desenvolvidos pela universidade de Minnesota, para limpeza do biogás estão actualmente a ser testados nesta instalação de demonstração. . 3.1.3 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO SOFC. As células de combustível de alta temperatura do tipo SOFC podem ser utilizadas em grandes aplicações de alta potência, industrial e estações centrais de geração de eletricidade a grande escala. Alguns fabricantes vêem o uso das células SOFC também em veículos automotores e estão desenvolvendo unidades de potência auxiliares com este tipo de célula de combustível (APUs). As principais caracteristicas deste tipo de celulas encontram-se descritas na tabela 1. Tabela 1 – Caracteristicas principais das celulas de combustivel SOFC 59
  • 62. Tarefa B1.2 Electrólito Oxido sólido Temperaturas de operação 600 – 1000 ºC Reformador Externo/Interno Oxidante O2 / Ar Eficiência (sem cogeração) 45 – 60% Máxima eficiência 85% Potencia máxima 220 kW Utilização do calor produzido Usado para aquecimento de água ou para gerar vapor A escolha de SOFCs apresenta diferentes vantagens quando comparada com outros tipos de células de combustível: • A alta temperatura de operação (700-1000°C) permite a co-generação a um nível elevado de temperatura e evita o uso de metais nobres como catalisadores; • O funcionamento a elevada temperatura permite a integração térmica da pilha com a todas as etapas da conversão e do purificação do combustível, aumentando desse modo a eficiência do sistema; • Reduzem significativamente a poluição do ar e a emissão de gases com efeito de estufa; • Apresentam baixa degradação, que permite manter a eficiência constante durante o seu tempo da vida útil; • Apresentam elevada eficiência, mesmo operando a carga parcial; • Possibilidade de operar com vários tipos de combustível - como metano, gás de carvão, biogás (gás rico em metano), hidrocarbonetos ou H2. Esta flexibilidade abre um largo espectro de aplicações e para o cliente. Actualmente existem em funcionamento vários projectos de demonstração com este tipo de células a operar com diferentes combustíveis (ver tabela 2). Segundo relatórios públicos, os projectos de demonstração com gás natural como combustível apresentam elevada eficiência e durabilidade: O projecto de demonstração de pilha SOFC-25 kW no Japão tem 13000h de operação e disponibilidade acima dos 90%; o projecto de100 kW na Holanda apresenta 42% de eficiência enquanto que o sistema constituído por uma pilha de 250 kWe e micro turbina de 50 kWe (Siemens-Whestinghouse) apresenta uma eficiência de 60%. 60
  • 63. Tarefa B1.2 Quanto à utilização do biogas neste tipo de células alguns trabalhos de investigação estão a ser realizados. Esta tecnologia apresenta, em comparação com os outros tipos de células, de uma eficiência mais elevada e uma menor sensibilidade às impurezas do biogás. Tabela 2 – Projectos de demonstração instalados com pilhas de combustível tipo SOFC Potên Tipo Compriment Núm Operaçã A Combustív cia da Cliente de o da célula ero de o no célula el células (mm) células (h) (KWe) 1 TVA 0,4 TK- 300 24 1760 H2/CO 986 PST 1 Osaka Gás 3 TK- 360 144 3012 H2/CO 987 PST 1 Osaka Gás 3 TK- 360 144 3683 H2/CO 987 PST 1 Tokyo Gás 3 TK- 360 144 4882 H2/CO 987 PST 1 JGU-1 20 TN- 500 576 817 GN 992 PST 1 UTILITIES-A 20 TN- 500 576 2601 GN 992 PST 1 UTILITIES-B1 20 TN- 500 576 1579 GN 992 PST 1 UTILITIES-B2 20 TN- 500 576 7064 GN 993 PST 1 SCE-1 20 TN- 500 576 6015 GN 994 PST 1 SCE-2 27 AES 500 576 5582 GN 995 1 JGU-2 25 AES 500 576 13194 GN 995 1 SCE- 27 AES 500 576 13000+ GN 998 2/NFCRC 1 EDB/ELSAM 100 AES 1500 1152 4035+ GN 998 1 EDB/ELSAM 100 AES 1500 1152 12653 GN 999 / 3701+ 2 RWE 001 2 SCE 220 AES 1500 1152 1522+ GN 000 2 OPG 250 AES 1500 2304 1200+ GN 61
  • 64. Tarefa B1.2 002 2 FCT/RWE 5 AES 3100 GN 002 2 FCT/UAF 5 AES 2200 GN 003 2 FCT/JFW 5 AES 1600 GN 003 2 FCT Ford 5 AES 850 003 Figura 2 – Sistema instalado num projecto de investigação na Alemanha pilha de 250 kWe e micro turbina de 50 kWe (Siemens-Whestinghouse) Módulos de SOFC com alimentação a biogás na gama de 1 kWel (ENET, 1996) a 1 MWel (Ledjeff-Hey et al., 2000) estão em fase de demonstração. Como exemplo, temos a implementação de um pequeno módulo de SOFC instalado na fazenda “Maison Blanche” em Lully, Switzerland. Esta fazenda explora há 9 anos a produção de biogás proveniente dos animais domésticos e com o intuito de aproveitar essa recolha de uma forma mais eficiente foi recentemente instalado no local um módulo de Sulzer HEXIS SOFC (1 kW) (ENET, 1996), com finalidade de demonstração e da investigação (Jenne et al., 2002; Van herle et al., 2002). Igualmente na Suiça, uma pilha combustível tipo SOFC, a operar com biogás, para geração de energia eléctrica para uso doméstico, está presentemente em teste (Schuler, 2001) 62
  • 65. Tarefa B1.2 3.1.3.1 PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO BIOSOFC – PROGRAMA LIFE - ESPANHA Para além dos casos supra citados está de momento em curso um projecto de demonstração denominado BioSOFC – Life program cujos promotor é uma empresa espanhola sedeada nas Astúrias (BIOGAS FUEL CELL, S.A.). O objectivo desse projecto é o de projectar e instalar um sistema composto por unidade de tratamento de combustível e por uma pilha de combustível do tipo SOFC de potência 5 kW. Esse sistema será instalado em diversos aterros sanitários e será avaliado o seu comportamento quando alimentado pelo biogás gerado nos aterros. O projecto terá em linha de conta os requisitos e as normas de segurança assim como o necessário pré-tratamento que é necessário fazer ao gás de aterro antes da sua alimentação à pilha. Com vista a cumprir os objectivos desta tarefa foi agendada uma reunião com os promotores do projecto, a quql irá ser realizada ainda durante o presente mês de Janeiro de 2007. Nessa reunião pretende-se efectuar a avaliação das características do projecto e dos seus principais resultados para além de recolher informação sobre alguns pontos considerados fulcrais para o bom funcionamento do projecto de demostração a executar, nomeadamente no que concerne aos aspectos referentes à operacionalidade e manutenção deste tipo de instalações. 3.1.4 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO PAFC. Este tipo de célula de combustível já está disponível hoje, comercialmente. Mais de 200 sistemas de células de combustível têm sido instalados ao redor do mundo - em hospitais, casas de repouso, hotéis, edifícios de escritórios, escolas, centrais de geração de energia, num terminal de aeroporto, em aterros sanitários e em centrais de tratamento de água. As PAFCs geram eletricidade com mais de 40% de eficiência – e cerca de 85% do vapor que estas geram é usado para co-geração – isto compara-se de um modo muito favorável com o rendimento médio de produção de electricidade, 35%, nos Estados Unidos. A temperatura de operação desta células encontra-se na faixa de 150 - 200 ºC. Porém, a utilização de células de combustível tipo PAFC com alimentação directa a biogás está ainda e fase de demonstração. A descrição de um desses projectos de demonstração o seu historial e principais resultados serão, nas secções seguintes, detalhadamente expostos. 63
  • 66. Tarefa B1.2 3.1.4.1 PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO SITUADO EM PENROSE, CALIFÓRNIA 3.1.4.1.1 HISTORIAL DO PROJECTO O ano de 1995 marcou o final de uma etapa importante para o estabelecimento das pilhas de combustível como uma tecnologia promissora na utilização de biogás. Foi conduzida com sucesso uma primeira demonstração da utilização de biogás em estações de Células de Combustível a Ácido Fosfórico (sigla em inglês - PAFC) disponíveis comercialmente. Esta era a conclusão de um programa de três fases que começou em 1990 quando a EPA (Environment Protection Agency dos EUA) concedeu à IFC um contrato para demonstrar o uso do biogás com recuperação da energia. O projecto consistia em dois pontos essenciais: (i) um método de limpeza do biogás, removendo os contaminantes deste de forma a que as células de combustível operassem sem problemas e (ii) um teste de demonstração em estações de células de combustível comerciais utilizando o biogás. A primeira fase consistiu primeiramente num projecto conceptual, quantificação de custos e num estudo de avaliação, tendo sido iniciada em Janeiro de 1991 (Sandelli, 1992). A Fase II teve como missão a remoção de contaminantes do biogás, incluindo a construção e respectivo teste de um módulo de pré-tratamento (Trocciola et al., 1995). Na Fase III foram testadas células de combustível PC25TM nas instalações de um aterro que é propriedade da Pacific Energy Corporation e se situa em Penrose em Sun Valley na Califórnia. 3.1.4.1.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOGÁS E RESULTADOS OBTIDOS O projecto dos processos da unidade de pré-tratamento do biogás (sigla em inglês - GPU) e de limpeza foi ditado pela pureza final do gás requerida para as células de combustível, pela composição de entrada do biogás e da sua mistura complexa de contaminantes, e da capacidade do processo de limpeza em lidar com as variações de composição do gás de entrada. O gás para as células de combustível devia ser essencialmente livre de enxofre e halogéneos, consistindo primeiramente numa mistura de metano, azoto, oxigénio e dióxido de carbono. As especificações do projecto da GPU apenas permitem um nível máximo à saída de 3 ppm (V/V) de enxofre e 3 ppm (V/V) de halogéneos. Estes níveis podem ainda ser removidos por um subsistema de limpeza interno das estações de células de combustível. O sistema de GPU consiste na remoção de H2S à temperatura ambiente, seguido de um arrefecimento, condensação, secagem, novo arrefecimento, remoção de hidrocarbonetos (HC), e numa filtração final. A unidade foi concebida para remover H2S e vapor de água nas etapas iniciais do processo de modo a que o tratamento final possa ser realizado num leito de carvão activado que é mantido a baixa temperatura e humidade constantes, garantindo uma remoção consistente 64
  • 67. Tarefa B1.2 de elevados vestígios de contaminação. Este projecto torna o processo relativamente insensível a variações da concentração do gás de entrada com o tempo fazendo com que seja um excelente candidato para aterros. A GPU é constituída pelos três subsistemas seguintes: processo de produção de gás limpo (purificação), processo da regeneração e processo de refrigeração. A GPU foi testada com sucesso durante a Fase II deste projecto. Os resultados detalhados dos testes bem como o plano de testes podem ser vistos na referência [3], contudo serão a seguir sumariados juntamente com novos dados fornecidos pela Fase III. Após ter terminado 216 h de operação contínua e um total de 616 h desde o primeiro arranque da GPU, testes de desempenho foram conduzidos com períodos de 3 dias, no começo, no meio, e no fim dos ciclos regenerativos do leito, para avaliar o desempenho de ciclos normais de 8 h dos dois leitos regenerativos (leito do secador e de carbono). Em tempos específicos, as amostras existentes no saco de Tedlar foram recolhidas dos distribuidores de amostragem posicionados na GPU e nas entradas e saídas da tocha. Estas amostras foram analisadas fora do local usando cromatografia gasosa/espectrofotometria de massa (GC/MS) para a detecção de compostos orgânicos voláteis (COVs) e GC/ fotométrica de chama (FPD) para compostos de enxofre. Adicionalmente, os compostos de enxofre foram medidos na entrada e na saída da GPU usando GC/FPD em série. Nenhuma medição em série ou in situ foi utilizada para COVs porque se encontrou a partir de uma análise usando uma garrafa contendo uma amostra de gás padrão que a matriz do biogás pode ter influenciado os resultados. Os resultados de um dos ciclos demonstram que a GPU foi muito eficaz na remoção dos compostos de enxofre e COVs. Para compostos de enxofre, as concentrações à saída da GPU estavam abaixo dos limites de detecção (0,01 ppm (V/V) usando o método em série e 0,004 ppm (V/V) para as análises do fora do local) ou numa escala em ppb (V/V). Da mesma forma os halogenados e outros COVs foram detectados com níveis inferiores a 0,002 ppm (V/V) à excepção do cloreto de metileno, para o qual foram detectados vestígios em níveis inferiores a 0,02 ppm (V/V). Os halogéneos totais (como cloretos) foram reduzidos a uma concentração média de entrada de 60 ppm (V/V) e uma concentração da saída que varia de não detectável a 0,032 ppm (V/V). A única espécie detectada na saída foi o cloreto de metileno. Tomando o nível mais elevado de halogéneos na saída (0,032 ppm (V/V) como cloretos) e dividindo pela média dos halogéneos totais na entrada (60 ppm(V/V) como cloretos) temos um rendimento referente à eficiência da remoção de pelo menos de 99,95% para halogéneos. O valor médio da concentração do enxofre total (medido como o H2S) à entrada do adsorvedor é de 130ppm (V/V) (média de três testes) e à saída vária de não detectável a 0,047 ppm (V/V). A eficiência total da remoção deste componente é de pelo menos de 99,96%. A única espécie de enxofre detectada à saída da GPU é o sulfito carbónico A concentração dos componentes particulados foi medida à saída do GPU em três ensaios, sendo os valores destes sempre inferiores à gama detectável. 65
  • 68. Tarefa B1.2 Os silanos e os siloxanos foram medidos também diversas vezes no mesmo local com uma sensibilidade crescente, contudo o valor destes era sempre inferior ao limite de detecção de 0,076mg/cm3 a PTN na base seca. Devido a ter-se obtido valores baixos dos referidos componentes à entrada, não foram retiradas medições destes à saída da GPU. Tal como os componentes anteriores a quantidade de fenol foi medida à entrada da GPU. O valor deste era inferior ao limite de detecção de 0,03ppm (V/V). Em suma, a unidade de pré-aquecimento de biogás está a operar com uma eficiência de remoção global de contaminantes superior a 99,9%, sendo assim o gás proveniente desta unidade apresenta todos os requisitos necessários para alimentação de estação de células de combustível. Um bom indicador global do desempenho de limpeza da GPU foi a remoção de NMOCs. (compostos orgânicos para além do metano) Nos NMOCs totais (medidos como metano) verificou- se uma redução de um valor à entrada de 5700 ppm (V/V) para um valor à saída de 13,8 ppm, ou seja uma eficiência global remoção de 99,8%. Estes componentes não necessitam ser removidos do biogás que alimenta estações de células de combustível, contudo a elevada eficiência de remoção destes componentes é um indicador de alta potencialidade das GPU. Os dados dos testes para a tocha da GPU estão sumariados na bibliografia [3]. Neste local constatou-se que a destruição dos compostos COVs e de enxofre excederam os 99% e que as concentrações de NOx e de CO à saída deste tinham valores de 10,4 e 3,0 ppm (V/V), respectivamente. A matéria particulada tinha uma concentração média de 0,03 mg/m3. Uma amostra do condensado foi recolhida do primeiro condensador durante a primeira hora de cada ciclo para um total de três amostras. Não existia qualquer condensado no segundo condensador. Para cada amostra foram analisadas os compostos de enxofre através de GC/FPD e os COVs por GC/MS (cromatografia em fase gasosa com separação por peneiro molecular). Os constituintes dos COVs encontrados foram acetona e 2-butanona. As concentrações médias destes foram 16700 µg/l de acetona e 12700 µg/l de 2-butanona. O constituinte que se encontrou nos compostos de enxofre com maior concentração foi o sulfureto dimetil (1720 µg/l). Um componente de enxofre desconhecido foi detectado fazendo com que o valor da concentração total deste elemento aumentasse para um valor 33000 µg/l. 3.1.4.1.3 DESCRIÇÃO PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO. PRINCIPAIS RESULTADOS A transformação de biogás em energia consiste num conjunto de poços de biogás e respectivo sistema de recolha fornecidos pela Pacific Energy nas suas instalações em Penrose, numa GPU modular (atrás descrita), numa estação de células de combustível PC25 NG de 200 kW construída pela ONSI Corporation e modificada para operar com biogás, num módulo refrigeração, e numa conexão à rede. O biogás é recolhido de quatro poços independentes, é colectado no local e 66
