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Hidrogénio - Centro de Fusão Nuclear
Hidrogénio - Células de Combustível Aníbal Traça de Almeida ISR – Universidade de Coimbra Dep. Engenharia Electrotécnica 3030 Coimbra, Portugal Email: [email protected] Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra A economia do hidrogénio É uma perspectiva aliciante : - é potencialmente um portador de energia abundante, limpo, seguro e flexível. Questões Fundamentais . . . -NÃO é uma fonte de energia, mas um portador de energia - Não dispõe ainda de uma rede integrada - Ainda não é competitivo em termos de custos, desempenho ou de fiabilidade face aos combústíveis fósseis - As avaliações mais optimistas situam a economia do hidrogénio a décadas de distância Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Sistemas Energéticos Baseados no Hidrogénio Centrais de Produção de Hidrogénio H2 Líquido H2 Gasoso Propulsão Aeroespacial Motores de CI Células de Combustível Transportes Células de Combustível Energia Eléctrica E Térmica Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Questões Chave na Utilização do Hidrogénio • Produção: Fonte de Energia Utilizada Produção Local vs. Remota Impacto Ambiental • Armazenamento, Transporte e Manuseamento: Armazenamento Gasoso, Líquido, e em Solidos Transporte via condutas, Comboios, Camiões • Questões de Segurança na Produção, Armazenamento e Transporte -Normas e Códigos • Competitividade Económica Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Tecnologias de Produção ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Separação com Vapor(SMR) Oxidação Parcial(POX) Gasificação de Carvão Gasificação de Biomassa Electrólise ¾ Elect. Convencional (Carvão, Nuclear) ¾ Energia Eólica ¾ SolarFotovoltaica ¾ Elect. Solar Térmica ¾ ¾ Ciclos Termoquímicos ¾ Solar Térmica ¾ Nuclear Produção Biológica Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Hidrogénio derivado do Gás Natural Oxidação Parcial Metano CH4 (Ar-) Oxigénio O2 Dióxido de Carbono CO2 Separação com Vapor Metano CH4 Água H2O Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Dióxido de Carbono CO2 Hidrogénio H2 Hidrogénio H2 Hidrogénio a partir da Biomassa • O processo de gasificação/pirólise pode ser usado para gerar hidrogénio. -A biomassa tem de ser sujeita a um processode alta temperatura e pressão. - A decomposição e oxidação parcial da biomassa produz uma mistura de gases rica em hidrogénio Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Hidrogénio Termoquímico • Usa uma série de reacções químicas para produzir o hidrogénio final High Temperature Heat Chemical Low Temperature Heat Hydrogen Water Cycle Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Oxygen Energia Térmica Solar Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Hidrogénio Biológico • Dois principais organismos produtores de hidrogénio: -algas e bactérias utilizam enzimas para gerar hidrogénio em condições anaeróbicas Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Electrólise • Electrólise através de Electricidade Convencional • Electrólise através de Energias Renováveis – Energia Eólica – Fotovoltaicas – Solar Térmica (Concentradores) – Novos Desenvolvimentos (Nano Rectennas) Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Electrolizador – Rendimento HHV Perdas de energia na produção de hidrogénio por electrólise Electrolizador Densidade [A/cm2] Produção de hidrogénio pela electrólise e por separação de gás natural 1. Da água por electrólise H2O => H2 + ½ O energia eléctrica + H2O = energia no H2 + ½ O 286 kJ/mol = 286 kJ/mol 100% = 100% Na realidade: 125% do input de energia = 100% energia no H2 + 25% de perdas 2. Do gás natural por separação com vapor de água CH4 + 2 H2O=> 4 H2 + CO2 energia do metano + calor + H2O = energia no H2 + CO2 890 kJ/mol + 254 kJ/mol = (4 x 286 kJ/mol =) 1,144 kJ/mol 78% + 22% = 100% Na realidade: 110% do input de energia = 100% energia no H2 + 10% de perdas Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Custos de Produção de Hidrogénio Electrólise a partir daFuel Rede G rid Electrolysis (Fossil Based) Electrólise em FV PV Electrolysis Electrólise Térmica atravésElectrolysis do Sol Solar Based Therm al Powered Conversão com de uma antena Solar Antenna Power Conversion solar Reforma com de gás Steam Reform ingvapor of Natural Gas natural Oxidação parcial Partial Oxidation Gasificação de carvão Coal Gasification Electrólise solar com base na amónia Ammonia Based Solar Powered Electrolysis Electrólise eólica Wind Electrolysis Custos de Produção de Hidrogénio ($/GJ) Hydrogen Production Cost ($/GJ) Fevereiro $US 2003) (February $US 2003) 55.0 45.0 35.0 25.0 15.0 5.0 2003 2008 2013 2018 2023 2028 Ano Year 2033 2038 2043 2048 Opções de distribuição de energia Electricidade de Fontes renováveis Electrólise Rede Eléctrica Hidrogénio H2 Células de Combustível Electricidade para o utilizador Perdas de energia por HHV de Hidrogénio Compressão de Hidrogénio Adiabática Isotérmica Pressão Final [bar] Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Energia de Liquefacção por HHV de Hidrogénio Liquefacção de Hidrogénio Obsoleta Standard Avançada Capacidade de liquefacção de uma Central [kg/h] Energia consumida por entrega de combustível [MJ/kg] Transporte Rodoviário de Hidrogénio H2, 200bar H2, líquido Gasolina, etc... Distância de Entrega – só ida [km] Energia de bombagem por HHV de gás entregue Transporte de hidrogénio a longa distância através de condutas Hidrogénio Metano Distância da origem da conduta [km] Transporte de electricidade renovável pela rede e hidrogénio consumidor Rede eléctrica Hidrogénio gasoso Hidrogénio líquido CA CC Célula de combustível Armazeneno Distribuição Transporte Compressão Gás Hidrogénio electrolizador hidrogénio Electricidade CC Electricidade CA renovável Fonte de Energia Renovável Célula de Combustível “Processo inverso da electrólise.” Energia eléctrica O2 H2 Célula de Combustível calor Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra H2O Células de combustível Diagrama de uma célula de combustível com capacidade para separar o hidrogénio do combustível de entrada Combustível Processador de Combustível Entrada de Hidrogénio Pilha de Células de Combustível Gestão da Água Saída de Água Exaustão Entrada de Ar Saída de Calor Condicionamen to de Potência Electricidade Calor Sistema de Ar Gestão Térmica Exaustão Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Células de combustível Rendimento comparativo entre as diversas tecnologias de células de combustível e outras tecnologias convencionais Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Emissões Relativas de Poluentes 11.34 11.29 (Kilogramas de emissão por 1000 kWh NOx, CO, SOx, Hidrocarbono, Partículas) 11.11 0.68 0.54 0.45 0.27 0.23 0.02 0 Central de Energia Fóssil Microturbina Ciclo combinado a gás Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Células de Combustível Potenciais benefícios das células de combustível para a produção distribuída • Decréscimo do uso de combustíveis fósseis importados • Redução das emissões de dióxido de carbono e de outros poluentes • Melhoria da fiabilidade • Mitigação da necessidade de expansão da capacidade de produção bem como da transmissão e distribuição • Redução das perdas T&D (10% de toda a electricidade) • Integração de fontes intermitentes Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Fuel cell applications Fuel cells capital cost Fuel cell technology PEMFC PAFC SOFC MCFC Capital costs, €/kW Projected (2010) Present 1.100-1.800 2.400-12.000 1.350-1.800 4000-5.000 1.200-2.000 10.000-16.000 1.200-2.000 15.000-22.000 Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Aplicações Estacionárias Energia de Energia de Qualidade Reserva Cogeração Geração Distribuida Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Locais Remotos Fuel Cells and Emergency Preparedness – Emergency services (9/11) – Water systems – Medical facilities – Airports – Research laboratories – Food service – Industry – Prisons – Senior citizen housing – Computer centers Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Long Interruptions (2003) Place and Date, Number of Affected Consumers, Restoration Time, Demand (GW) •Canada and USA (14-8-03) •50.000.000 •Birmingham(5-9-03) •24 hours •11 minutes •61.800 GW •253 GW •20.000 •South of Sueden and East of Denmark •London(28-8-03) (23-9-03) •Italy,except •4.000.000 Sardinia •410.000 •47 minutes •2 hours •720 GW •6.600 GW (28-9-03) •60.000.000 •20 hours •27.702 GW Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Célula de Combustível numa Casa (Japão) Rede Eléctrica Energia Eléctrica Dados Rede de gás natural Tanque Envio de dados de água CC quente Dados Água quente para banhos, aquecimento Padrão de mobilidade em Pessoa-km, por pessoa e por ano, de entre os anos 1850 e 1990 Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Estratégias de lançamento de veículos a H2 Ensaios GM Protótipo GM Autocarro com tracção eléctrica na cidade do Porto, com células de combustível alimentadas a hidrogénio Dep. Engenharia Electrotécnica, Universidade de Coimbra Aplicação em Veículos submarinos -Autonomia e segurança Aplicação em Aviões -Redução drástica de emissões e de ruído
