Células a combustível

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Células a combustível

  1. 1. Células a Combustível Ana Paula Domingos Cardoso Priscila Lemes
  2. 2. Características Gerais As células a combustível (CaC) constituem uma forma limpa, silenciosa e eficiente de geração de eletricidade e calor a partir de combustíveis como hidrogênio, gás natural, metanol, etanol e outros hidrocarbonetos. Trata-se de um dispositivo eletroquímico que converte diretamente energia química, a partir de uma reação entre um combustível e um oxidante, em energia elétrica.
  3. 3. Esquema de uma CaC
  4. 4. Tipos de CaC e características típicas AFC SPFC/PEMFC PAFC MCFC SOFC Membrana 62% Li2CO3 + Cerâmica Eletrólito 85% KOH H3PO4 polimérica 38% K2CO3 + (YSZ) Anodo Ni Pt ou Pt/C Pt/C Ni-10%Cr Ni-YSZ Catodo Li-NiO Pt ou Pt/C Pt/C Li-NiO Sr-LaMnO3Temperatura 23-250°C 70-120°C 150-220°C 600-800°C 650-1000°Cde operação Eficiência 45-60% 40-60% 36-38% 45-60% 50-65% Potência <20 kW <250 kW >50 kW <2 MW <1 MWCombustível H2 puro H2 puro H2 livre de CO H2, CH4, CO H2, CH4, CO Submarinos, Veículos, Estações de Estações de Estações de Aplicação área espacial residências energia energia energia
  5. 5. Vantagens e Desvantagens das CaC
  6. 6. O Combustível das CaC O grande interesse despertado pelas células a combustível reside no fato das mesmas constituírem o ponto chave para o ingresso na era da economia do hidrogênio. O combustível das células, particularmente das PEMFC, é o H2(g), o qual deve ser isento de contaminantes capazes de inibir a ação dos catalisadores presentes nos eletrodos. A tecnologia de produção e o custo deste combustível é fundamental para o desenvolvimento do mercado de células a combustível.
  7. 7. O Combustível das CaC Obtenção mundial de H2 de acordo com a procedência Embora o hidrogênio constitua o elemento mais abundante no universo, ele necessita ser obtido a partir da água, de combustíveis fósseis ou da biomassa e, em geral, com um consumo significativo de energia.
  8. 8. Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise A eletrólise da água para o produção de H2 apresenta vantagens como a utilização da água e energia elétrica disponíveis localmente, emissões nulas e possibilidade de sinergismo com fontes renováveis. Apesar disso, ela é extremamente dependente do custo da eletricidade e mais adequada para produção de menores volumes de H2 com alta pureza. A produção de H2 por eletrólise não tem sido capaz de competir com a produção a partir de unidades de grande porte que utilizam a tecnologia de reforma a vapor do gás natural.
  9. 9. Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise Comparação de custos de produção de H2 em função da escala de produção e do preço dos principais insumos
  10. 10. Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise Meta Custo (US$/Kg) Custo (US$/Nm³) Atual 6,10 0,55 2005 4,80 0,43 2010 3,50 0,32Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de eletrólise
  11. 11. Obtenção de Hidrogênio por Reforma O desenvolvimento de reformadores compactos, associados a sistemas de purificação, para obtenção de hidrogênio a partir de gás natural, metanol, etanol ou outros hidrocarbonetos tem sido objeto de pesquisas em diversos países. Embora a tecnologia de reforma esteja dominada e seja largamente utilizada, a construção de unidades compactas, eficientes e capazes de produzir hidrogênio com a pureza adequada para as células a combustível ainda constitui um desafio.