  • 69. Tarefa B1.2 comprimido a 90 psig (6,2 x l05 Pa relativos) antes de ser conduzido para a GPU onde são removidos os contaminantes e o vapor para níveis adequados ao funcionamento das células de combustível. O biogás limpo é então convertido em corrente alterna a ser comercializada. O calor gerado na co-geração pela estação de células de combustível será rejeitado por um módulo de refrigeração a ar. A estação de células de combustível PC25 foi projectada para produzir 200 kW de energia eléctrica e quando opera com gás natural liberta calor numa gama de 8,72-10,68 kcal/SL. O biogás contém quantidades significativas de N2 e de CO2, baixando o valor para cerca de 4,45 kcal/SL. Esta estação a operar com esse biogás produz aproximadamente 140 kW de energia. Para aumentar esta produção é necessário aumentar o caudal de biogás de modo a se obter valores equivalentes aquando da utilização de gás natural como combustível. Contudo as modificações necessárias para tal não foram realizadas neste projecto. As únicas modificações às células de combustível eram aquelas que poderiam ser instaladas em campo a partir de kits projectados e fabricados pela IFC. Estas modificações incluíram uma válvula de controlo de combustível maior e um venturi para o caudal de combustível, uma nova forma do orifício de recirculação de combustível, um novo cátodo no orifício de saída e uma nova válvula de corte na entrada do combustível. Adicionalmente, houve modificações no software de controlo. O teste de campo começou na segunda semana de Dezembro 1994 e durou aproximadamente 6 semanas com a realização de oito testes. Durante este período, a estação de células de combustível operou durante 707 h com biogás. Das oito paragens programadas, quatro foram devido a causas inerentes ao local onde funcionava a instalação (uma paragem devido a um disparo do disjuntor de circuito de Penrose, outra devido a uma perda da pressão de gás do aterro sanitário quando a estação de poder de Penrose foi fechada para a manutenção, e duas paragens quando o aterro sanitário ficou parcialmente desactivado). Três paragens programadas deveram-se ao GPU (duas devido ao sistema de refrigeração da estação de células de combustível e uma devido a um sensor de chama), e uma paragem programada era devido a uma falha do módulo do sensor do ventilador de refrigeração do inversor no sistema de controlo da estação de células de combustível. A estação de células de combustível operou até 137 kW, 3 kW abaixo do objectivo para a operação com biogás em Penrose. Foi seleccionado um nível de operação de 120 kW nos testes de campo de forma a fornecer uma margem para a operação constante da PCtendo em conta as alterações na qualidade do gás do aterro activo (Bradley). A eficiência estação de células de combustível foi calculada sobre dois períodos durante o teste de campo. A eficiência durante um primeiro período de 6 dias de operação contínua foi de 37,1%. O segundo período cobriu 8 dias com uma eficiência média de 36,5% incluindo uma pequena paragem. As emissões gasosas da estação de células de combustível são as seguintes: NOx = 0,12 ppm (V/V), SO2 = não detectável (limite de detecção: 0,23 ppm (V/V)) e CO = 0,77 ppm (V/V). Todas as 67
  • 70. Tarefa B1.2 leituras são relativas a gás seco, corrigido para 15% O2. Os dados são baseados numa média de seis medições, efectuadas continuamente. Baseado na avaliação ambiental e económica do sistema de células de combustível comercialmente disponível, há um grande potencial de mercado para esta tecnologia de conversão energética: (i) O sistema de conversão de energia de células de combustível a biogás proporciona uma redução das emissões totais enquanto simultaneamente é removido o metano do biogás. (ii) com os preços iniciais do produto as células de combustível serão mais competitivas em locais onde ocorre a produção de biogás e em locais em que existe um elevado custo eléctrico ou em regiões com taxas comerciais médias onde o calor residual proveniente das células de combustível possa ser utilizado. (iii) quando se atingirem preços dos produtos projectados, as células de combustível podem fornecer no futuro retornos líquidos aos proprietários de aterros. Isto pode no longo prazo resultar no controlo das emissões de metano para a atmosfera sem qualquer custos adicionais para consumidor. As unidades de pré-aquecimento de gás utilizadas na limpeza do biogás utilizado nas células de combustível foram projectadas, instaladas, testadas e validadas com sucesso, tais como é mostrado nas seguintes indicações sumárias: (i) Um licença foi concedida pela South Coast Air Quality Management District em operação na bacia Los Angeles. (ii) Um total de 2297 h de operação, incluindo 709 h de operação com células de combustíve. (iii) Uma remoção documentada do enxofre total superior, a que é necessária para a operação das células de combustível (<3 ppm (V/V) em enxofre total) com concentrações de contaminantes inferiores a 0,047 ppm (V/V). (iv) uma remoção documentada de halogéneos totais superior à requerida para o funcionamento das células de combustível (<3 ppm (V/V) em halogéneos total) com concentrações de contaminantes inferiores a 0,032 ppm (V/V). (v) A tocha do GPU garante uma destruição efectiva dos contaminantes do biogás acima de 99%. 68
  • 71. Tarefa B1.2 3.2 – VISITAS A INSTALAÇÕES DE DEMONSTRAÇÃO Após os primeiros contactos com os promotores do projecto de demonstração BioSOFC – Programa Life - Espanha Realizou-se uma visita a uma instalação de demonstração a uma instalação de demonstração que era constituída por um sistema SOFC (5 kW) a operar com bogas proveniente da digestão anaeróbia de resíduos animais (de um matadouro). A pilha de combustível em questão era do fornecedor FCT (Fuel Cell Technology) com a potência eléctrica de 5 kW. Pilha de combustível SOFC Figura 3 - Fotografia da pilha de combustível SOFC a instalar no âmbito do projecto BioSOFC. Durante a visita foram efectuadas as seguintes tarefas: • Reunião com os promotores para troca de informações. • Visita à instalação piloto de limpeza do biogás. • Visita ao local de instalação da pilha combustível Para além da aquisição de know-how acerca de toda a logística necessária para a realização de um projecto deste tipo, a visita efectuada serviu também para verificar a importância de um bom sistema de instrumentação e controlo e um eficaz método de pré-tratamento do biogás por forma garantir o bom funcionamento do sistema. No caso concreto da instalação visitada, a limpeza do biogás era efectuada através de um tratamento aeróbio do mesmo para além de um sistema de filtragem por carvão activado que 69
  • 72. Tarefa B1.2 permitia assegurar a composição do gás dentro de certos limites que evitam o envenenamento da pilha. (Figura 4) Biofiltro para biogás Figura 4 - Fotografias do sistema piloto de limpeza do biogás (biofiltros e carvão activado) instalado no âmbito do projecto BioSOFC. 70
  • 73. Tarefa B1.2 4. C ONCLUSÕES G ERAIS Baseado na avaliação ambiental e económica de resultados de projectos de demonstração de células de combustível a operar com biogás, podemos concluir que há um grande potencial de mercado para esta tecnologia de conversão energética. As principais vantagens serão: - O sistema de conversão de energia de células de combustível a biogás proporciona uma redução das emissões totais enquanto simultaneamente é removido o metano do biogás. -- Com preços iniciais do produto as células de combustível serão mais competitivas em locais onde ocorre a produção de biogás e em locais em que existe um elevado custo eléctrico ou em regiões com taxas comerciais médias onde o calor residual proveniente das células de combustível possa ser utilizado; - Quando se atingir preços dos produtos projectados, as células de combustível podem fornecer no futuro retornos líquidos aos proprietários de aterros. Isto pode no longo prazo resultar no controlo das emissões de metano para a atmosfera sem qualquer custos adicionais para consumidor. As unidades de pré-tratamento do biogás utilizadas nos projectos foram igualmente testadas e validadas com sucesso. Através da recolha da experiência de outros projectos podemos provar a exequibilidade do projecto de demonstração a instalar na LIPOR no âmbito desta actividade B2. 71
  • 74. Tarefa B1.2 5. REFERÊNCIAS B IBLIOGRÁFICAS • ENET, 1996, Novel SOFC system for co-generation of electricity and heat, ENET News No. 9100265-5 (Energy-Net magazine of the Swiss Federal Energy office), Project no. 500, pp. 228– 237. • Eva Frey, Manager, Stationary Fuel Cells Europe, Siemens Power Generation, SOFC Towards Biogas Usage Technology Status - Steyr • Ferreira, P.;( 2004) “The usage of biogas in Fuel cell systems”, CIEMAT-CSIC, Madrid, Spain, • Grabam, J. R. and Ramaratnam, M., Chemical Engineering, February 1993.Air emissions from municipal solid waste landfills -background information for proposed standards and guidelines. EPA-450/3-90-Olla, NTIS PB91-197061. • Jenne M., T. Dörk, A. Schuler, in: U. Bossel (Ed.), Proceedings of the Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Lucerne, Switzerland, July 2002, European Forum Secretariat, CH 5442- Oberrohrdorf, Switzerland, pp. 460–466. • K. Ledjeff-Hey, Brennstoffzellentechnologie, Springer Verlag, 2000, ISBN 3-7880-7629-1. • Koschowitz, M. 2003. Felderfahrung mit Vaillant Brennstoffzellenheizgeräten. In Stationäre Brennstoffzellen, 15-24. VDI-Berichte 1752. Düsseldorf, Germany: VDI • Pokojski, M.2001. Die erste 250 kW PEM Brennstoffzelle in Europa 2001. In Stationäre • Ronald j. Spiegel, J. C. Trocciola” and J. L. Preston, 1997 “Test results for fuel-cell operation on landfill gas”, energy vol. 22, no. 8, pp. 777-186, 1997 • Sandelli, G. J.,1992 Demonstration of fuel cells to recover energy from landfill gas. Phase I Final Report: Conceptual study, EPA-600/R-92-007, NTIS PB92-137520. • Schmersahl, V. Scholz.; 2005; “Testing a PEM Fuel Cell System with Biogas Fuel”. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Vol. VII. Manuscript EE 05 002. • Schmitz, S. 2002. Thermodynamische Analyse eines Brennstoffzellen-Systems zur dezentralen Energieversorgung. VDI Fortschritt-Berichte 475, Düsseldorf, Germany: VDI R. • Trocciola, J. C. and Preston, J. L.,1995 Demonstration of fuel cells to recover energy from landfill gas. Phase II, Pretreatment system performance measurement, EPA-600/R - 95 - 155, NTSI PB96- 103601. • Van herle J., Y. Membrez, 2002; Biogas exploitation in SOFC, in: U. Bossel (Ed.), Proceedings of the Fifth European Solid Oxide Fuel cell Forum, Lucerne, Switzerland, , European Forum Secretariat, CH 5442-Oberrohrdorf, Switzerland, pp. 1003–1010. 72
  • 75. Tarefa B1.2 • Van herle J., F. Marechal, S. Leuenberger, M. Membrez, O. Bucheli, D. Favrat, 2004 “Process flow model of solid oxide fuel cell system supplied with sewage biogas” J. Power Sources 131 pp. 127-134. • Van herle J., Y. Membrez, O. Bucheli, 2004, “Biogas as a fuel source for SOFC co-generators”, J. Power Sources 127 pp. 300. 73
  • 76. Tarefa B1.3 Contactos com instituições independentes de avaliação, licenciamento e normalização
  • 77. Tarefa B1.3 ÍNDICE 1. Especificações de ligação à rede de uma instalação de produção de energia eléctrica …………………………………………………………………………………………….……..76 2. Licenciamento de uma central de microgeração………………………………………………..…..79 2.1. Acções desenvolvidas ao abrigo do D.L. nº 68/2002 de 25 de Março............................ 79 2.2. Acções desenvolvidas entre o promotor e a EDP-Distribuição – Gabinete de Compra de Energia.................................................................................................................................. 82 2.3. Outras acções a desenvolver ....................................................................................... 84 2.4. Resumo cronológico de actividades............................................................................. 84 2.5. Lista de anexos........................................................................................................... 86 3.Medição da energia vendida ao SEP ……………………………………………………...…87 4. Avaliação acústica da instalação……………………………………………………………….…..89 Anexos…………………………………………………………………………………….……………..90 75
  • 78. Tarefa B1.3 1. ESPECIFICAÇÕES DE LIGAÇÃO À REDE DE UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE LIGAÇÃO INSTALAÇÃO PRODUÇÃO ENERGIA ELÉCTRICA A pilha de combustível que se pretende instalar não vai exceder os 10 kW. Segundo a legislação em vigor, presente no Decreto-Lei n.º 168/99 de 18 de Maio, que especifica a potência aparente máxima que é possível ligar à rede pública para cada nível de tensão (baixa, média e alta tensão), a ligação da pilha de combustível deverá ser efectuada à baixa tensão, de modo a assegurar o correcto funcionamento da mesma. Os centros de produção de energia eléctrica devem respeitar a legislação em vigor de forma a: Não diminuir a qualidade do serviço fornecido aos consumidores da rede pública; Evitar que se transfiram para a rede pública as perturbações que se verifiquem no funcionamento do sistema produtor; Minimizar os investimentos na instalação de produção e na sua ligação do sistema produtor, sem prejuízo de qualidade técnica suficiente. De seguida especificam-se mais em pormenor as restrições aplicadas ao sistema produtor de energia eléctrica. Potência de curto-circuito De forma a evitar excessivas perturbações de tensão na rede, a potência aparente do sistema de produção de energia eléctrica não pode exceder 4% da potência de curto-circuito mínima no ponto de interligação, para sistemas ligados à rede pública de baixa tensão (BT). S < 4%.Scc 76
  • 79. Tarefa B1.3 Factor de potência Assumindo que a pilha em questão pode ser considerada dentro do grupo de geradores síncronos, o factor de potência deverá manter-se entre 0.8 indutivo e 0.8 capacitivo perante variações na tensão da rede pública dentro dos limites legais. Desvio de tensão Para instalações com potência aparente inferiores a 500 kVA, é admissível um desvio de tensão até 0.1 p.u., em relação à tensão de referência da rede. Desvio de frequência Para instalações com potência aparente inferiores a 500 kVA, é admissível um desvio de frequência de ±0.3 Hz, em relação à frequência de referência da rede. Desvio de fase Para instalações com potência aparente inferiores a 500 kVA, é admissível um desvio de fase de ±20º, em relação à fase da tensão da rede. Distorção harmónica 77
  • 80. Tarefa B1.3 A limitação das harmónicas de tensão gerada pelos produtores independentes deve ser controlada de modo a evitar efeitos prejudiciais nos equipamentos instalados pelos consumidores da rede receptora. Em condições normais de exploração, 95% dos valores eficazes médios de 10 minutos de cada tensão harmónica não devem exceder os níveis de referência indicados na Tabela 1, por cada período de medição de uma semana. Tabela 1 – Níveis de referência para as tensões harmónicas BT 3ª 5,0% 5ª 6,0% 7ª 5,0% 9ª 1,5% 11ª 3,5% 13ª 3,0% 15ª 0,5% DHT 8,0% Regime de neutro O regime de neutro da instalação de produção deve ser compatível com o regime do neutro existente na rede receptora a que fornece energia. Deste modo, quando a interligação é feita entre a instalação de produção e a rede de BT, o neutro dos geradores, quando existir, deve ser ligado ao neutro da rede. O corte da interligação deve interromper todos os condutores activos, incluindo o neutro, se existir. 78
  • 81. Tarefa B1.3 2. L ICENCIAMENTO DE UMA CENTRAL DE MICROGERAÇÃO MICROGERAÇÃO A actividade de micro-cogeração com auto consumo com injecção na rede pública de BT superior a 3,68 kVA em monofásico e 11,04 kVA e potência inferior a 150 kW, está enquadrada, em termos legais, pelo D.L. n.º 68/2002, de 25 de Março e pelo Despacho de Director-Geral de Energia, de 29 de Outubro de 2003 “Procedimentos de licenciamento de instalações eléctricas de microprodução com autoconsumo do grupo II”. Para além das acções previstas ao nível do relacionamento com a Direcção Regional do Ministério da Economia (DRE), o processo de licenciamento inerente pressupõe, também, um conjunto de acções a desenvolver entre o promotor do projecto e a entidade titular da licença vinculada de distribuição de energia eléctrica em BT, a operar na zona em que se pretende fazer a interligação (EDP-Distribuição). 2.1. ACÇÕES DESENVOLVIDAS AO ABRIGO DO D.L. Nº 68/2002 DE 25 DE MARÇO De seguida especificam-se as acções a desenvolver ao abrigo do D.L. n.º 68/2002 de 25 de Março, de forma a licenciar uma instalação de micro-cogeração: 1.1 O promotor deverá solicitar à EDP-Distribuição, as informações necessárias para a elaboração do projecto – Ponto de Recepção (Nº PT), Tensão, Potência, Potência de curto- circuito (Pcc), Regime de neutro com que é explorada a rede no eventual local de interligação, características do cabo escolhido pela EDP-Distribuição e Dispositivos de Segurança adequados. Refira-se que as informações de Pcc e as características do cabo são essenciais para calcular a potência máxima de ligação a jusante do ramal a estabelecer (4% Pcc). A EDP-Distribuição deverá responder no prazo máximo de 30 dias. 1.2 O promotor deverá apresentar o pedido de autorização de instalação de micro-cogeração junto da DRE territorialmente competente. O pedido deverá ser acompanhado pelo projecto (em duplicado) e pelos seguintes elementos: 79
