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Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável

FSA – Gestão de Energia - JCB Out/09 - 1

•Boa noite a todos

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• FSA– Acadêmico

– Geral


FSA – Gestão de Energia - JCB

Programação

• Roteiro– 10/05/10

• Células a Combustível– 17/05/10

• Energia Eólica, Energia Solar, Energia das Marés, Biomassa

Mai/10 - 2



Célula combustível

• Quiz

• Qual é o tipo de célula a combustível que acabará energizando carros, ônibus e, talvez, até mesmo nossas casas? – Bateria de células a combustível – Célula a combustível com membrana para troca de prótons – Célula a combustível sem membrana para troca de prótons

Out/09 - 3

O que você sabe sobre essas miniusinas de eletricidade?

A célula a combustível com membrana para troca de prótons (PEMFC) é uma das tecnologias maispromissoras. A PEMFC faz uso de uma das mais simples reações da célula a combustível.



Quiz

• Qual é uma das metas prioritárias das células a combustível? – Redução da poluição – Barateamento do custo de produção – Aumento da potência

• Qual a eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva? – 10% – 20% – 30%

Out/09 - 4

A redução da poluição é uma das metas prioritárias da célula a combustível. Na comparação de um carro de célula a combustível com um a gasolina e com um a bateria, é fácil notar como os de células a combustível podem melhorar a eficiência dos automóveis.

A eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva é de 20%. Isto é, cerca de 20% do conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida em trabalho mecânico.



Quiz

• Qual a tecnologia de células a combustível usada no programa espacial dos EUA desde a década de 1960? – Células a combustível de óxido sólido – Células a combustível do ácido fosfórico – Células a combustível alcalinas

• Qual a tecnologia com potencial para ser empregada em pequenos sistemas estacionários de geração

de energia? – Células a combustível do ácido fosfórico – Células a combustível de óxido sólido – Células a combustível de carbonato fundido

Out/09 - 5

As células a combustível alcalinas (AFC) Estão entre os mais antigos projetos. Têm sido usadas no programa espacial dos Estados Unidos desde a década de 1960. A AFC é bastante suscetível à contaminação, por isso exige hidrogênio puro e oxigênio.

Células a combustível do ácido Fosfórico (PAFC) poderão ser potencialmente empregada em pequenos sistemas estacionários de geração de energia. Como operam em temperaturas mais altas do que as das células a combustível PEM, exigem mais tempo para se aquecerem.



Quiz

• Os carros abastecidos com células a combustível são semelhantes a que tipo de carros? – Carro a gasolina – Carro elétrico – Carro a diesel

• Provavelmente o carro movido à célula a combustível será abastecido com o quê? – Etanol – Propano – Metanol

Out/09 - 6

Os carros abastecidos com células a combustível devem começar a substituir os de gasolina e diesel dentro de alguns anos. Tal carro, bastante semelhante ao carro elétrico, usa a célula a combustível e o reformador ao invés de baterias.

Muito provavelmente seu carro à célula a combustível será abastecido com metanol, embora algumas companhias estejam desenvolvendo reformadores de gasolina.



Quiz

• Sob o ponto de vista técnico, o que é uma célula a combustível?

– Aparelho conversor de energia eletroquímica – Aparelho conversor de energia eletroestática – Aparelho conversor de energia eletromagnética

• Como deveria ser chamada a célula a combustível? – Bateria a combustível – Pilha a combustível – Carregador a combustível

Out/09 - 7

Sob o ponto de vista técnico, uma célula a combustível é um aparelho conversor de energia eletroquímica. A célula a combustível converte os elementos químicos hidrogênio e oxigênio em água, e gera eletricidade enquanto faz isso.

A célula a combustível deveria ser chamada de pilha a combustível, mas o termo célula acabou prevalecendo.



Quiz

• A célula a combustível fornece tensão de que tipo? – Corrente alternada – Corrente negativa – Corrente contínua

Out/09 - 8

A célula a combustível fornece tensão em CC (corrente contínua) que pode ser empregada para energizar motores, lâmpadas e outros aparelhos elétricos.



CaC – vídeo

Mai/10 - 9



Contextualização do tema

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Eficiência

Porque célula a combustível é uma alternativa?• Possui elevada eficiência de conversão*:

– elétrica 50%,– com cogeração 80% (calor pode ser usado para

aquecer água).

• Geração no local, sem poluição química (porque produz somente água) e sem poluição sonora.

• Vida útil de 40.000 horas.*depois de cem anos de existência, a eficiência de um motor a combustão é de apenas

20%!As plantas mais eficientes de geração de energia têm eficiência de 33 a 35%

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Outras vantagens

• A produção de energia sem combustão e sem partes móveis das CaCs as faz até 25% mais eficientes que os motores a combustão interna, reduzindo a emissão de poluentes e de dióxido de carbono.

• Mesmo com hidrogênio obtido de fontes fósseis como o petróleo e o gás natural, a emissão de dióxido de carbono (CO2) cai de 25 a 50%, e a fumaça produzida quando comparada com equipamentos tradicionais como os geradores a diesel, diminui em 99%.