  12. 12. Obtenção de Hidrogênio por ReformaRepresentação esquemática das etapas da reforma a vapor ou por oxidação parcial
  13. 13. Obtenção de Hidrogênio por Reforma Meta Custo (US$/Kg) Custo (US$/Nm³) Atual 5,00 0,45 2005 3,00 0,27 2010 1,50 0,14Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de reforma de gás natural e de combustíveis líquidos
  14. 14. Outras formas de obtenção de H2 O H2 também pode ser obtido a partir da gaseificação ou da pirólise de biomassa através das seguintes rotas: Gaseificação  Obtenção de gás de síntese  Reforma/Purificação (“shift”) Pirólise  Bio-óleo  Reforma/Purificação (“shift”)
  15. 15. Outras formas de obtenção de H2 Custo (US$/ Custo Meta Kg) (US$/Nm³) Atual 3,60 0,33 2005 3,30 0,30 2010 2,60 0,23Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de gaseificação de biomassa Custo (US$/ Custo Meta Kg) (US$/Nm³) Atual 3,80 0,34 2005 3,70 0,33 2010 2,90 0,26Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de pirólise de biomassa
  16. 16. Custos Futuros Embora a evolução do nível de produção de CaC, em especial de PEMFC, e a conquista de diferentes mercados seja estimulada por suas características positivas, a real penetração desta tecnologia no mercado de energia depende da melhoria do desempenho destes dispositivos, da redução geral de custos e das condições reinantes nos mercados de insumos energéticos e de energia elétrica. A melhoria do desempenho das PEMFC é imprescindível para melhorar a relação tamanho/peso (importante para aplicações portáteis e veiculares) e incrementar a durabilidade e confiabilidade das PEMFC de forma a torná-las compatíveis com a demanda local por energia elétrica.
  17. 17. Custos Futuros Participação dos diversos componentes nos custos de produção de PEMFC para aplicações estacionárias Os diferentes mercados para CaC emfunção do tamanho da instalação e do custo por unidade de potência
  18. 18. Evolução Tecnológica das CaC A célula á combustível é uma promissora tecnologia de geração de energia que pode ser usada em aplicações como: estacionárias de geração de energia distribuída veiculares
  19. 19. Evolução Tecnológica das CaC Vantagens: ter um baixo ou nenhum impacto ambiental elevada eficiência (atualmente de 40 á 50% , mas pretensão de 60%) flexibilidade (utilidade e uso de combustíveis) baixa exigência de manutenção reduzido tempo de resposta a solicitações de carga potencial para a co-geração
  20. 20. Evolução Tecnológica das CaC Desvantagens: não estarem disponíveis comercialmente (exceto as CaC de ácido fosfórico que operam com gás natural e as células poliméricas que operam com hidrogênio) elevado custo (por isso são encontradas somente em aplicações específicas como na exploração espacial e atividades militares).
  21. 21. Evolução Tecnológica das CaC A partir de 1960 com o início da exploração espacial que as CaCs tiveram um desenvolvimento considerável para possíveis aplicações de fornecimento de energia de qualidade, confiabilidade em módulo e cápsulas espaciais.
  22. 22. Evolução Tecnológica das CaC O desenvolvimento dos diversos tipos de CaC tem sido desigual; Alguns modelos até desapareceram (CaC a carvão direto); Outras tem um desenvolvimento limitado devido a problemas de durabilidade ou sensibilidade a contaminantes (CaCs alcalinas que precisam de hidrogênio puro); Há tecnologias como as da célula de membrana polimérica , as células de óxido de sólido e células de carbono fundido que se encontram em desenvolvimento acelerado e já começaram a entrar no mercado sob a forma de protótipos .
  23. 23. Evolução Tecnológica das CaC Barreiras à Evolução: O custo é uma barreira ao processo de evolução pois para serem competitivas as CaC precisariam ter um custo energético de US$400,00 que é o custo mais eficiente das turbinas á gás e de geradores a diesel. As CaC produzidas geram um valor de 10 vezes o custo ideal.
  24. 24. Evolução Tecnológica das CaC Barreiras à Evolução: Número de fabricantes de componentes e de unidades (hoje há 15 fabricantes das células poliméricas e 10 fornecedores do conjunto membrana eletrodo, sendo que a membrana representa 76% dos custos totais do processo). Receptividade Social (sociedade conscientizada do uso da CaC como uma tecnologia limpa de geração de energia).