  • 82. Tarefa B1.3 Requerimento de Licença de Estabelecimento dirigido ao Director Regional do Ministério da Economia (Anexo 1). Requerimento de Licença de Estabelecimento dirigido ao Director Regional do Ministério da Economia (Anexo 1); Ficha de informações para projecto, com informação fornecida pela EDP-Distribuição referente à potência de ligação, tensão, ponto de recepção, potência de curto-circuito mínima, ramal de ligação, ponto de ligação, regime de neutro compatível com a rede pública e dispositivos de segurança (Anexo 2); Comprovativo do licenciamento municipal, ou da isenção, das edificações da instalação de utilização; Termo de responsabilidade pelo projecto das instalações de produção - consumo e eventual rede de venda de energia a terceiros (Anexo 3). O projecto apresentado deverá conter os seguintes elementos: Ficha de identificação do projecto (Anexo 4); Memória descritiva e justificativa indicando a natureza, importância, função e características das instalações de utilização, de produção - consumo e as de eventuais terceiros consumidores, as condições gerais do seu estabelecimento e da sua exploração, sistema de ligação à terra compatível com a do distribuidor público, as disposições principais do equipamento de produção de energia eléctrica (microgeradores), origem e destino da energia a produzir, as características dos aparelhos de protecção contra sobreintensidades, sobretensões, poder de corte e os respectivos cálculos; Descrição, tipos e características dos equipamentos de produção de energia eléctrica (microgeradores), aparelhagem de corte e protecção, bem como a indicação das Normas e certificação a que obedecem; Planta geral de localização da instalação, devidamente assinalada, em escala não inferior a 1/25 000; Planta com implantação de toda a instalação do produtor - consumidor e de eventuais terceiros, em escala não inferior a 1/2000; Plantas, alçados e cortes, em escala não inferior a 1/200, da instalação com a disposição do equipamento de produção, da interligação e de toda a instalação de utilização consumidora, com pormenor suficiente para se verificar o cumprimento das disposições regulamentares de segurança; 80
  • 83. Tarefa B1.3 Esquemas unifilares dos quadros e esquemas eléctricos gerais das instalações, com indicação de todos os aparelhos de medida, contagem, protecção, comando e características dos cabos e condutores. 1.3 A DRE, após análise do projecto, e antes de conceder a Licença de Estabelecimento, procede à emissão de uma factura, referente à Taxa de Estabelecimento de Serviço Particular. 1.4 Após envio de confirmação à DRE, do pagamento da referida Taxa, junto da Tesouraria da Fazenda Pública, a DRE emite Licença de Estabelecimento. 1.5 Após a conclusão das obras (ou ligeiramente antes da sua conclusão), de acordo com o projecto aprovado, o promotor deverá solicitar a Vistoria da instalação junto da DRE. Os documentos a enviar são: Requerimento de Vistoria (Anexo 5); Termo de Responsabilidade pela Execução da Instalação (Anexo 6); Termo de Responsabilidade pela Exploração das Instalações (Anexo 7); Ficha de Execução (Modelo nº 936 da IN-CM); Relatório tipo do Técnico Responsável (Modelo 937 da IN-CM); Fotocópia do contrato de prestação de serviços (anexo IV do Dec. Reg. 31/83, de 18-4), ou declaração assinada pelo técnico responsável e o requerente, a atestar que foi cumprido o prescrito no artigo 23º. do Estatuto do Técnico Responsável por Instalações Eléctricas de Serviço Particular (Anexo 8). Em alternativa, e no caso do técnico responsável pertencer aos quadros da empresa promotora, poderá enviar-se uma declaração assinada pelo Responsável pela Exploração e o Requerente, atestando o modo de exploração da central (Anexo 9); Comprovativo da inscrição do instalador (parte eléctrica) no IMOPPI (Instituto dos Mercados das Obras Públicas e dos Particulares do Imobiliário). 1.6 Após realização de Vistoria, a DRE emite a Licença de Exploração. 1.7 Após a entrada em exploração, o promotor deverá, anualmente, fornecer à DGGE, informação sobre os quantitativos de energia eléctrica produzida, e os quantitativos de energia eléctrica adquirida e vendida ao SEP, assim como os quantitativos de energia eléctrica consumida ou eventualmente vendida a terceiros. Esta informação deverá ser prestada no 1º trimestre após o período anual em referência. 81
  • 84. Tarefa B1.3 2.2. ACÇÕES DESENVOLVIDAS EDP-DISTRIBUIÇÃO – ENTRE O PROMOTOR E A GABINETE DE COMPRA DE ENERGIA As acções a desenvolver entre o promotor do projecto e a EDP Distribuição, mais precisamente o Gabinete de Compra de Energia, especificam-se de seguida: 2.1 O promotor solicita informação técnica sobre o Ponto de Recepção à EDP-Distribuição – Gabinete de Compra de Energia (GBCE). Ver ponto 1.1. 2.2 Uma vez “concedido” o Ponto de Recepção pela EDP-Distribuição - GBCE, e após a realização de um “ante-projecto” de engenharia, o promotor deverá solicitar à mesma entidade, um pedido de orçamento e definição das condições de execução do Ramal de Ligação da instalação de Microgeração. Note-se que, tal como no ponto anterior, apesar de a informação solicitada ser de cariz técnico e estar sob a competência da Direcção de Planeamento de Rede (DPR) e da Área de Rede em que se insere a instalação, deverá manter-se como interlocutor da EDP-Distribuição, o GBCE. 2.3 A EDP-Distribuição - GBCE deverá orçamentar o referido ramal, descrever as respectivas condições de execução da obra e enviar esta informação para o promotor. Considera-se que todo o processo será simplificado se for nomeado, nesta fase, um interlocutor da Área de Rede da EDP-Distribuição do local em que se insere a instalação, de modo que haja uma maior coordenação com o promotor, nomeadamente, ao nível do esclarecimento das condições de obra / orçamentação. 2.4 Em condições normais (preços / condições de execução de mercado), deverá optar-se por adjudicar a execução do ramal à EDP-Distribuição, uma vez que esta medida resultará numa simplificação e maior integração de todo o processo. Caso decida adjudicar a obra do ramal à EDP-Distribuição, o promotor deverá fazê-lo junto da EDP-Distribuição – GBCE. 2.5 Durante a fase de execução da obra (ramal), a EDP-Distribuição - GBCE poderá vir a delegar na Área de Rede respectiva todo o acompanhamento operacional (nomeadamente, para mais fácil coordenação com os “empreiteiros da EDP-Distribuição”). Este acompanhamento 82
  • 85. Tarefa B1.3 operacional deverá ser assegurado também pelo promotor (melhor conhecimento das especificações / condições locais). 2.6 No caso de o promotor desejar a instalação de Telecontagem, o promotor deverá formalizar o respectivo pedido junto da EDP-Distribuição - GBCE, que por sua vez, coordenará com o Gabinete de Telecontagem (GBTC). 2.7 A EDP-Distribuição - GBCE deverá orçamentar e descrever as respectivas condições instalação de Telecontagem e enviar esta informação para o promotor. 2.8 No caso de o promotor aceitar as condições propostas para a Telecontagem, deverá coordenar-se a instalação entre o GBCE, o GBTC e o promotor. 2.9 A EDP-Distribuição - GBCE deverá enviar ao promotor minutas dos seguintes documentos: Contrato de compra e venda de energia; Protocolo de exploração (Anexo 10); Auto de ligação (Anexo 11). 2.10 Na posse dos documentos acima, o promotor deverá enviar à EDP-Distribuição - GBCE as seguintes informações: Identificação do signatário do contrato de compra e venda de energia e indicação do respectivo cargo; Identificação do signatário do protocolo de exploração, incluindo indicação do n.º de inscrição na DGE; Identificação do responsável pela operação local, incluindo n.º de telefone, fax e n.º de inscrição na DGE; Identificação do signatário do auto de ligação; Identificação do interlocutor do Promotor, incluindo n.º de telefone, fax, e-mail e n.º de inscrição na DGE. 2.11 Uma vez concedida pela DRE a Licença de Exploração, haverá lugar à assinatura do contrato, a estabelecer entre o respectivo signatário do lado do promotor e a EDP-Distribuição. 2.12 Uma vez concedida pela DRE a Licença de Exploração, haverá lugar à assinatura do protocolo de exploração, a celebrar entre o respectivo signatário do lado do promotor e a EDP- Distribuição. 83
  • 86. Tarefa B1.3 2.13 Uma vez assinados, o contrato e o protocolo de exploração, e imediatamente antes da colocação do ramal em tensão, deverá ser assinado o auto de ligação, pelo respectivo signatário do lado do promotor e pela EDP-Distribuição. 2.3. OUTRAS ACÇÕES A DESENVOLVER No que toca às obras de construção civil eventualmente necessárias à instalação da central, e sempre que se justifique, deverão ser realizados os projectos de arquitectura, especialidade e execução, e apresentados nos foros competentes, a nível municipal. 2.4. RESUMO CRONOLÓGICO DE ACTIVIDADES Do conjunto de actividades listadas nos pontos 1 e 2, apresenta-se, na Tabela 1, uma ordenação possível para o conjunto de acções a desenvolver no processo de licenciamento / implementação de uma unidade de micro-cogeração. Refira-se que a ordem estabelecida tem por base, ou o modo como se realizou, tendo em conta a experiência prévia adquirida a este nível (unidade da LABELEC), ou modo como se consideraria desejável realizar, em resultado de uma análise crítica efectuada aos “erros” ocorridos na referida experiência Tabela 1 – Ordenação cronológica das actividades Sequênc N. º Actividade Comentári ia Activ. o 1º 1.1=2.1 Pedido informação EDP-Distribuição 1 2º 2.2 Pedido orç. ramal EDP-Distribuição 3º 1.2 Pedido autorização instalação DRE 2 4º 2.3 Apres. orç. ramal EDP-Distribuição 84
  • 87. Tarefa B1.3 5º 1.3 Emissão factura taxa DRE 6º 1.4 Emissão licença estabelecimento DRE 7º 2.4 Adjudicação ramal EDP-Distribuição 8º 2.5 Execução ramal 9º 1.5 Pedido vistoria DRE 3 10º 2.6 Pedido orç. telecont. EDP-Distribuição 11º 2.7 Apres. orç. telecont. EDP-Distribuição 12º 2.8 Adjudicação telecont. EDP-Distribuição 13º 1.6 Emissão licença exploração DRE 14º 2.9 Envio minutas docs. EDP-Distribuição 15º 2.10 Envio informações EDP-Distribuição 16º 2.11 Ass. cont. comp/vend EDP-Distribuição 17º 2.12 Ass. protocolo explor. EDP-Distribuição 18º 2.13 Ass auto ligação EDP-Distribuição 19º 1.7 Informação anual DGE 1 – Esta actividade compreende também a resposta por parte da EDP-Distribuição. Havendo uma referência legal para o período máximo de resposta, por parte da EDP-Distribuição, estima-se para a duração desta actividade, os 30 dias definidos para a resposta daquela instituição. 2 – O pedido de autorização de instalação de micro-cogeração junto da DRE inclui o projecto de engenharia associado à unidade. Nesse sentido, trata-se de uma actividade consumidora em termos de tempo, e a sua duração depende fortemente do tipo de instalação. 3 – Formalmente, o pedido de vistoria pela DRE deve ser apresentado logo que a obra esteja concluída. Contudo, dado o tempo de resposta das entidades competentes, considera-se prudente, efectuar o referido pedido (assim como a preparação de toda a documentação inerente), cerca de duas ou três semanas antes do fim, estimado, da obra. NOTA Refira-se que, no relacionamento com a DRE, é possível ir monitorizando o estado do processo. Aconselha-se, de resto, o conhecimento das pessoas responsáveis pela avaliação (técnica e administrativa) do processo, no sentido de mais facilmente prestar todos os esclarecimentos necessários e resolver eventuais problemas que surjam. 85
  • 88. Tarefa B1.3 2.5. LISTA DE ANEXOS Na Tabela 2 apresenta-se uma listagem dos anexos referidos ao longo do texto, associando- se cada um deles à actividade a que diz respeito. Tabela 2 – Lista de anexos N.º Anexo Actividade 1 Requerimento licença de estabelecimento - DRE 1.2 2 Ficha informações projecto - EDP-Distribuição 1.1, 1.2, 2.1 3 Termo responsabilidade projecto 1.2 4 Ficha identificação projecto 1.2 5 Requerimento vistoria - DRE 1.5 6 Termo responsabilidade execução instalações 1.5 7 Termo responsabilidade exploração instalações 1.5 8 Declaração técnico responsável exploração (estatuto) 1.5 9 Declaração técnico responsável exploração (interno) 1.5 10 Protocolo exploração 2.9, 2.12 11 Auto ligação 2.9, 2.13 12 Requerimento licenciamento gás - DRE 3 13 Requerimento licenciamento gás – Câmara Municipal 3 86
  • 89. Tarefa B1.3 3.M 3.MEDIÇÃO DA ENERGIA VENDIDA AO SEP VENDIDA O ponto 4 da regulamentação do D.L. 68/2002, de 25 de Março, especifica a forma de medição de energia vendida ao SEP. Deste modo, temos que, para um cliente alimentado directamente pela Rede Pública de BT com potência contratada não superior a 41,40kVA., a contagem de energia eléctrica consumida pelo utilizador na instalação é feita por meio de um contador de energia activa de ligação directa e o controlo da potência contratada é feito por meio de um disjuntor de entrada calibrado para a corrente correspondente a essa potência. O controlo da potência contratada deve passar a ser feito por um contador que permita a medição da ponta tomada em 15 min. Quando esse cliente passar a Produtor, deve ser suprimido o disjuntor de entrada, a fim de permitir ao Produtor injectar, potência na rede, respeitando a regra legal de consumir um mínimo de 50 % da energia produzida. A medição da energia entregue ao SEP deve ser feita por meio de um contador idêntico ao do distribuidor (mas propriedade do Produtor). Deve ainda existir um outro contador que permita a medição da energia total produzida pela instalação de produção, do qual o produtor deve dar conhecimento à entidade licenciadora da instalação os registos, para efeitos de controlo da relação entre as energias produzida e entregue ao SEP. O “Órgão de Corte de Segurança” poderá ser substituído por um dispositivo de comando à distância, do “Órgão de Corte da Interligação”, de modo a tornar possível o encravamento do “Órgão de Corte da Interligação”, na posição aberto, bem como a sua religação, pelo pessoal do Distribuidor, sempre que não seja conveniente a injecção de energia do microgerador na rede de distribuição pública. Deve ser obtida a aprovação prévia do Distribuidor para o tipo e localização do dispositivo de comando à distância a usar, e de forma a garantir a sua inacessibilidade a terceiros. 87
  • 90. Tarefa B1.3 Figura 1 – Esquema de contagem de energia vendida ao SEP. 88
  • 91. Tarefa B1.3 4. A VALIAÇÃO ACÚSTICA DA INSTALAÇÃO Do ponto de vista ambiental, importa avaliar o processo de micro-cogeração em termos de emissões sonoras. O Regulamento Geral do Ruído, aprovado pelo D.L. n.º 9/2007, de 27 de Fevereiro, enquadra, em termos legais, as actividades ruidosas em geral. Em particular, são definidos os níveis máximos de ruído admissíveis em zonas sensíveis ou mistas. O local onde se pretende instalar a Pilha de Combustível - Instalações da Lipor (Serviço Intermunicipalizado de Gestão de Resíduos do Grande Porto) – é uma instalação tipo industrial, enquadrando-se, em termos legais, na legislação em vigor, na zona mista. Deste modo é imposto que não seja excedido o ruído exterior de 65dB, medidos a, pelo menos, 3,5 metros de qualquer estrutura reflectora de ruído e entre 3,8 metros e 4,2 metros de altura acima do solo. É de todo o interesse fazer uma avaliação acústica da instalação da Pilha de Hidrogénio visto se tratar de um projecto de demonstração. 89
  • 92. Tarefa B1.3 A NEXOS 90
  • 93. Tarefa B1.3 I.ANEXO 1 REQUERIMENTO DE LICENÇA DE ESTABELECIMENTO Exmo Senhor Director Regional d_ ______ do Ministério da Economia (Nome ou designação social do produtor-consumidor) _________________________________ com sede em __(lugar, freguesia, concelho) _________________________________ telefone _________, fax ___________, com o número fiscal de contribuinte _____________, desejando estabelecer a seguinte instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: __ (5) _______________________________________________________________________________ , na sua _____ (indicar e caracterizar o tipo de actividade comercial, industrial, agrícola, prestação de serviços, doméstica), sita em ______ (lugar, freguesia, concelho), de harmonia com o projecto, em duplicado, em anexo, vem solicitar a necessária autorização para o estabelecimento da instalação de produção-consumo de energia eléctrica, ao abrigo do disposto no artigo 4.º do Decreto-Lei n.º 68/2002, de 25 de Março. Pede deferimento Local e data _________________________ Assinatura___________________________ (5) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada. 91
