EDEN



Relatório de Progresso



          PPS 2

 Projectos de Demonstração




          INEGI

        Julho 2007
ÍNDICE GERAL




Descrição do PPS 2 .........................................................................................
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS



D ESCRIÇÃO DO PPS 2



  As pilhas de combustível (PC),...
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS


estufa. As projecções de natureza económica de vários es...
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS


  Assim perspectiva-se a instalação de uma PC no Porto, ...
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS



C ONTEXTO DO R ELATÓRIO


       Este relatório diz res...
PROJECTO EDEN – Actividade B1



A CTIVIDADE B 1 – ANÁLISE DO ESTADO DA A RTE E PRÉ-QUALIFICAÇÃO DE
                      ...
Tarefa B1.1




Análise da informação disponível
Tarefa B1.1




ÍNDICE


1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………….8
2. Introdução……………………………………………………………………………...
Tarefa B1.1




1. RESUMO DA TAREFA


  No decorrer desta tarefa proceder-se-á à recolha da informação disponível abrangen...
Tarefa B1.1




2. INTRODUÇÃO


A indústria eléctrica passa actualmente por uma fase de reflexão face às recentes subidas ...
Tarefa B1.1


Europeia fixou três objectivos-chave para o desenvolvimento das suas tecnologias energéticas:
reduzir o cust...
Tarefa B1.1




       No quadro seguinte resumem-se os pressupostos do plano de implementação do HFP para
2020.


       ...
Tarefa B1.1




3. ACTIVIDADE I&D R EALIZADA



3.1 CARACTERIZAÇÃO DOS TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL EXISTENTES NO MERCA...
Tarefa B1.1


e portanto o rendimento baixa significativamente. Em sistemas de Cogeração, o calor libertado
pode ser aprov...
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                    Tabela 2– Tipos de células de combustível e principais características

         Tipo de...
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reformar Gás Natural ou outros combustíveis em hidrogénio dentro da chaminé, diminuindo o
esforço de arrefec...
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da célula. A platina usada para estas temperaturas é altamente sensível ao envenenamento pelo
CO e tolera o ...
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3.1.2. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL AFC


        As células de combustível alcalinas (AFC), foram o primeiro ti...
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        As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC, ou CCAF em português) foram
desenvolvidas para o...
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   Reacções MCFC

        H 2 ( g ) + CO32 − → H 2O( g ) + CO2 ( g ) + 2e−                              (0...
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        O facto das células de combustível a altas temperaturas não poderem ser facilmente
desligadas é acei...
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• Cerca de 80% dos fabricantes nestas aplicações estão nos (EUA);

• Os custos são superiores a 4000 €/kW


...
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recomendados, apresetavam uma maior informação e uma maior experiência no fabrico e
desenvolvimento deste ti...
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3.2.1. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PEMFC E DMFC


        As características das células de combustíveis PEMFC ...
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  Fornecedor BALLARD


       Este fornecedor comercializa pilhas de combustível tipo PEM por forma a resp...
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Um outro produto comercializado é a pilha de combustível Mark1030 que utiliza um liquida
refrigerante. Em ...
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        A EFOY comercializa células de combustível com alimentação directa de metanol (DMFC)
capaz de fornec...
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  Eficiência 35%
  Número de células ligadas em série: 15
  Dimensões da pilha: 145 mm x 145 mm x 163.5 mm
 ...
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                                     Figura 6 – Pilhas de combustível ProFCTM.




   Fornecedor axane


 ...
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                Temperatura de operação             -40 °C a 45 °C




                            Figura 7 ...
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                                                                       W
                                   ...
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        As pilhas de combustível da ElectroChem são fabricadas de modo a terem níveis elevados
de usabilidad...
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                              Energia eléctrica           1kW
                              Calor           ...
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   Esta unidade produziu 4,24 kW de potência eléctrica quando alimentado a metano,
apresentado uma eficiênci...
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                                      Figura 12–Sistema EHVAC.




  Fornecedor HT Ceramix




  A unidade d...
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                                       Figura 13 – Unidade Hotbox.



          O combustível usado é o hi...
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        Existe actualmente já um produto pré-comercial da Siemens Power Generation denominado
SFC-200. Consi...
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        As pilhas de combustivel RP-SOFC podem ser alimentadas directamente com gás natural, propano ou
outr...
Tarefa B1.1


3.2.3. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL AFC



  Fornecedor Astris, Energi Inc.




       A POWERSTACK™ MC250 comerci...
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                                   Figura 18 – Pilha LABCELL 200.

       A última geração de pilhas AFC c...
Tarefa B1.1


                 Voltagem nominal                              48 +10/-4V DC
                 Intensidade de...
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                                  Figura 20 – Estação PureCell™ 200




       O sistema PureCell™ é limpo...
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       Central de produção de energia a pilha de combustível de 200kW: Pc25TMC


       Esta central fornece...
Tarefa B1.1


                                            eléctrica                      autónomo/ ligação à rede



     ...
Tarefa B1.1


  Fuel Cell Energy é vista como a principal empresa de desenvolvimento de tecnologia de MCFC.
A empresa come...
Tarefa B1.1


Poucas partes móveis
Sistema compacto
Flexibilidade de combustível


Benefícios
Energia Ultra limpa
Eficient...
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Características:
Potência: 1000 kW
Tensão: 480 VAC, 50 ou 60 Hz
Possibilidade de geração combinada de electr...
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Calor Disponível
Temperatura de Exaustão ≈ 650° F
Caudal de Exaustão             27,200 lbs/hr
Calor disponí...
Tarefa B1.1




4. C ONCLUSÕES G ERAIS


   Dependendo das aplicações para que são direccionadas, as células de combustíve...
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5. REFERÊNCIAS B IBLIOGRÁFICAS



• Cappadonia, M., Stimmins, U., Kordesch, K., Oliveira, J.C., (2002), Fu...
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    www.ballard.com

    www.h2economy.com

    www.cfcl.com.au

    www.delphi.com

    www.htceramix.ch

...
Tarefa B1.2




    Contactos com utilizadores e

visitas a instalações de demonstração
Tarefa B1.2




ÍNDICE


1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………..53
2. Introdução…………………………………………………………………………...
Tarefa B1.2




1. RESUMO DA TAREFA


   No decorrer desta tarefa serão efectuados contactos e visitas a unidades de demon...
Tarefa B1.2




2. INTRODUÇÃO
    NTRODUÇÃO



   As pilhas de combustível (PC), enquanto solução de produção de energia e...
Tarefa B1.2




3. ACTIVIDADE I&D R EALIZADA



3.1. LEVANTAMENTO   DE INFORMAÇÃO ACERCA DE PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM
...
Tarefa B1.2


células MCFCs tem sido operadas com hidrogénio, monóxido de carbono, gás natural, propano. A
sua utilização ...
Tarefa B1.2



                                                  Projectos de demonstração - MCFC
               Localizaç...
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        A intenção das pesquisas que actualmente estão em curso é desenvolver e testar sistemas
de PEMFC com...
Eden Pps 2
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  1. 1. EDEN Relatório de Progresso PPS 2 Projectos de Demonstração INEGI Julho 2007
  2. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 8. Tarefa B1.1 Análise da informação disponível
  9. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 53. Tarefa B1.2 Contactos com utilizadores e visitas a instalações de demonstração
  54. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

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