  25. 25. Evolução Tecnológica das CaC Barreiras à Evolução: Situação dos mercados de energia elétrica e de insumos (as condições de mercado que variam com a estrutura econômica e com as políticas energéticas de cada país, no caso do Brasil as indefinições na política energética constituem barreiras ao desenvolvimento). Competição entre os diferentes tipos de CaC (as poliméricas acabam tendo mais incentivo ao desenvolvimento devido ao seu uso em aplicações na indústria automobilística).
  26. 26. Evolução Tecnológica das CaC Barreiras à Evolução: Necessidade de melhorias de eficiência (eletroquímica, energética, global ou desempenho). Vida útil (necessidade de melhoria no tempo de vida útil). Melhoria na tolerância a contaminantes e ao tipo de combustível primário.
  27. 27. O que já Existe em termos deCaCEm termos de potência as CaC dividem-se em: 1 a 10kW: para residências, unidades auxiliares de potência em veículos e embarcações. 10 a 50kW :para prédios residenciais, condomínios. 50 a 250kW:prédios comerciais, hospitais,instalações militares. acima de 250kW:para grandes consumos associados a co-geração.
  28. 28. O que já Existe em termos de CaCAplicações Existentes: As CaCs de ácido fosfórico são comercializadas desde os anos 90 pela empresa UTC Fuel Cells dos Eua. Hoje já existem 250 unidades implantadas e testadas no mundo.
  29. 29. O que já Existe em termos de CaCCaC de ácido fosfórico instalada no LATEC em Curitiba, unidade de 200kW de potência, seu custo é de US$900.000,00, ou seja, US$ 4.500,00/kW. A eficiência é de 38%.
  30. 30. O que já Existe em termos de CaC As CaC também têm sido um amplo campo de pesquisa nos EUA,onde a meta é produzir CaCs de 10kW de potência, com eficiência de 40 á 60%, a um custo de US$400,00/kW até 2010. Espera-se que estas células cheguem á um preço de consumo de US$ 1.000,00 até 2010.
  31. 31. O que já Existe em termos de CaC A Sanyo Electric recentemente lançou um sistema de CaC que excede 20.000h de operação. Mas para que a CaC se torne competitiva em termos de vida útil com os geradores convencionais o valor de operação precisa ser de 40.000h.
  32. 32. O que já Existe em termos de CaCÔnibus protótipo produzido em SP pela busscar que usa como combustívelhidrogênio ao invés do diesel.
  33. 33. O que já Existe em termos de CaC
  34. 34. O Mercado de EnergiaAtualmente as contribuições de energia em escala mundial são: carvão: 39,1% produtos de petróleo: 7,9% gás natural: 17,4% geração nuclear: 16,9% geração hidroelétrica: 16,7% outras formas: 2%
  35. 35. O Mercado de Energia No Brasil a geração de energia elétrica vêm 91% de recursos hídricos, mas devido á necessidade de economia de água surge a necessidade de outras fontes alternativas de energia.
  36. 36. Geração Distribuída A geração de energia distribuída ou descentralizada vem a ser a geração de energia elétrica em unidades de pequeno porte, localizados no ponto de carga ou próximo a ele, esta vem a ser a área mais promissora para o uso da células a combustível (em especial na produção de energia elétrica de 2 a 200kW).
  37. 37. Principais Benefícios Ambientais Diminuem a dependência de petróleo para produzir energia. Emitem menos gases causadores do efeito estufa (tem como subprodutos apenas oxigênio e água). Mais eficiência na geração de energia e no consumo da fonte energética. Redução de baterias nos aterros sanitários.
  38. 38. Situação do Brasil O Brasil tem um grande potencial para referência em tecnologia com hidrogênio, devido a sua capacidade hidráulica e sucro- alcooleira podendo produzir hidrogênio para seu consumo a exportação no uso das células a combustível.

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