  • 94. Tarefa B1.3 92
  • 95. Tarefa B1.3 II.ANEXO 2 MICROPRODUÇÃO COM AUTOCONSUMO (DEC. LEI Nº 68/2002) PROC. Nº INFORMAÇÕES PARA PROJECTO (nº 3 do Artº 3º) REQUERENTE (1): PROMOTOR: NIF: INSTALAÇÃO: Localização (CIL): Freguesia: Concelho: Distrito: (1) Devidamente mandatado pelo promotor • POTÊNCIA DE LIGAÇÃO: TENSÃO: 400 V (+6%, −10%) kVA 230 V (+6%, −10%) • PONTO DE RECEPÇÃO: Localização: Potência de curto-circuito mínima: kVA • RAMAL DE LIGAÇÃO Constituição : Comprimento: m • PONTO DE LIGAÇÃO: • REGIME DE NEUTRO DA REDE BT: Neutro ligado directamente à terra • DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA: (A preencher de acordo com as Normas Técnicas e de Segurança a publicar pela DGE) NOTA(S) IMPORTANTE(S): Data: 93
  • 96. Tarefa B1.3 III.ANEXO 3 TERMO DE RESPONSABILIDADE PELO PROJECTO Eu, abaixo assinado (6) _____________________________________________________ , (7) ____________________________________, inscrito no Ministério da Economia com o nº ______________, portador do bilhete de identidade nº _______________, passado pelo serviço de Identificação de __________________________, em _____-___-___, domiciliado em _________________________________________________________________, autor do projecto junto da seguinte instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: ______ __________________________________________________________________________________ (8) _________________________________________________________________________________ , declaro que nele se observaram as disposições regulamentares em vigor, bem como outra legislação aplicável. Declaro também que esta minha responsabilidade terminará com a provação do projecto ou dois anos após a sua entrega ao proprietário da instalação, caso o projecto não seja submetido a aprovação. Data: _____-___-___ _____________________________ (Assinatura) (6) Nome. (7) Categoria profissional. (8) Identificação do local e principais características. 94
  • 97. Tarefa B1.3 _____________________________ (Assinatura) 95
  • 98. Tarefa B1.3 IV.ANEXO 4 FICHA DE IDENTIFICAÇÃO DO PROJECTO ELÉCTRICO DE PRODUÇÃO-CONSUMO Câmara Municipal de : Distribuidor: Direcção Regional da Economia de 1- Requerente: 1.1 Nome do Produtor-Consumidot 1.2 Número fiscal de contribuinte: 1.3 Morada: 2- Instalação: 2.1 Local: 2.2 Freguesia: 2.3 Concelho: 2.4 Descrição sumária: 3- Técnico responsável pelo projecto: 3.1 Nome: 3.2 Morada: ___________________________________________ Telefone: 3.3 Número de inscrição no Ministério da Economia; 96
  • 99. Tarefa B1.3 V.ANEXO 5 3.6.1. REQUERIMENTO PARA PEDIDO DE VISTORIA Exmo Senhor Director Regional d_ ______ do Ministério da Economia (Nome ou designação social do produtor-consumidor) ____________________________, com sede em __ (lugar, freguesia, concelho) _________________________________ telefone ___________, fax __________, com o número de contribuinte ____________, tendo concluído os trabalhos de estabelecimento da seguinte instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: (9) , na sua _____ (indicar e caracterizar o tipo de actividade comercial, industrial, agrícola, prestação de serviços, doméstica), sita em __________________ (lugar, freguesia, concelho), correspondente ao processo n.º _______, conforme projecto aprovado em 20____-____-____ , vem solicitar a respectiva vistoria e emissão da licença de exploração ao abrigo do n.º 3, do artigo 4.º, do Decreto- Lei n.º 68/2002, de 25 de Março. Para os devidos efeitos junta: Termo de Responsabilidade pela Execução da Instalação Eléctrica; Termo de Responsabilidade pela Exploração da Instalação Eléctrica; Relatório do técnico responsável pela Exploração da Instalação Eléctrica (mod. 937 IN-CM); Ficha de execução (mod. 936 IN-CM); Cópia do contrato de prestação de serviços entre o técnico responsável pela exploração e o produtor-consumidor ; Comprovativo da inscrição do instalador no IMOPPI. (9) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada. 97
  • 100. Tarefa B1.3 Data 20__-__-__ (Assinatura) _______________________________________ 98
  • 101. Tarefa B1.3 VI.ANEXO 6 TERMO DE RESPONSABILIDADE PELA EXECUÇÃO DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS , Eu, abaixo assinado (10) (11) ___________________________________, inscrito no Ministério da Economia com o nº __________, portador do bilhete de identidade nº _______________, passado pelo serviço de Identificação de __________________________, em ____-_____-_____, domiciliado em ________________________________________________________________, ao serviço de (12) _______________________________________________________________, declaro que tomo toda a responsabilidade pela execução das seguintes instalações eléctricas de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo : (13) , de (14) em ________________________________________________________, de acordo com o respectivo projecto aprovado e as disposições regulamentares em vigor. Data: ____-___-_____ ______________________________ (Assinatura) (10) Nome. (11) Categoria profissional. (12) Entidade ou no caso de ser por conta própria deve também ser indicado. (13) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada. (14) Produtor-consumidor da instalação eléctrica. 99
  • 102. Tarefa B1.3 100
  • 103. Tarefa B1.3 VII.ANEXO 7 TERMO DE RESPONSABILIDADE PELA EXPLORAÇÃO DA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA assinado (15) ______________________________________________________, Eu, abaixo (16) ____________________________________, inscrito no Ministério da Economia com o nº __________, portador do bilhete de identidade nº ___________, passado pelo serviço de Identificação de ____________________________, em _____-___-___, domiciliado em _____________________________________________________, declaro que tomo toda a responsabilidade técnica pela boa exploração das seguintes instalações eléctricas de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo : (17) , de (18) ____________________________________________________________________, sitas em _______________________________________________________________, de acordo com as disposições regulamentares de segurança em vigor e demais legislação aplicável, e da exploração das instalações que o mesmo venha a estabelecer, desde que estas sejam do meu conhecimento expresso. Declaro, também, que esta minha responsabilidade durará enquanto aquelas instalações estiverem em exploração, salvo declaração expressa em contrário. (15) Nome. (16) Categoria profissional. (17) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada. (18) Produtor-consumidor da instalação eléctrica. 101
  • 104. Tarefa B1.3 Data: _____-___-___ _______________________ (Assinatura) 102
  • 105. Tarefa B1.3 VIII.ANEXO 8 - Exemplo DECLARAÇÃO Em relação aos termos em que ocorrerá a exploração da instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: projecto de demonstração constituído por um central de micro-cogeração a gás, com consumo próprio e venda do excedente legal de energia eléctrica à EDP-Distribuição, com uma potência instalada de 30 kWe, produzindo em Baixa Tensão (400 V), da LABELEC, S.A., declara-se que foi cumprido o prescrito no artigo 23º do ESTATUTO DO TÉCNICO RESPONSÁVEL POR INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE SERVIÇO PARTICULAR. A LABELEC O TÉCNICO RESPONSÁVEL PELA EXPLORAÇÃO 103
  • 106. Tarefa B1.3 ANEXO 9 - Exemplo DECLARAÇÃO Em relação aos termos em que ocorrerá a exploração da instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: projecto de demonstração constituído por um central de micro-cogeração a gás, com consumo próprio e venda do excedente legal de energia eléctrica à EDP-Distribuição, com uma potência instalada de 30 kWe, produzindo em Baixa Tensão (400 V), da LABELEC, S.A., declara-se que José Fortunato de Jesus Sequeira, Engenheiro Electrotécnico, inscrito na Direcção Geral de Energia como técnico responsável pela exploração de instalações eléctricas com o nº 33081, residente na Avenida Movimento das Forças Armadas, 61, 2710-434 Sintra, integrante do quadro de pessoal da EDP-Distribuição de Energia, S.A. (empresa pertencente ao Grupo EDP, tal com a LABELEC, S.A.), na sua qualidade de técnico, assume a responsabilidade pela exploração das instalações eléctricas acima identificadas, com observância de legislação e normas de segurança aplicáveis. Mais, declara-se que o mesmo técnico realizará as visitas obrigatórias previstas no n.º 1 do artigo 15.º do Estatuto do Técnico Responsável por Instalações Eléctricas de Serviço Particular, e as visitas solicitadas pelo proprietário. Data: ____-___-_____ _______________________________________________ (A LABELEC) 104
  • 107. Tarefa B1.3 IX.ANEXO 10 3.6.2. PROTOCOLO DE EXPLORAÇÃO ANEXO AO CONTRATO DE VENDA E AQUISIÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA PELA EDP DISTRIBUIÇÃO AO PRODUTOR COM AUTO- CONSUMO “________________________________________________________.”, AO ABRIGO DO DEC. - LEI Nº 189/88 DE 27 DE MAIO, COM A REDACÇÃO DADA PELA PORTARIA Nº 416/90 DE 6 DE JUNHO, COM AS ADAPTAÇÕES NECESSÁRIAS À APLICAÇÃO DO DEC.-LEI Nº 68/2002 DE 25 DE MARÇO 1. INTRODUÇÃO 1.1 Para efeitos do estabelecido na cláusula 6ª. do Contrato de Compra de Energia Eléctrica pela EDP Distribuição Energia, SA, seguidamente designada por EDP Distribuição, ao Produtor em Regime Especial, __________________________________, seguidamente designado por Produtor, é acordado o presente protocolo de exploração da _______________________________ sita na freguesia de __________, concelho de _________. 1.2 Dá-se por reproduzido no presente Protocolo de Exploração, o prescrito sobre a matéria no “Regulamento da Rede de Distribuição”, publicado no DR-2ª Série, nº 164 de 16-07-1999, do Ministério da Economia, Direcção Geral de Geologia e Energia, no “Guia Técnico das Instalações de Produção Independente de Energia Eléctrica” da Direcção Geral de Geologia e Energia – Parte 5 – Condições Técnicas de Ligação à Rede Receptora, no aplicável, nos Procedimentos de Licenciamento de Instalações Eléctricas de Microprodução com Auto Consumo (PLIEMA) do Grupo II, aprovados por Despacho da Direcção Geral de Energia de 29 de Outubro de 2003 e ainda o estabelecido nos seguintes pontos. 1.3 Descrição das Instalações. Caracterização do Ponto de Ligação. A instalação é constituída por uma portinhola, onde liga o troço de rede BT subterrânea derivada do Posto de Transformação da EDP Distribuição e o armário que contém o equipamento de medida e contagem de venda e aquisição de energia à Rede Pública. O Ponto de Ligação é definido nos ________________________________________________________________. Em anexo apresenta-se o esquema unifilar da instalação. 1.4 Cumprido o disposto no ponto 2 da cláusula 24ª do Contrato, a primeira ligação à rede receptora é estabelecida pelo Produtor, após assinatura do Auto de Ligação por ambas as partes, seguindo a exploração o regime programado no autómato de comando do microgerador ou as regras estabelecidas para o caso de exploração com comando manual. 1.5 As manobras programadas de alteração do regime regular de fornecimento por necessidade de operações de manutenção, conservação ou outras na Central, podem implicar a alteração da consignação da rede, o que deverá ser feito com as devidas precauções e avisos, como se refere no ponto 2 deste Anexo. 1.6 Os interlocutores e as comunicações, entre a EDP Distribuição e o Produtor, a estabelecer no âmbito do presente protocolo, constarão de listagem divulgada e permanentemente actualizada pelas partes, que fará parte integrante do presente protocolo. 2. EXPLORAÇÃO DA REDE – CONSIGNAÇÃO 2.1 Regime normal de exploração A alimentação da instalação de microprodução com autoconsumo é efectuada através do _________________________________________. 2.2 Acessibilidade É garantido aos técnicos da EDP Distribuição o acesso às instalações do Produtor 24 horas por dia, por forma a confirmar o isolamento dos circuitos de alimentação em situação de avaria ou trabalho programado. 105
  • 108. Tarefa B1.3 2.3 Procedimentos de Operação – Manobras As manobras programadas de alteração do regime regular de fornecimento por necessidade de operações de manutenção, conservação ou outras na ______________ podem implicar alteração da configuração da rede, o que deverá ser feito com as devidas precauções e avisos, como se refere no ponto 2. deste protocolo. 2.3.1 Em regime normal O Produtor, é responsável pelas manobras no interior das suas instalações, tendo em vista a localização das eventuais avarias na rede, isolamento das instalações e reposição de serviço. Poderão haver situações em que esta responsabilidade é atribuída à EDP Distribuição. 2.3.2 Em regime perturbado A coordenação das manobras será sempre da responsabilidade da EDP Distribuição, através do Centro de Condução ___________, salvo manobras de desligação em situações de risco iminente para pessoas e bens. Estas manobras serão comunicadas posteriormente, logo que possível, com informação do sucedido (data, hora, causa e eventuais danos, assim como o envio dos relatórios que forem efectuados). No caso de falta de alimentação em qualquer das instalações, deve o Produtor, contactar o Centro de Condução a qualquer hora do dia, por forma a manter-se informado dos condicionalismos da interrupção. 2.4 Consignação da rede 2.4.1 Para se proceder à consignação da rede que interliga com a instalação de produção, para efeitos de trabalhos programados, a parte interessada comunicará, por escrito, o respectivo pedido prévio, discriminando data, período e causa da consignação, pedido que deverá ser apresentado com 4 dias de antecedência. A separação do ramal de ligação da instalação de produção será realizada da seguinte forma (adoptar a forma que se julgue mais conveniente de entre as que a seguir se referem, a acordar com o Produtor em cada caso específico): - Abertura e encravamento do seccionador de entrada da instalação de produção; - Abertura e encravamento de linhas ou ramais que separem a instalação de produção; - Abertura e encravamento do seccionador de separação do conjunto dos geradores da restante instalação. Considera-se que a separação do ramal de ligação da instalação de Produção será efectivada retirando o aparelho de corte/isolamento visível, da seguinte forma: a) A pedido da EDP Distribuição: A desactivação da portinhola será realizado, por técnicos da EDP Distribuição devidamente identificados, que procederão à sua selagem. b) A pedido do Produtor: Após aviso à EDP Distribuição, a desactivação da portinhola será realizado, por técnicos da EDP Distribuição devidamente identificados, que procederão à sua selagem. 2.4.2 Nesta situação o Produtor poderá auto-abastecer-se, de acordo com o estabelecido no PLIEMA, tendo no entanto presente a prescrição usual de segurança de que as instalações devem ser consideradas em tensão, precavendo-se contra eventuais paralelos intempestivos aquando da reposição do serviço por parte da EDP Distribuição. Operadores do Cliente reconhecidos pela EDP Distribuição O Produtor manterá actualizada a lista dos seus profissionais, por si qualificados, aptos para a realização das manobras nas suas instalações . O Centro de Condução será responsável pela coordenação das manobras e pela elaboração dos Processos de Consignação que visem, de uma forma programada, indisponibilizar as instalações. A EDP Distribuição através do responsável de consignação por si nomeado, garantirá ao responsável de trabalhos o total isolamento do ramal de alimentação onde se vão efectuar os trabalhos/ensaios. PROTECÇÕES O Produtor tem instalado, na interligação com a EDP Distribuição, as protecções próprias da interligação de acordo com o “Guia Técnico das Instalações de Produção Independente de Energia Eléctrica” da Direcção Geral de Energia. 106