• As fontes de energia renováveis são cruciais pois durante o crescimento destes, como a cana-de-açúcar, ocorre o seqüestro de carbono presente na atmosfera (CO2), além de liberarem o oxigênio.

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Revolução Industrial

Século XVII

1698 - Thomas Newcomen, em Staffordshire, na Grã-Bretanha, instala um motor a vapor para esgotar água em uma mina de carvão.

Século XVIII

1709 - Abraham Darby, em Coalbrookdale, Shropshire, na Grã-Bretanha, utiliza o carvão para baratear a produção do ferro.

1765 - James Watt, na Grã-Bretanha, introduz o condensador na máquina de Newcomen, componente que aumenta consideravelmente a eficiência do motor a vapor.

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1780 - Edmund Cartwright, de Leicestershire, na Grã-Bretanha, patenteia o primeiro tear a vapor.1800 - Alessandro Volta, na Itália, inventa a bateria elétrica.

Século XIX

1803 - Robert Fulton desenvolveu uma embarcação a vapor na Grã-Bretanha.

1825 - George Stephenson concluiu uma locomotiva a vapor, e inaugura a primeira ferrovia, entre Darlington e Stockton-on-Tees, na Grã-Bretanha.

1830 - A Bélgica e a França iniciaram as respectivas industrializações utilizando como matéria-prima o ferro e como força-motriz o motor a vapor.

1885 - Gottlieb Daimler inventou um motor a explosão.



‘Descarbonização’ da energia

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A economia baseada no hidrogênio como fonte energética representaria o fim da presença do carbono nas fontes de energia.

O desenvolvimento da tecnologia das células a combustível, inicialmente para as naves espaciais e,

nas últimas duas décadas, para geração de energia elétrica tanto estacionária como em veículos é um fator extremamente importante na tendência para a utilização do hidrogênio como vetor energético.



Metanol

O metanol é um líqüido, inflamável e possui chama invisível. Possui fórmula química CH4O

A tualmente é obtido pela reação do gás de síntese (produzido a partir de origens fósseis, como o gás natural), uma mistura de H2 com CO passando sobre um catalisador metálico a altas temperaturas e pressões.

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Esta reação processa-se à temperatura de cerca de 300°C e pressões de 200 a 300 atm. A equação da reação é:

CO + 2 H2 → H3C-OH

Ele também pode ser produzido a partir da cana-de-açúcar.



Um pouco de história

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Pilha comum, Bateria e Célula a Combustível

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Funcionamento básico da CaC

• A estrutura básica de uma célula a combustível consiste de três partes:

-ânodo,

-cátodo e um

-eletrólito.

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O combustível básico de uma célula a combustível é o hidrogênio, que reage com o oxigênio produzindo água e eletricidade.



Reação Química

• No ânodo2 H2 => 4 H+ + 4 e-

• No cátodoO2 + 4 H+ + 4 e- => 2 H2O

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Tipos de Célula a Combustível

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CaC Alcalina - AFC

• O eletrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH .

• Pilhas AFC utilizadas no programa Apollo da NASA.

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• Os eletrólitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH) dissolvem o CO2 (prejudica a célula!).

• O eletrólito apresenta custos reduzidos.



CaC Membrana - PEMFC

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• Simplicidade de funcionamento.

• Problemas de corrosão são mínimos.

• O catalisador utilizado é a platina.

• Os combustíveis utilizados podem ser, por exemplo, metanol, etanol, metano, propano, etc.

• O metanol (líquido) pode ser facilmente transportado e armazenado.



CaC Ácido Fosfórico - PAFC

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• As primeiras a serem produzidas.Unidades de 200 kW instaladas nos Estados Unidos e na Europa.

• Sistema de produção de energia elétrica seguro.

• Sistemas funcionaram continuamente durante anos sem qualquer manutenção.



CaC Carbonato Fundido - MCFC

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• Pode-se utilizar o níquel como catalisador no ânodo e óxido de níquel no cátodo (dada a alta temperatura) não sendo necessária a utilização de metais nobres .

• Pode utilizar-se diretamente gás natural, não havendo a necessidade da utilização de “reformadores” externos.

• Eletrólito corrosivo (lítio, potássio e carbonatos de sódio).



CaC Óxido Sólido - SOFC

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• Velocidades de reação elevadas sem a utilização de catalisadores nobres.

• Metano pode ser utilizado diretamente, sem unidade de reformação externa.

• Os materiais cerâmicos acarretam dificuldades adicionais na sua utilização, envolvendo custos de fabrico elevados e sendo necessários muitos equipamentos extras para que a célula produza energia elétrica.



Energia Eólica

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• Energia Eólica:– abundante, – renovável, – limpa e – disponível em muitos lugares.

• Aerogeradores,– a força do vento é captada por hélices ligadas a uma

turbina que aciona um gerador elétrico.

• Potencial de aproveitamento no Brasil: 143.000MW

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Legislação

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

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Diagrama de um gerador eólico

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Aplicações comerciais

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Documents

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