  • 109. Tarefa B1.3 As protecções próprias da interligação e as equipas de contagem estão instaladas no edifício da instalação de produção. Os dispositivos de protecção serão regulados de acordo com os valores acordados com a EDP Distribuição que procederá à selagem das protecções do ponto de interligação. A desselagem e/ou alteração da regulação das protecções só pode efectuar-se com o prévio acordo da EDP Distribuição. A EDP Distribuição reserva-se o direito de solicitar e assistir aos ensaios das protecções quando o considerar conveniente. PARALELO COM A REDE 4.1 Em regime de comando manual, o Produtor comunicará previamente à EDP Distribuição a pretensão de realizar o paralelo com a rede receptora (ou acordará um programa de ligação à rede em horários pré-fixados). 4.2 Em regime de comando automático, o Produtor comunicará previamente à EDP Distribuição a programação a introduzir no autómato de comando central. 4.3 Após trabalhos de reparação, modificação, verificação das protecções, ensaios ou outros, para além da rotina, o paralelo com a rede receptora não poderá realizar-se sem o consentimento prévio da EDP Distribuição, via Centro de Condução _________, e nos termos do disposto nos pontos 4.1 ou 4.2 conforme os casos. 4.4 O Produtor avisará, com a devida antecedência, a EDP Distribuição, via Centro Condução, quando voluntariamente tencionar sair do paralelo ou alterar o regime de funcionamento. Deverão ainda ser remetidos, periodicamente, os mapas de registo e dos incidentes verificados, de acordo com o modelo em vigor. 4.5 Incidentes A ocorrência de quaisquer incidentes que provoquem a saída intempestiva do paralelo ou a interrupção do fornecimento de energia à rede, terá os seguintes procedimentos: 4.5.1 Incidentes nas instalações do Produtor a) A ocorrência de quaisquer incidentes que provoquem a saída intempestiva do paralelo ou a interrupção do fornecimento de energia eléctrica à rede, deverá ser posteriormente comunicada à EDP Distribuição, indicando a protecção que actuou, a causa provável e o tempo previsto de reposição do serviço. b) Em caso de incidentes nas instalações do Produtor que impossibilitem a ligação da linha, este deverá avisar de imediato a EDP Distribuição, via Centro de Condução Oeste. 4.5.2 Incidentes na rede da EDP Distribuição a) No caso da oscilação da tensão, deverá o Produtor contactar o Centro de Condução ___________ a fim de se informar da oportunidade de restabelecer o paralelo das redes; b) Em caso de incidentes nas linhas da rede da EDP Distribuição, deverá o Produtor contactar o Centro de Condução __________ a fim de se informar da oportunidade de restabelecer o paralelo das redes; c) Logo que a rede da EDP Distribuição esteja em condições de restabelecer o serviço, a alimentação será ligada sem prévio aviso. O estabelecimento do paralelo ficará sempre a cargo do Produtor. 4.6 Para além das operações de entrada e saída de paralelo, a comunicação de ocorrências referidas no ponto 4.5.1, deverá indicar o dia, hora e minuto de ocorrência e constará de registo próprio, acessível ao pessoal da EDP Distribuição para o efeito credenciado. 5. EXECUÇÃO DOS TRABALHOS NAS INSTALAÇÕES DE PRODUÇÃO 5.1 Para quaisquer trabalhos na instalação de produção que possam ter reflexos na rede receptora, o Produtor informará previamente a EDP Distribuição sobre todas as manobras pretendidas assim como a sua duração, para serem acordadas as respectivas datas. 5.2 Antes de se proceder à execução de quaisquer trabalhos na instalação ou manobras de exploração, deverão observar-se as regras de segurança de condução de instalações eléctricas, nomeadamente a de considerar o ramal de ligação em tensão. 5.3 De acordo com o ponto 2.2.1 do capítulo II do referido Regulamento da Rede de Distribuição, considera-se, para os efeitos mencionados em 2.4, que a rede da EDP Distribuição termina na portinhola afecta à instalação de produção. 6. ALTERAÇÕES AO PROTOCOLO 107
  • 110. Tarefa B1.3 O presente protocolo considera-se sujeito a revisão quando razões de ordem técnica o aconselhem. Na falta de acordo, a parte que pretenda a sua revisão, submeterá o caso à Direcção Geral de Energia, que arbitrará a divergência. 7. REGISTO DE OCORRÊNCIAS De acordo com Regulamento da Rede de Distribuição o Produtor deverá, por razões de acompanhamento, fiscalização e segurança, manter actualizados os registos de todas as comunicações efectuadas com o Centro de Condução, bem como das ocorrências verificadas nas suas instalações, nomeadamente das que sejam relevantes para o funcionamento da Rede de Distribuição. Coimbra, ___/___/2004 Pela EDP Distribuição Energia, S.A. Pelo PRODUTOR Eng.º ________________________ Eng.º ______________________ (Responsável pelo CC _________) (DGE nº _________) COMUNICAÇÕES ENTRE A EDP DISTRIBUIÇÃO E O PRODUTOR (PONTO 1.6 DO PROTOCOLO DE EXPLORAÇÃO) De acordo com o ponto 1.6 do presente protocolo, as comunicações entre o Produtor e a EDP Distribuição, Centro de Condução de Média Tensão, efectuar-se-á através dos seguintes meios: 1 – Da EDP Distribuição - Centro de Condução ________________ Responsável do Centro de Condução: Eng.º ____________________________ Operação da Rede: Técnicos de Condução de serviço ao Centro de Condução Telefones Telemóvel Fax 2 – Do Produtor: _____________________________________________ Responsável Eng.º ___________________ Telefones Telemóvel Fax Operação local: ______________________________ 108
  • 111. Tarefa B1.3 Telefones Telemóvel Fax ESQUEMA DA(S) ALIMENTAÇÃO (ÕES) (PONTO 1.3 DO PROTOCOLO DE EXPLORAÇÃO) 109
  • 112. Tarefa B1.3 X.ANEXO 11 3.6.3. AUTO DE LIGAÇÃO Aos ......... dias do mês de ............................ do ano dois mil e ..........., pelas ............ horas e ......... minutos, em conformidade com o preceituado no nº 3 da cláusula 24ª da Portaria 416/90 de 6 de Junho, depois de lavrado auto de inspecção das protecções de interligação e celebrado o protocolo de exploração, respectivamente de acordo com a cláusula 8ª e o anexo I da mesma portaria e exibida ainda a Licença de Exploração , se declara que foi realizado com êxito o primeiro paralelo entre a __________________________ sita em ___________, na freguesia de ____________, concelho de ____________, ea rede eléctrica de Baixa Tensão, na __________________________. Mais se declara que a potência de ligação é de ______ KVA. Este auto vai ser assinado pelos representantes das duas Empresas contraentes, presentes neste acto. Pela EDP Distribuição Pelo Produtor _______________________________ ______________________________ (Eng.º _______________________________) (Responsável pelo ____MC) 110
  • 113. Tarefa B1.3 XI.ANEXO 12 Exmo. Senhor Director da Delegação Regional da Indústria e Energia do ______________________ do Ministério da Economia ______________________________________________________, pessoa colectiva nº _________, com sede em ______________________________ ____________________________________________________________, freguesia de _________________, concelho de ___________________, distrito de _______________, requer nos termos do Artº 5º do Decreto - Lei nº 125/97 de 23 de Maio de 1997, que lhe seja concedida licença para a montagem de uma rede de distribuição de combustíveis gasosos ligados à instalação de armazenagem constituída por ____ reservatório ___________, com a capacidade de ____ m3, licenciada nos termos da alínea a) do nº1 do Artº 5º do Decreto nº 267/2002, de 26 de Novembro de 2002, sita em ____________________________________________________________, freguesia de ___________________, concelho de ___________________, distrito de _____________________, em local de que é proprietário , pelo prazo de vinte anos, juntando para tal a documentação exigida. ________________, _______de _________________de _________ Pede Deferimento 111
  • 114. Tarefa B1.3 XII.ANEXO 13 Exmo. Senhor Presidente da Câmara Municipal de _______________________ 3.6.4. 3.6.5. _______________________________________________, pessoa colectiva nº_____________, com sede em __________________________________ _________________________________________________, freguesia de _________________, concelho de _____________________, distrito de __________________, requer nos termos da alínea a) do nº1 do Artº 5º, do Decreto nº 267/2002, de 26 de Novembro de 2002, que lhe seja concedida licença para a construção de uma instalação destinada à armazenagem de combustíveis gasosos, constituída por ___ reservatório _____________, com a capacidade de ______ m3, para consumo próprio, sita em ____________________________________________________________, freguesia de _____________________, concelho de ______________________, distrito de __________________, de que é proprietário pelo prazo de vinte anos, juntando para tal a documentação exigida. _________________________,_______de ______________de _________ Pede Deferimento 112
  • 115. Tarefa B1.4 Análise comparativa das soluções existentes e pré-qualificação de fornecedores
  • 116. Tarefa B1.4 ÍNDICE 1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………115 2. Introdução……………………………………………………………………………………………116 3. Actividade I&D Realizada…………………………………………………………………………..117 3.1. Análise comparativa das tecnologias existentes no mercado e sua adequação ao projecto ........................................................................................................................................... 117 3.2. Levantamento de informação fornecida pelos fornecedores para pilha de combustível SOFC alimentada a Biogás.................................................................................................... 119 4. Conclusões Gerais………………………………………………………………………………….125 5. Referências Bibliograficas…………………………………………………………………………..126 114
  • 117. Tarefa B1.4 1. RESUMO DA TAREFA No decorrer desta tarefa será efectuado um estudo comparativo das tecnologias alternativas oferecidas, vantagens e inconvenientes específicos, perspectivas de evolução, problemas tecnológicos associados e estimativa de evolução de custos. Com base nesta avaliação, proceder-se-á à pré-qualificação de fornecedores a contactar no âmbito da Actividade 2 115
  • 118. Tarefa B1.4 2. INTRODUÇÃO A partir do levantamento de informação efectuado (Tarefa B1.1) e das especificações do projecto de demonstração a instalar procedeu-se à análise comparativa das várias tecnologias existentes no mercado. Da análise efectuada resultou a escolha de quatro potenciais fornecedores aos quais será enviado um pedido de informação com vista à aquisição de uma pilha de combustível para operar com biogás como combustível. . 116
  • 119. Tarefa B1.4 3. ACTIVIDADE I&D R EALIZADA 3.1. ANÁLISE COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS EXISTENTES NO MERCADO E SUA ADEQUAÇÃO AO PROJECTO O biogás pode ser utilizado como combustível para vários tipos de células de combustível. Consoante o tipo de pilha de combustível a usar no sistema este terá de estar equipado com diferentes tipos de unidade de pré-tratamento/reformação do combustível. Tudo isso porque, diferentes tipos de pilhas de combustível apresentam diferentes níveis de tolerância a compostos diferentes (ver Tabela 1). Tabela 1 – Efeito de vários componentes quando alimentados directamente aos diferentes tipos de células de combustível. Células de Combustível Componente PEMFC PAFC MCFC SOFC Combustível Combustível Combustível Combustível H2 Nocivo Nocivo Combustível Combustível CO Inerte Inerte Combustível Combustível CH4 Nocivo Nocivo Combustível Combustível Amónia Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo Enxofre Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo Halogéneos Por análise da tabela 1 verifica-se que, por exemplo, o CO e a amónia são componentes nocivos quando alimentados às células do tipo PEMFC e PAFC enquanto que podem servir de combustível directo nas células de alta temperatura (SOFC e MCFC). Por sua vez o Metano embora não possa ser utilizado directamente como combustível nas PEMFC e nas PAFC não apresenta características nocivas para o funcionamento das células. Com o uso de reformadores externos será possível extrair o Hidrogénio do Metano e assim alimentar estes tipos de células (baixa temperatura). Assim sendo diferentes etapas de tratamento do biogás são necessário consoante o tipo de pilha de combustível a usar (ver Figura 1). 117
  • 120. Tarefa B1.4 Biog Elevados custos de Adsorção em investimento Remoção de Adsorção em Baixos custos de investimento Elevados custos de operação Halogenar Adsorção em HC Arrefecimento a -2 ºC / adsorção em Silox Ajuste do nível de Humid M Sólid Filtro de CFC Reformação para SMR/POX/ATR/Reformação Conversão de WGS (HT + PA PSA Remoção do PEM PROX baixo nível de CO Purificação por Figura 1- Etapas de tratamento do biogás Por análise à figura 1 pode-se concluir que as pilhas de combustível de alta temperatura (MCFC e SOFC) podem ser alimentadas directamente por biogás após este ter sofrido um tratamento de remoção dos hidrocarbonetos halogenados, dos componentes sulfurosos e dos siloxanos. Estas pilhas de combustível podem operar com misturas de H2/CO/CO2. Para as pilhas de baixa temperatura, o tratamento do biogás terá obrigatoriamente de ser constituído de outras etapas para além das referidas para as MCFC e SOFC. De facto, nestas uma unidade de reformação é essencial para além de que se tem de garantir um combustível com níveis de CO inferiores a 10 ppm. Como conclusão pode-se referir as pilhas de combustível de alta temperatura são mais indicadas para operar com alimentação directa a biogás. As principais vantagens destas são: - Maior tolerância a impurezas - Maior eficiência - Unidade de tratamento para o biogás mais simples 118
  • 121. Tarefa B1.4 Dentro das pilhas de combustível de alta temperatura a escolha de SOFCs apresenta diferentes vantagens quando comparada com as MCFC: • A alta temperatura de operação (700-1000°C) permite a co-geração a um nível elevado de temperatura e evita o uso de metais nobres como catalisadores; • O funcionamento a elevada temperatura permite a integração térmica da pilha com a todas as etapas da conversão e do purificação do combustível, aumentando desse modo a eficiência do sistema; • Reduzem significativamente a poluição do ar e a emissão de gases com efeito de estufa; • Apresentam baixa degradação, que permite manter a eficiência constante durante o seu tempo da vida útil; • Apresentam elevada eficiência, mesmo operando a carga parcial; • Possibilidade de operar com vários tipos de combustível - como metano, gás de carvão, biogás (gás rico em metano), hidrocarbonetos ou H2. Esta flexibilidade abre um largo espectro de aplicações e para o cliente. Com base nos dados acima referidos optou-se por proceder à escolha de uma pilha de combustível do tipo SOFC para utilizar no projecto de demonstração a instalar. 3.2. LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO FORNECIDA PELOS FORNECEDORES PARA PILHA DE COMBUSTÍVEL SOFC ALIMENTADA A BIOGÁS. Após a caracterização do mercado efectuada a tarefa B2.1 e com base na sua análise procedeu-se à sistematização da informação focalizando apenas nas que se poderão aplicar ao projecto de demonstração a instalar num aterro sanitário. Da análise de informação foram pré-seleccionados quatro potenciais fornecedores de pilhas de combustível SOFC. Para o funcionamento de qualquer uma destas pilhas com alimentação directa a biogás será também necessário projectar e construir uma unidade de pré-tratamento do gás por forma a retirar as impurezas nocivas ao desempenho da pilha, visto não haver disponível no mercado nenhuma unidade disponível. 119
  • 122. Tarefa B1.4 Os fornecedores pré-seleccionados assim como as características principais dos produtos são de seguida apresentados. Fornecedor Ceramic Fuel Cells Limited A Ceramic Fuel Cells Limited é uma das principais companhias principais do mundo no desenvolvimento contínuo da célula combustível de alta temperatura (SOFC), tendo projectado uma pilha SOFC de 1kW e a partir dela produziu um sistema de produção de energia eléctrica e calor a partir de uma pilha combustível do óxido (SOFC) (CHP) denominado Net~Gen. A Net~Gen é uma unidade pré-comercial da demonstração, que permite avaliar o potencial do dispositivo. Estes testes de campo permitem explorar mais o potencial da produção eficiente e limpa de electricidade a partir dos sistemas micro-CHP com SOFC, tais como a Net~Gen. A Ceramic Fuel Cells Limited está a produzir quantidades limitadas deste tipo de unidades. Características técnicas Energia eléctrica 1kW Calor 1 kW ≈ 40 % Eficiência eléctrica ≈ 80 % Eficiência total Voltagem – 1 ph 220/240 VAC 50 Hz Dimensões 700x600x1200 mm Peso 150 kg 120
  • 123. Tarefa B1.4 Figura 2 – Unidade Net-Gen. Para além das células de combustível e respectivos sistemas combinados de produção de electricidade e calor, a Ceramic Fuel Cells Limited desenvolveu também uma estação de teste Esta estação de teste é constituída por plataforma funcional e versátil que contém o equipamento essencial tal como unidade da aquisição de dados (DAQ), controlo de caudais, sistema de humidificação do combustível e sistema total de segurança para a unidade. . Fornecedor HT Ceramix A unidade de demonstração HoTbox™ é um sistema completo de demonstração de uma pilha de combustível (SOFC) com potência de 500W. O sistema inclui também um isolamento contra as baixas temperaturas, os controlos, um computador pessoal integrado num painel com software dedicado, uma bateria ácida de ligação. O sistema funciona com hidrogénio ou gás de reformação, e a pilha opera a uma temperatura de 750°C. Este sistema é inteiramente autónomo e está equipado com uma bateria para o arranque independente. Foi projectado de forma a garantir uma fácil acessibilidade da pilha para manutenção. A unidade de demonstração HoTbox™ é ideal para os clientes que pretendam ter uma unidade de SOFC para mostrar as suas potencialidades, ou para aqueles interessados em testar o HoTbox™ num sistema já existente. 121
  • 124. Tarefa B1.4 Figura 3 – Unidade Hotbox. O combustível usado é o hidrogénio ou gás rico em hidrogénio proveniente da reformação e a potência eléctrica fornecida é de 0.5 a 2 kW. Fornecedor Siemens A partir de um acordo cooperativo com a empresa Fuel Cell Technologies (FCT), a Siemens Power Generation é actualmente o fornecedor de um sistema de geração de energia eléctrica e calor com tecnologia SOFC de potência 5 kW a operar com gás natural. 122
  • 125. Tarefa B1.4 Figura 4 – Sistema FCT 5 kW SOFC. Especificações Técnicas 137 x 87 x 221 cm Dimensões 1140 kg Peso 1 a 4 kW – 120/240 V AC – Saída Energia 50/60 Hz Eléctrica Aproximadamente 4 kW Calor ~ 40 % Eficiência Eléctrica ~ 80 % Eficiência Global Gás Natural, Hidrogénio, Metano Combustíveis Usados Fornecedor Acumentrics Este fornecedor comercializa os modelos RP-SOFC-5000 (5 kWe) e o RP-SOFC-10000 (10 kWe). As pilhas de combustível RP-SOFC podem ser alimentadas directamente com gás natural, propano ou outros combustíveis similares. Isto permite eficiências eléctricas que variam entre 40%-50%. A alta temperatura de operação permite aproveitar o calor gerado pela pilha aumentando a eficiência global para valores acima dos 75%. Características técnicas: RP-SOFC-5000 [RP-SOFC-10000] Saída eléctrica: 123
  • 126. Tarefa B1.4 Potência de saída da SOFC: 5 kW / 5 kVA [10 kW / 10 kVA] Tensão de saída: 120/240 V AC mono-fásicos Corrente eléctrica: 31 amps [62 amps] Tempo de arranque: Aquecimento de 10-30 min Combustivel usado: Tipos de combustível: gás natural, metano (standard) propano, etanol, metanol e hidrogénio (opcional) Dimensões: 68” L x 36” W x 60” H [68” L x 36” W x 72” H] Peso: < 1,200 lbs [< 1,500 lbs] Temperatura de operação: -20 a 120 degF Emissões acústicas: 65 dBA Manutenção: Filtro de entrada do ar: Limpeza anual Filtro de enxofre: Mudar após 9000 horas de operação Garantia: Um ano. Figura 5 – Pilha RP-SOFC-5000. 124
  • 127. Tarefa B1.4 5. C ONCLUSÕES G ERAIS De acordo com as especificações do projecto efectuou-se a pre-selecção dos forncecedores. Os fornecedores pré-seleccionados foram a Siemens, Ceramic Fuel Cells Limited, a HT Ceramix a Ecumentrics. O motivo da escolha prendeu-se com o facto destes fornecedores apresentarem soluções de sistemas de produção combinada de energia eléctrica e calor com pilhas de combustível tipo SOFC com alimentação directa a Gás Natural. Na sequência desta pré-selecção serão efectuados contactos com os referidos fornecedores. Convém ainda referir a necessidade de projectar e executar uma unidade de pré tratamento do biogás produzido no aterro para que se possa proceder à alimentação da pilha com este tipo de combustível. 125
  • 128. Tarefa B1.4 5. REFERÊNCIAS B IBLIOGRÁFICAS • Ferreira, P.;2004; “The usage of biogas in Fuel cell systems”, , CIEMAT-CSIC, Madrid, Spain. Catálogos de pilhas de combustível comercializados disponíveis em: www.cfcl.com.au www.htceramix.ch www.acumentrics.com www.powergeneration.siemens.co m 126
  • 129. Tarefa B1.5 Lançamento de Request for Information aos fornecedores pré-qualificados
  • 130. Tarefa B1.5 ÍNDICE DA TAREFA B1.5 1. Resumo da Tarefa B1.5………………………………………………………………………….129 2. DESENVOLVIMENTO DA TAREFA B1.5……………………………………………………..130 2.1 Estudo Comparativo………………………………………………………………………139 3. Conclusões………………………………………………………………………………………..147 128
  • 131. Tarefa B1.5 1. RESUMO DA TAREFA B1.5 Com base na pré-qualificação de fornecedores potenciais da PC a instalar será feito um pedido de informação cujo objectivo será obter informação mais detalhada sobre os equipamentos de forma a facilitar a elaboração de um caderno de encargos dirigido apenas à solução que se pretende implementar e aos fornecedores que se mostrem interessados e ofereçam garantias de fornecimento e manutenção do equipamento em Portugal. 129
  • 132. Tarefa B1.5 2. DESENVOLVIMENTO DA TAREFA B1.5 Após uma cuidadosa pré-selecção de fornecedores foram pré seleccionados quatro potenciais fornecedores para a pilha de combustível a instalar neste projecto de demonstração (Acumentrics, Fuel Cells Technology, Ceramic Fuel Cell Limited e Siemens). Com base nessa pré selecção foram desenvolvidos contactos com os quatro fornecedores. Um dos contactos revelou-se infrutífero visto a Empresa Fuel Cells Technology ter sido extinta após o período em que se realizou o levantamento de informação (Tarefa B1.1). Os contactos efectuados permitiram realizar um estudo comparativo dos três sistemas seleccionados. O estudo comparativo teve como base informações dos fornecedores e utilizadores e nele são apresentados os orçamentos e as vantagens e desvantagens de cada sistema. 2.1 – ESTUDO COMPARATIVO 2.1.1 - ACUMEMTRICS Descrição do sistema: 0,84 Nm3/h NG (8.5kW) Alimentação Gás: 3.5kW Potência Eléctrica: DC 3kW AC 3kW Potência Térmica: Eficiência 34% Eléctrica 70% Global Tecnologia Acumentrics (tubular, não pressurizado) Stack Acumentrics Sistema Referências (Ensaios campo) Dr. Dennis Witmer Director, Arctic Energy Technology Development Laboratory (AETDL) 130
  • 133. Tarefa B1.5 Tel: 1-907-474-7082 Email: ffdew@uaf.edu James Buckley President, Energy Alternatives Mobile: 1-907-227-7191 Email: jimbuckley@gci.net Daniel West (suggested contact) ELCO-MTS Group Tel: 49 (0) 7471 187 427 Email: Daniel.west@de.elco.net Desenvolvimento de produto Estado da arte: UPS, residencial, Mercado Futuro militar (vários kW) Análise Técnica Tecnologia Vantagens: - Vasta experiência - Equipamento robusto e com elevada tolerância a rápidas mudanças de temperatura - Baixo custo por kW - Sistemas em rápido desenvolvimento com prespectivas de atingir a ordem dos MW - Reformação interna sem recirculação, - Inversor e outras partes do sistema são também desenvolvidos pela Acumentrics Desvantagens: - Dificuldades em obter formação. - Manutenção e mudança da pilha só pode ser efectuada por técnicos americanos Experiência em sistemas SOFC 131
  • 134. Tarefa B1.5 - 31 unidades em ensaios de campo, mais 16 a entregar durante o ano de 2007 - Ensaios de campo com 3000 horas de operação Experiência na operação com biogas Pequena experiencia. Pequenos ajustes podem ser realizados por forma a utilizar cobustivel diferente do gás natural Tabela 1 – Custos associados à entrega do sistema Acumentrics. ITEM OBSERVAÇÕES Sistema US$ 210.000 Despesas de envio não incluidas. Despesas de do reenvio do aparelho a cargo do cliente Envio O Risco de perda ou estrago do sistema durante a entrega é da responsabilidade do cliente Seguros Não incluídos Data de entrega Setembro 2007 (a) 50% pré-pagamento e 50% 30 dias apos entrega Modo de pagamento (b) C.O.D. Tabela 2 – Custos associados à operação do sistema Acumentrics. ITEM CUSTO / TEMPO INCLUIDO NÃO INCLUIDO Viagem e estadia de US$10.500 Despesas técnicas Start-up técnicos US$2.500/mês Monitorização Mínimo 6 meses Essencialmente custos de Custos de operação combustivel Manutenção Estimativa: US $5000/ano 6 meses ou Peças em falta ou Garantia 1000 horas de operação Substituição de peças arranjo de peças ou 25 ciclos térmicos 132
  • 135. Tarefa B1.5 Realizado pela Acumentrics Serviço pós-venda Corp. e representado pela (logística) TEQMA, Spain. 2.1.2 - SIEMENS Descrição do sistema: 1,62Nm3/h biogas CH4-CO2 53/47 (8,14kW) Alimentação Gás: 4kW Potência Eléctrica: DC 3,3kW AC 2,7kW Potência Térmica: 38% Eficiência (com biogás)Eléctrica 69% Global Siemens (tubular, pressurizado) Tecnologia Stack Siemens Sistema Referencias (Ensaios campo) HERA (Torino) Desenvolvimento de Produto Estado da arte: Mercado Futuro Geradores de electricidade até a gama dos MW (elevada eficiência eléctrica quando combinado com micro-turbinas) Análise Técnica Tecnologia Vantagens: - Vasta experiência, sendo o sistema desenvolvido há mais tempo - Sistema robustos com tolerância a mudanças bruscas de temperatura - Elevada eficiência eléctrica a operar com biogás - Reformador a vapor externo à pilha - Serviços de manutenção técnica Europeus Desvantagens: 133
  • 136. Tarefa B1.5 - Reformação a vapor com recirculação, pequena possibilidade para alterar a percentagem de CO2. - Custo / kW elevado Experiencia em sistemas SOFC 4 unidades actualmente em ensaios de campo (Powerco, Szencorp e EWE), 10 para entrega em 2007 (EWE) Experiencia com biogás Os sistemas podem operar com um biogás cuja concentração seja estável e conhecida Tabela 3 – Custos associados à entrega do sistema Siemens. ITEM OBSERVAÇÕES US $ 360.000 Sistema Envio Não incluído no preço Seguros Não incluidos Gás Compressor 12.914$ Data de Entrega Outubro 2007 Tabela 4 – Custos associados à entrega do sistema Siemens. ITEM CUSTO / TEMPO INCLUIDO NÃO INCLUIDO Formação, instalação e Viagens e alojamento 9.100$ Formação 5 pessoas técnico start-up 32.700$/ano ou Monitorização 2.725$/mês 4.000hr de Diagnostico de Garantia operação ou 1 ano problemas / arranjo 134
  • 137. Tarefa B1.5 2.1. 3 - CERAMIC FUEL CELLS LIMITED Descrição do sistema: 0,2Nm3/h NG (2kW) Alimentação Gás: 1,24kW Potência Eléctrica: DC 1kW AC até 500W (depente da temperatura do liquido refrigerante) Potência Térmica: 50% Eficiência (com GN) Eléctrica 70% Global Ceramic Fuel Cell (plana, não Technologia Stack pressurizado, reformador a vapor interno) Ceramic Fuel Cell Sistema Referências (Ensaios campo) Powerco, Szencorp e EWE Desenvolvimento produto Estado da arte: Mercado Futuro Residencial / comercial até 20kW Análise Técnica Tecnologia Vantagens: - Vasta experiência - Elevada eficiência eléctrica - Reformador interno - Fabrica situada na Europa. Desvantagens: - Geometria plana do Stack que conduz a um pior desempenho sob efeito de fadiga térmica. - Custo / kW elevado - Desenvolvimento do produto para sistemas nunca superiores a 20kW Experiência em sistemas SOFC 4 unidades em ensaios de capo (Powerco, Szencorp and EWE) 135
  • 138. Tarefa B1.5 Experiência a operar com biogás Pode operar com biogas desde que a composição seja estável Tabela 5 – Custos associados à entrega do sistema CFCL. ITEM OBSERVAÇÕES 70 000€ Sistema Incluído no preço a menos das despesas alfandegárias e de impostos Envio aduaneiros Seguros Não incluídos Modo Pagamento 33 % Adjudicação - 33 % aquando do envio – 34 % final Data de Entrega Outubro 2007 Tabela 6 – Custos associados à entrega do sistema CFCL. ITEM CUSTO / TEMPO INCLUIDO NÃO INCLUIDO Formação, instalação e Incluído no preço sistema start-up Incluído no preço Monitorização sistema Manutenção 1 ano de garantia Garantia 70000€ Substituição ilimitada de peças Serviço pós-venda £500 por dia mais (logística) impostos 136
  • 139. Tarefa B1.5 3.C 3.C ONCLUSÕES Analisando cuidadosamente os orçamentos recebidos e as respostas aos RFI’s lançados aos fornecedores optou-se por negociar a aquisição da pilha com o fornecedor Acumentrics pelo facto de ser o fornecedor que, para as condições requeridas, melhor preço apresentou com garantia de bom funcionamento com biogas. O fornecedor CFCL foi excluído por, ao contrário do inicialmente previsto, não ter capacidade, no imediato de fornecer um sistema SOFC com a potência requerida (5 kWe) A decisão não teve unicamente a ver com o preço mas também com contactos com promotores de projectos de demonstração deste tipo que deram as melhores referências dos sistemas actualmente em ensaios. 137
  • 140. Tarefa B1.6 Análise de soluções possíveis para fornecimento de combustível para alimentação da Pilha de Combustível
  • 141. Tarefa B1.6 ÍNDICE 1. Resumo da tarefa B1.6......................................................................................................... 140 2. Introdução........................................................................................................................... 141 3. Actividade I&D Realizada...................................................................................................... 142 3.1 Levantamento de informação acerca dos tipos de combustíveis usados para alimentação de células de combustível..................................................................................................... 142 3.2 Levantamento de informação acerca dos tipos de combustíveis usados para alimentação de células de combustível tipo SOFC..................................................................................... 143 3.3. Utilização do biogás como combustível ..................................................................... 145 3.3.1 - Caracterização do biogás. Diferentes usos do combustível biogás. ........................ 145 3.3.2 Caracterização do biogás produzido por um aterro (gás de aterro)........................... 147 3.3.3 Utilização do biogás como combustível em células de combustível SOFC.................. 148 3.4 Unidade de pré-tratamento do biogás (gás de aterro) ................................................. 149 4. Conclusões Gerais ............................................................................................................... 152 5. Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 153 139
  • 142. Tarefa B1.6 1. RESUMO DA TAREFA B1.6 Esta tarefa consiste em efectuar uma análise comparativa das possíveis soluções de armazenamento/fornecimento de combustível a ser utilizado pela PC. Pretende também avaliar a possibilidade de utilização do biogás produzido por um aterro, bem como o eventual tratamento necessário. 140
  • 143. Tarefa B1.6 2. INTRODUÇÃO Na presente tarefa foi, até à data, efectuado um levantamento de informação quanto a tipo de combustível a usar no projecto de demonstração. Visto a actividade na qual esta tarefa está inserida visar a instalação de um projecto de demonstração (com a utilização de uma pilha de combustível do tipo SOFC) num aterro sanitário a pesquisa incidiu, nesta primeira fase, sobre os vários tipos de combustível que podem ser usados numa pilhas de combustível de alta temperatura do tipo SOFC. Foi ainda realizado um levantamento de informação quanto à caracterização genérica do biogás proveniente de um aterro assim como acerca do pré tratamento a realizar ao gás de aterro por forma a poder ser utilizado como combustível para a célula de combustível. 141
  • 144. Tarefa B1.6 3. ACTIVIDADE I&D R EALIZADA 3.1 LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO ACERCA DOS TIPOS DE COMBUSTÍVEIS USADOS PARA ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL Muitos trabalhos vêm sendo desenvolvidos em todo o mundo, visando um futuro no qual o hidrogénio substitua os hidrocarbonetos como o vector energético ideal. Para que isso aconteça, no entanto, será preciso resolver problemas relacionados com o armazenamento e transporte do gás, que apresentam muitas dificuldades. O sucesso da era do hidrogénio vai depender, em um primeiro momento, da existência de células combustível de baixo custo, usando reformadores. Apesar de estar associada à tecnologia do hidrogénio, o reagente redutor usado nas células combustível não é necessariamente o H2 embora este, no seu estado puro, seja o combustível ideal. Enquanto a economia do hidrogénio não se torna uma realidade, o ideal é usar combustíveis homogéneos para que os reformadores funcionem melhor. Quanto menor a cadeia de carbono dos hidrocarbonetos, mais vantajoso. Um combustível importante é o gás natural. O metanol e o etanol (álcool comum) também podem servir. A gasolina é menos conveniente, pois trata-se de uma mistura de diversas moléculas. Na tabela 1 resume o efeito de alguns componentes nos diferentes tipos de células de combustível. Verifica-se que o CO e a amónia são componentes nocivos quando alimentados as células do tipo PEMFC e PAFC enquanto que podem servir de combustível directo nas células de alta temperatura (SOFC e MCFC). Por sua vez o Metano embora não possa ser utilizado directamente como combustível nas PEMFC e nas PAFC não apresenta características nocivas para o funcionamento das células. Com o uso de reformadores externos será possível extrair o Hidrogénio do Metano e assim alimentar estes tipos de células (baixa temperatura). Tabela 1 – Efeito de vários componentes quando alimentados directamente aos diferentes tipos de células de combustível. 142
  • 145. Tarefa B1.6 Células de Combustível Componente PEMFC PAFC MCFC SOFC Combustível Combustível Combustível Combustível H2 Nocivo Nocivo Combustível Combustível CO Inerte Inerte Combustível Combustível CH4 Nocivo Nocivo Combustível Combustível Amónia Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo Enxofre Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo Halogéneos Visto o projecto de demonstração que se pretende instalar no âmbito deste projecto seja com a utilização de células de combustível de alta temperatura (SOFC) incidimos, nesta primeira fase de realização da tarefa nos combustíveis que possam ser usados neste tipo de células. O levantamento de informação efectuado encontra-se na seguinte secção. 3.2 LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO ACERCA DOS TIPOS DE COMBUSTÍVEIS USADOS PARA ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO SOFC As células combustível de óxido sólido (SOFC) são unidades electroquímicas de conversão que converte energia química em energia eléctrica e térmica com uma eficiência elevada e com emissões de poluentes inferiores quando comparados com os processos de combustão (Minh et al., 1995). Este tipo de célula combustível pode ser aplicada em centrais eléctricas e em centrais de cogeração (Minh et al., 1995; Lundberg et al.,2001). As SOFC podem também ser usadas como unidades de potência auxiliar (APU) em aplicações móveis (Minh et al., 1995). É sabido que o monóxido de Carbono e o hidrogénio podem tipicamente serem usados como combustíveis para SOFC. Além disso, como as SOFC operam geralmente em altas temperaturas (700-1100 ºC), alguns hidrocarbonetos (isto é metano) podem também ser usados directamente como combustíveis, em vez do hidrogénio e do monóxido de carbono, através da alimentação directa ao lado anódico da célula; esta operação é denominada por reformação interna directa nas SOFC (DIR-SOFC). De acordo com esta operação, os hidrocarbonetos, que servem de combustível, são reformados no ânodo produzindo o monóxido de carbono e o hidrogénio, que por sua vez são consumidos electroquimicamente gerando electricidade e calor simultaneamente. A vantagem da DIR-SOFC é que o consumo do hidrogénio pela reacção electroquímica pode directamente promover a reformação ou a conversão dos hidrocarbonetos no lado do ânodo. Dessa forma, a operação das DIR-SOFC tem como característica uma elevada conversão e uma elevada eficiência (Clarke et al., 1997). A operação de DIR-SOFC requer um ânodo constituído por um material que 143
  • 146. Tarefa B1.6 apresente boa reactividade no que diz respeito à reformação catalítica e boa reactividade electroquímica. O material mais comum para o ânodo das SOFC é o Ni/YSZ devido a seu baixo custo quando comparado com o de outros metais (por exemplo, Co, Ru, e Rh) e também devido à sua boa adequação às exigências do projecto da célula combustível. Além disso, este material fornece também a actividade catalítica benéfica para a operação de DIR-SOFC. A fracção de níquel no ânodo de Ni/YSZ é de geralmente 40-60% por forma a contrabalançar a expansão térmica de YSZ (Wincewicz et al.,2005). Alguns investigadores estudaram o desempenho operacional da DIR-SOFC comparativamente ao desempenho da SOFC alimentada directamente por metano. Por sua vez outros autores como Yentekakis et al. (Yentekakis et al., 1993) investigaram o efeito do vapor na taxa de reformação do metano sobre os eléctrodos Ni/YSZ numa gama de temperaturas de 800 a 930 ºC, variando igualmente a relação de H2O/CH4 entre 0,15 a 2,0. Os resultados indicaram uma forte influência do vapor na taxa de reformação. Em contraste com aquelas conclusões, Achenbach e Riensche (1994) não relataram nenhuma influência da pressão parcial do vapor na entrada. Dicks et al. (2000) observaram, por sua vez, que a dependência da taxa reformação do metano sobre o ânodo Ni/ZrO2 era função da temperatura e da composição do gás. A maioria dos trabalhos publicados acerca da operação DIR-SOFC indicam que a maior dificuldade da operação, quando efectuada sobre o eléctrodo Ni/YSZ, é a possível deposição de carbono na superfície do Ni devido à quebra das ligações dos hidrocarbonetos Ni/YSZ. Esta formação pode obstruir o acesso do gás e degradar o desempenho do ânodo, já que pode obstruir os locais activos do catalisador, resultando numa perda do desempenho da célula e numa diminuição da sua durabilidade. Uma outra operação de reformação interna é a denominada reformação interna indirecta (IIR- SOFC). Através desta operação, a reacção de reformação ocorre no reformador, que está em contacto térmico com o ânodo da SOFC. Este sistema (IIR-SOFC) tem a vantagem de permitir uma boa transferência de calor entre o reformador e a célula combustível. Além do que, contrariamente ao processo DIR-SOFC, a reformação e o ânodo são independentes pelo que o catalisador para a reacção de reformação e o material para reacções electroquímicas no lado do ânodo da célula combustível podem ser optimizados individualmente, impedindo a degradação do ânodo por deposição do carbono. Actualmente, o metano é o combustível principal para SOFC por motivos técnicos e económicos. Não obstante, o uso dos álcoois (isto é metanol e etanol) é também possível quando se opera com um reformador interno. O metanol é favorável devido a sua disponibilidade, elevada energia específica e conveniência de transporte e de armazenamento (Emonts et al., 1998 ; Ledjeff-Hey et al., 1998), no entanto o etanol é também um candidato prometedor, já que está a ser produzido a partir de recursos renováveis (por exemplo, fermentação da biomassa) e tem um índice razoavelmente elevado de hidrogénio (Cavallaro et al., 1996; Fatsikostas et al. , 2004). Douvartzides et al. (2003) aplicaram uma análise termodinâmica por forma a avaliar a 144
  • 147. Tarefa B1.6 praticabilidade dos combustíveis diferentes, isto é metano, metanol, e etanol para SOFC. Os resultados obtidos em termos de eficiência mostram que o etanol e o metanol são alternativas muito prometedoras ao hidrogénio. Um outro combustível que pode ser usado directamente neste tipo de células de combustível (SOFC) é o biogás. Visto o projecto de demonstração que se pretende instalar no âmbito deste projecto seja com alimentação directa de gás de aterro (biogás) serão, nas secções subsequentes, descritas as suas principais características assim como a exequibilidade e requisitos para a utilização como combustível em células de combustível de alta temperatura (SOFC). 3.3. UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL 3.3.1 - CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS. DIFERENTES USOS DO COMBUSTÍVEL BIOGÁS. O biogás é uma mistura gasosa de dióxido de carbono e metano produzido em meio anaeróbico por acção de bactérias em matérias orgânicas, que são fermentadas dentro de determinados limites de temperatura, teor de humidade e acidez. O metano, principal componente do biogás, não tem cheiro, cor ou sabor, mas os outros gases presentes conferem-lhe um ligeiro odor desagradável. O biogás pode ser, genericamente, de dois tipos diferentes consoante a sua origem: gás de aterro ou gás de digestão anaeróbica. O gás de digestão anaeróbica é produzido durante o tratamento de água do desperdício industrial, estabilização de lamas, reciclagem de bio- desperdícios, desperdício agrícolas. É uma fonte de energia renovável e o seu uso como tal está progressivamente a ganhar expressão por forma a garantir um desenvolvimento sustentável e a diminuir o recurso a combustíveis fosseis. Para além da produção de calor e electricidade em sistemas de co-geração também pode o biogás ser usado como combustível para veículos ou para células de combustível para alem da possibilidade de ser integrado na rede de distribuição de Gás Natural após devido tratamento (Figura 1). A principal desvantagem desta utilização é a variabilidade de sua composição que depende da fonte e varia com tempo. Calo Aterros Sanitários r 145 Electricid ade
  • 148. Tarefa B1.6 Figura 1 – Uso do biogás como fonte de energia renovável. De facto, dependendo da aplicação final a qualidade do biogás tem que ser melhorada. Tipicamente os componentes principais a remover são: H2S, H2O, HC-X e CO2. A remoção do H2S e dos HC-X previnem problemas associados a corrosão, para além do que concentrações elevadas de H2S pode ser tóxico e permitir a formação de SO2/SO3 nos queimadores. A eliminação do vapor de água evita problemas associados a condensações nas linhas de gás e consequente formação de soluções ácidas. O CO2, por sua vez reduz a energia específica do biogás. O biogás pode ser usado em diferentes tipos de células de combustível, preferencialmente em células de combustível de alta temperatura (MCFC, SOFC) desde que se promova, antes da reformação, a remoção dos compostos de enxofre e hidrocarbonetos halogenados. Estas células são mais tolerante às impurezas e operam com misturas H2/CO/CO2, alguns dos elementos presentes no biogás. Quanto às células de combustível de baixa temperatura, nomeadamente as PEMFC, a utilização de biogás como combustível é também possível desde que seja assegurada, a montante do processo de reformação externa, a remoção dos compostos de enxofre, NH3, hidrocarbonetos halogenados. Os níveis do CO terão de ser obrigatoriamente menores do que 10 ppm. 146
  • 149. Tarefa B1.6 3.3.2 CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS PRODUZIDO POR UM ATERRO (GÁS DE ATERRO) O gás de aterro é produzido a partir de desperdícios orgânicos dispostos num aterro sanitário. Os desperdícios são cobertos e comprimidos mecanicamente. Através de um processo de decomposição anaeróbica o desperdício orgânico produz gás de aterro. Este gás é libertado lentamente na atmosfera sendo que a essa libertação provoca um mau cheiro na vizinhança do aterro, contribui para poluição atmosférica local e oferece perigo da explosão. Adicionalmente, o gás de aterro é aproximadamente 50 por cento de metano em volume, um gás com efeito de estufa que contribui para o aquecimento global. No entanto, este metano constituinte do gás de aterro é também fonte energia que, se não for recolhida, será desperdiçada. O processo de recolha deste gás está normalizado e legislado tendo sido emitidos pela EPA (Estados Unidos) os padrões de desempenho para o controle do gás de aterro. Os regulamentos dizem respeito à emissão de compostos orgânicos para além do metano (NMOCs), compreendendo umas 100 variedades de compostos orgânicos e de poluentes perigosos, tais como o cloreto de vinil e o benzeno, que são emitidos no gás de aterro. Estas emissões representam geralmente menos de 1% da composição total do gás de aterro sendo que em termos volumétrico o metano representa cerca de 50% da composição enquanto que o CO2 (25-50%). O gás de aterro tem um poder calorífico que é aproximadamente metade do do gás natural. De acordo com este regulamento, os aterros que emitem mais de 55 L por ano de NMOCs são obrigados para instalar um sistema de recolha do gás e um sistema de tratamento capaz de destruir 98% dos NMOCs do gás ou de reduzi-los a menos do que 20 ppm. Neste processo, o potencial do metano em termos de efeito de estufa também é destruído ou então utilizado para produzir electricidade ou calor. Uma vez instalado, o sistema da recolha deve operar até que as emissões de NMOC sejam inferiores a 55 L/ano. A recolha do gás de aterro é uma tecnologia bem desenvolvida. O método usual consiste fazer furos verticais com diâmetro de 0,6 m no aterro, espaçados em cerca de15-92 m. Uma tubagem perfurada é introduzida no furo, o furo é então preenchido com cascalho. Estas tubagens são conduzidas a um distribuidor, daí ao sistema da remoção de lixiviados, e a uma bomba do gás. O gás recolhido pode subsequentemente ser utilizado para produção de electricidade e calor. Já que o gás de aterro poderia produzir cerca de 1% das exigências de energia dos Estados Unidos, o EPA está a incentivar a produção de energia a partir destes métodos. Nessa perspectiva o uso de células de combustível é uma tecnologia emergente que pode promover o uso limpo, eficiente, e económico da energia do gás de aterro, apresentado contudo alguns problemas sendo um deles a variabilidade de composição molar do gás que depende da fonte e varia com tempo. 147
  • 150. Tarefa B1.6 A utilização do biogás e o pré-tratamento a realizar por forma a ser alimentado a células de combustível de altas temperaturas (tipo SOFC) são de seguida caracterizados. 3.3.3 UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL EM CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SOFC O metano e o CO2 são os constituintes principais dos biogás (Hammad et al., 1999; Van Herle et al.,2004), produzidos extensivamente por tratamento anaeróbico de desperdícios biológicos ou obtido a partir de aterros sanitários. Pese embora seja variável no tempo, a composição molar média do biogás encontra-se geralmente dentro das seguintes margens: CH4 = 50-70%, CO2 = 25- 50%, H2 = 1-5% e N2 = 0.3-3% para além de outras impurezas menores, nomeadamente NH3, H2S. O hidrogénio, monóxido de carbono ou misturas de H2+CO, produzidas por processos de reformação do metano constituinte do biogás, podem então ser usadas como combustível eficiente para células combustíveis de alta temperatura (SOFCs) por forma a produzir electricidade e calor (Vayenas et al., 1997; Stoukides, 2000) . Logo, a fim utilizar o metano, as células combustíveis empregam geralmente um processo de reformação externo do combustível onde os combustíveis prontamente disponíveis são convertidos a CO e H2, antes que serem fornecidos à pilha de combustível. Alternativamente, o conceito de reformação interna foi considerado como uma solução mais atractiva e mais vantajosa. Neste conceito, a reacção de reformação ocorre directamente - sem a necessidade de um reformador externo - no eléctrodo anódico da célula pelos processos descritos na secção 5.2 para o combustível Metano. A cinética da reacção de reformação do metano, assim como as das oxidações de H2 e de CO por O2−, são rápidas à temperatura normal de operação das SOFCs. Além disso, a reacção reformação é endotérmica o que pode provocar uma refrigeração severa do ânodo. Tal refrigeração pode ter um forte efeito adverso no desempenho da pilha mas pode, em princípio, ser equilibrada através do uso de uma parcela do calor produzido pela oxidação paralela do H2 e do CO. Yentekakis (2006) realizou estudos com o objectivo de avaliar a praticabilidade de operar as SOFC directamente com o biogás (CH4 +CO2). Para tal utilizou um electrólito sólido do tipo GDC (óxido de Cério estabilizado com óxido de Gadolinium) e com os seguintes eléctrodos: Ni(Au)- GDC como ânodo e La0.54Sr0.46MnO3 como cátodo. Ouro foi usado como um componente do ânodo do por forma a inibir a deposição de carbono. De facto estudos experimentais recentes mostraram que a incorporação de Au no eléctrodo de Ni promove a formação do carbono adsorvido que é oxidado prontamente por O2 ou por O2− (Besenbacher, 1998), não tendo assim uma influência negativa no desempenho da pilha. Visto as impurezas de enxofre poderem causar a desactivação quer da maioria dos catalisadores da reformação do metano quer do ânodo da célula combustível, o biogás utilizado como 148
  • 151. Tarefa B1.6 combustível em pilhas da célula combustível tem de ser primeiramente tratado. A amónia não é muito problemática na alimentação das SOFC, já que pode facilmente ser oxidada em N2 e H2O. Uma descrição genérica das unidades de pré-tratmento do biogás (gás de aterro) é de seguida efectuada. 3.4 UNIDADE DE PRÉ-TRATAMENTO DO BIOGÁS (GÁS DE ATERRO) Tal como foi citado o biogás utilizado como combustível em pilhas da célula combustível tem de ser primeiramente tratado. A diluição ou remoção de contaminantes gasosos pode ser obtida através de diferentes métodos. Para efectuar a remoção de contaminantes gasosos podem ser utilizadas basicamente 3 tipos de tecnologia: lavagem, retenção, destruição dos compostos. O princípio da lavagem utiliza a água (lavadores) para captar os contaminantes gasosos. O caudal de ar é obrigado a atravessar água pulverizada que simultaneamente arrasta as poeiras e partes dos componentes gasosos que com ela se combinam. A ocorrência de uma reacção entre os contaminantes e a água leva à necessidade do tratamento continuado da água utilizada, para além da necessidade de reposição de água para compensar a evaporação e eventuais purgas. O princípio da retenção utiliza substâncias altamente porosas, com uma superfície específica muito elevada (“filtros activados”). Estes filtros usam o princípio da adsorsão, sendo os gases adsorvidos pelos poros e capilares da substância porosa que constitui o filtro, geralmente carvão activado ou alumina (óxido de alumínio). Deve ter-se em atenção que quando estes filtros ficam saturados, gases anteriormente adsorvidos são arrastados no caudal de ar, deixando o filtro de ter qualquer eficácia O princípio da destruição dos compostos pode ser obtido por duas vias: eléctrica e térmica. No primeiro caso são utilizados geradores de iões (positivos) o que permite eliminar alguns contaminantes (não confundir com os geradores de iões negativos que servem para eliminar poeiras). Aqueles equipamentos produzem uma baixa concentração de ozono que remove contaminantes orgânicos do ar, convertendo os compostos que produzem cheiros noutros que não produzem cheiros mas que em alguns casos podem também ser tóxicos. No segundo caso é efectuada a queima do ar “poluído” sendo os contaminantes destruídos devido à temperatura atingida pelo gás (ar + produtos da combustão) resultante da queima. Neste processo, alguns dos contaminantes podem ser “queimados”, dependendo da sua composição química. Todos os princípios acima indicados, excepto a queima, podem ser aplicados na destruição dos contaminantes do gás de aterro. A combinação do princípio da lavagem com o da retenção ou 149
  • 152. Tarefa B1.6 destruição por via eléctrica pode ainda ser utilizada, permitindo desta forma garantir que a concentração dos contaminantes gasosos no ar à saída é muito reduzido ou nulo (inferior aos limites legais, em termos de emissões gasosas). Outro problema identificado para o caso particular dos gases de aterro é a formação de siloxanos. Apresenta-se de seguida um resumo do capitulo 24 ‘Control of Siloxanes’ do livro: Biofuels for Fuel Cells - Renewable Energy from Biomass Fermentation; ed. P.Lens, P.Westermann, M.Haberbauer, A.Moreno; IWA Publishing (2005). A limpeza da maior parte das espécies gasosas provenientes dos aterros pode ser efectuada com filtro de carbono activado. Para além das espécies mais comuns a presença de silício pode dar origem a componentes gasosos contendo este elemento. Designam-se por siloxanos os compostos com ligações em sequência de silício e oxigénio e são usados em muitos equipamentos domésticos. O silicone é um exemplo e pensou-se ser inerte. Verifica-se no entanto por um processo de hidrólise que se combinam com orgânicos formando compostos voláteis em cadeias lineares ou cíclicas, com radicais metil. Devido aos siloxanos formados inicialmente serem insolúveis em água e terem elevada massa molecular criam ligações fortes com compostos orgânicos e fazem parte do biogás. A presença dos siloxanos nos gases conduz à formação de depósitos e ao desgaste de superfícies por erosão. No caso das superfícies no interior da pilha de combustível os depósitos podem formar uma camada vítrea inibindo o acesso ao catalisador e aos sítios activos. Apesar de ainda não existir um método standard para a remoção dos siloxanos em geral utilizam-se métodos de separação física. Um dos métodos descritos consiste em arrefecer os gases a –30ºC de modo a formar gelo e absorver os siloxanos no gelo, garantindo um valor inferior a 1 mg/Nm3. A Applied Filter Technology utiliza adsorsão em filtros de carbono porosos que são muito selectivos para os siloxanos. Os filtros garantem um valor inferior a 0,3 mg/Nm3 e podem ser regenerados. O carbono activado é usado em muitos casos podendo em alternativa ser usada sílica gel e polímeros. Existem também diversos sistemas testados com absorção em líquidos, sendo os mais usados dimetileter e polietileno glycol. Estes sistemas preparados para capturar CO2, H2S, COS, mercaptanos também são eficientes para os siloxanos. Os contaminantes são absorvidos numa coluna em contra-corrente sendo depois o óleo hidrocarboneto contaminado aquecido e bombeado para uma coluna de desorção onde os contaminantes são vaporizados em vácuo. A eficiência de remoção está relacionada com a temperatura de ebulição dos contaminantes. O ácido sulfúrico é também eficiente para eliminar os siloxanos mas a sua utilização é limitada devido ao seu potencial corrosivo. Deste modo já foram testadas soluções com acido sulfúrico em várias concentrações e ácido nítrico. 150
  • 153. Tarefa B1.6 A análise do processo de biodegradação dos siloxanos permitiu verificar que se podem formar moléculas mais pequenas e compostos solúveis em água como produtos finais. Deste modo uma alternativa à separação física consiste em utilizar bio-reactores para os quais é necessário identificar as bactérias responsáveis e as condições óptimas do processo para desenvolver um sistema biológico de limpeza dos gases, que teria menos custos de operação quando comparado com processos físicos. 151
  • 154. Tarefa B1.6 4. C ONCLUSÕES G ERAIS Durante os meses de Novembro e Dezembro de 2006 foi efectuado um levantamento de informação acerca dos diferentes tipos combustíveis passíveis de serem usados em pilhas de combustível. Visto esta tarefa estar relacionado com a execução de um projecto de demonstração e, em sequência dos progresso obtidos nas tarefas B1.1, B1.2 e B1.3, optou-se por focalizar essa pesquisa nos tipos de combustíveis usados na alimentação de células de combustível de alta temperatura nomeadamente as do tipo SOFC. Foram enumerados os combustíveis possíveis de utilizar com esse tipo de células e os requisitos necessários do sistema (tecnologias actuais) para a optimização dos processos quando operados com diferentes tipos de combustível. As células de combustível tipo SOFC podem então ser alimentadas por H2 puro (presencialmente) mas também com Metano, Metanol e Etanol. O Biogás é também um combustível adequado (devido ao seu elevado teor de Metano) no entanto é necessário ter algumas cautelas nomeadamente na remoção das impurezas contidas no biogás proveniente de um aterro. Uma unidade de pré-tratamento é, desse modo, necessária para evitar a contaminação da célula provocada principalmente por impurezas sulfurosas. Com uma eficaz unidade de pré-tratamento é então possível, segundo alguns autores, utilizar o biogás como combustível directo de uma SOFC desde que esta esteja equipada devidamente (com catalisador e ânodo apropriado) para a utilização directa do Metano. O principal problema desta utilização prende-se com a variabilidade da composição do biogás produzido por um aterro ao longo do tempo. No mercado existem soluções disponíveis comercialmente que cumprem esse s requisitos, tal como pode ser verificado nos relatórios de progresso correspondentes às tarefas B1.1 e B1.3. 152
  • 155. Tarefa B1.6 5. REFERÊNCIAS B IBLIOGRÁFICAS • Achenbach E., Riensche E., (1994) J. Power Sources 52:283. • Besenbacher F., Chorkendorff I., Clausen B.S., Hammer B., Molenbroek, A.M., Nørskov, J.K., Stensgaard I., (1998) Science 279:1913. • Cavallaro S., Freni S., (1996) Int. J. Hydrogen Energy 21 (6):465. • Clarke S.H., Dicks A.L., Pointon K., Smith T.A., Swann A., (1997) Catal. Today 38 (4) 411. • Dicks A.L., Pointon K.D., Siddle A., (2000) J. Power Sources 86:523. • Douvartzides S.L., Coutelieris F.A., Demin K., Tsiakaras P.E., (2003) AIChE J. 49: 248. • Emonts B., Hansen J.B., Jorgensen S.L., Hohlein B., Peters R., (1998) J. Power Sources 71:288. • Fatsikostas A.N., Verykios X.E., (2004) J. Catal. 225 (4):439. • Hammad M., Badarneh D., Tahboub K., (1999) Energy Convers. Manage. 40:463. • Laosiripojana N., Assabumrungrat S. (2001), Journal of Power Sources 163:943–951 • Ledjeff-Hey K., Formanski V., Kalk T., Roes J., (1998) J. Power Sources 71 (1–2):199. • Lundberg W.L., Veyo S.E., (2001) in: Yokohawa, S.C. Singhal (Eds.), Proceeding of the 7th International Symposium Solid Oxide Fuel Cells VII, p. 78. • Minh N.Q., Takahashi T.,(1995); Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Elsevier, Amsterdam. • Stoukides M., (2000), Catal. Rev. -Sci. Eng. 42:1. 153
  • 156. Tarefa B1.6 • Van herle J., Marechal F., Leuenberger S., Membrez M., Bucheli O., Favrat D., (2004) J. Power Sources 131 : 127. • Van herle J., Membrez Y., Bucheli O., (2004)J. Power Sources 127:300. • Vayenas C.G., Bebelis S.I., Yentekakis I.V., Neophytides S.N., 1997 Electrocatalysis and Electrochemical Reactors, in: P.J. Gellings, H.J.M. Bouwmeester (Eds.), The CRC Handbook of Solid State Electrochemistry, CRC Press, pp. 445–480 (Chapter 13). • Wincewicz K.C., Cooper J.S., (2005) J. Power Sources 140:280. • Yentekakis I.V., (2006), Journal of Power Sources 160:422–425 • Yentekakis I.V., Neophytides S.G., Kaloyiannis A.C., Vayenas C.G.,(1993) Proceeding of the 3rd International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, vol. 4, Honolulu, HI, USA, p. 904. 154
  • 157. Tarefa B1.7 Lançamento de Request for Information aos fornecedores de combustível para as Pilhas de Combustível
  • 158. Tarefa B1.7 ÍNDICE DA TAREFA B1.7 Resumo da Tarefa B1.7………………………………………………………………………………..157 Desenvolvimento da Tarefa B1.7………………………………………………………………………169 156
  • 159. Tarefa B1.7 RESUMO DA TAREFA B1.7 Será efectuada uma análise comparativa das possíveis soluções de armazenamento/fornecimento de combustível a ser utilizado pela PC. Será avaliada a possibilidade de utilização do biogás produzido por um aterro, bem como o eventual tratamento necessário. 157
  • 160. Tarefa B1.7 D ESENVOLVIMENTO DA TAREFA B 1.7 A tarefa B 1.7 consistia no lançamento de RFI aos fornecedores de combustível para as PC pré-seleccionadas. Para respeitar o principio estabelecido aquando da candidatura do projecto foram desenvolvidos, desde o início do projecto contactos com um aterro sanitário da zona do grande Porto (concretamente a LIPOR) por forma a acordar a realização de um projecto de demonstração nas suas instalações constituído por um sistema SOFC (5 kWe) alimentado com biogás proveniente de um dos seus aterros. Assim sendo foram efectuadas, no âmbito desta tarefa, as seguintes actividades: • Reuniões com o conselho de administração da LIPOR com vista a acordar condições para instalação da pilha de combustível num dos aterros sanitários da zona do grande Porto. Nessas reuniões foram realizadas pequenas apresentações técnicas onde, para além de uma descrição pormenorizada do projecto e da tecnologia a usar, foram apresentados os benefícios esperados elo consorcio EDEN e pela LIPOR na eventualidade da concretização do acordo que permitisse realizar o projecto de demonstração. Os benificios apontados foram: • Benefícios globais • Redução de emissão de poluentes e de gases de efeito de estufa (“Act global, think local”) • Benefícios para o consorcio • Aquisição de conhecimento prático efectivo das capacidades e limitações destas tecnologias • Conhecimentos adquiridos e resultados obtidos servirão de base para futuros projectos desenvolvimento nesta área específica • Benefícios para a LIPOR • Utilização de um produto excedentário (Biogás) • Poupança nos consumos energéticos (com pouca expressão já que a potência a instalar será pequena) • Aumentar o conhecimento da LIPOR sobre este tipo de tecnologias 158
  • 161. Tarefa B1.7 • A divulgação deste projecto poderá trazer alguma visibilidade da qual a LIPOR poderá beneficiar e potenciar. • Contactos para definição do local para instalação da pilha, utilização do calor/electricidade proveniente da pilha. • Elaboração de proposta para condições de utilização/exploração do sistema e contribuição da LIPOR no processo na sua globalidade. Após a realização das actividades supra-citadas o consorcio EDEN aguarda ainda resposta da parte da administração da LIPOR. Dessa resposta está dependente o tipo de combustível a usar no projecto de demonstração. No caso de não ser possível chegar a um acordo a pilha de combustível será instalada no novo edifício do INEGI e irá operar com gás natural. 159
  • 162. PROJECTO EDEN – Actividade B2 A CTIVIDADE B 2 – INSTALAÇÃO DE D EMONSTRAÇÃO NUM A TERRO S ANITÁRIO NA ZONA N ORTE DO PAÍS No âmbito desta actividade proceder-se-á à preparação do caderno de encargos para o processo de selecção a realizar para o fornecimento da unidade a instalar. As tarefas subsequentes nela incluídas compreendem: Elaboração de especificações dos sistemas a adquirir e cadernos de encargos a cumprir pelos fornecedores a seleccionar; Lançamento de concursos, selecção e contratação de fornecedores; Elaboração do projecto da instalação, construção de infra-estruturas e instalação do equipamento e sua ligação à rede eléctrica. Ensaios de recepção do equipamento, ensaios de ligação à rede eléctrica, ensaios de qualidade de onda de tensão, ensaios de fornecimento de energia térmica e ensaios de ruído; Operação e monitorização e avaliação económica dos resultados. 160
  • 163. Tarefa B2.1 Elaboração de especificações
  • 164. Tarefa B2.1 ÍNDICE DA TAREFA B2.1 Resumo da Tarefa B2.1………………………………………………………………………………..163 Desenvolvimento da Tarefa B 2.1……………………………………………………………………..164 162
  • 165. Tarefa B2.1 RESUMO DA TAREFA B2.1 Elaboração de especificações dos sistemas a adquirir e respectivos cadernos de encargos a cumprir pelos fornecedores a seleccionar 163
  • 166. Tarefa B2.1 DESENVOLVIMENTO DA TAREFA B 2.1 A tarefa B 2.1 consiste na elaboração de especificações para o projecto de demonstração a instalar. Devido ao atraso inerente à definição da pilha a adquirir e do local de instalação a tarefa está só agora a ser iniciada. Até à data estão a ser elaboradas, pelo consórcio, especificações dos seguintes parâmetros: • Composição do combustível a alimentar • Especificações do sistema SOFC • Especificações da saída de corrente eléctrica • Especificações da saída de energia térmica • Especificações do sistema de controlo 164
  • 167. Tarefa B2.2 Selecção e contratação de fornecedores
  • 168. Tarefa B2.2 ÍNDICE DA TAREFA B2.2 Resumo da Tarefa B2.2………………………………………………………………………………167 Desenvolvimento da tarefa B2.2…………………………………………………………………….179 166
  • 169. Tarefa B2.2 RESUMO DA TAREFA B2.2 Lançamento de um processo de selecção internacional para fornecimento das unidades e componentes a instalar. Avaliação de propostas recebidas, selecção e contratação de fornecedores. 167
  • 170. Tarefa E3.7 D ESENVOLVIMENTO DA TAREFA B 2.2 A tarefa B 2.2 consiste na selecção de fornecedores e na aquisição dos componentes nomeadamente na selecção e contratação de fornecedores para os seguintes componentes do projecto de demonstração: Pilha de combustível • Sistema de limpeza do gás (gás de aterro) • Sistema de instrumentação e controlo (ao processo) • Sistema de controlo de gestão e potência eléctrica • Tal como descrito exaustivamente nos relatórios de progresso referentes às tarefas da actividade B1, foi efectuada um cuidado e completo levantamento de informação acerca das tecnologias disponíveis na área das pilhas de combustível e dos correspondentes fornecedores. Após a realização de uma pré-selecção (baseada em informação recolhida junto de utilizadores e promotores de projectos de demonstração) foi efectuado um estudo comparativo entre as várias soluções. Após uma análise cuidada aos resultados desse estudo foi decidido adquirir o sistema SOFC (5kWe) da Acumentrics. Para a negociação das condições de aquisição foi realizado uma reunião com um representante espanhol da Acumentrics. A aquisição da pilha será formalizada nos primeiros dias do segundo semestre de 2007. No que concerne aos outros elementos constituintes do sistema (Sistema de limpeza do gás, Sistema de instrumentação e controlo, Sistema de controlo de gestão e potência eléctrica), visto estes estarem directamente relacionados com o local de instalação e com o tipo de combustível a usar, os fornecedores dos mesmos não foram ainda seleccionados havendo, no entanto, uma pré- selecção para os diferentes cenários possíveis. 168