LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTELER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTEDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURALDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL
Prof. Tomaz Caetano Cannavam RipoliProf. Tomaz Caetano Cannavam RipoliEDIÇÃO: 2.006EDIÇÃO: 2.006
PROPAGAÇÃO DA ENERGIA TÉRMICAPROPAGAÇÃO DA ENERGIA TÉRMICA
> ENERGIA> ENERGIA> VIBRAÇÃO> VIBRAÇÃO> ENERG.CINÉTICA> ENERG.CINÉTICA
DIFERENÇA DEDIFERENÇA DEDENSIDADE EMDENSIDADE EM f fDA TEMPERATURADA TEMPERATURA
EMISSÃO EMISSÃO CONTÍNUA DE CONTÍNUA DE ENERGIAENERGIA
CONDUÇÃOCONDUÇÃO CONVECÇÃOCONVECÇÃO RADIAÇÃORADIAÇÃO
AO NÍVELAO NÍVELMOLECULARMOLECULAR
TRANSLAÇÃOTRANSLAÇÃODE MASSASDE MASSASAQUECIDASAQUECIDAS
ONDASONDASELETRO-ELETRO-MAGNÉTICASMAGNÉTICAS
ENERGIA SOLAR CHEGA A TERRA PORENERGIA SOLAR CHEGA A TERRA POR
NUVENSNUVENS
DIFUSADIFUSA DIRETADIRETA REFLETIDAREFLETIDA
SUPERFÍCIE SUPERFÍCIE TERRESTRETERRESTRE
REFLETIDAREFLETIDA3%3%
NUVENS ENUVENS EATMOSFERAATMOSFERA19% ABSORVIDA19% ABSORVIDA
DISPERSADISPERSA 29%29%
DIRETADIRETA21%21%
REFLETIDAREFLETIDA31%31%
INCIDENTEINCIDENTE LÍQUIDALÍQUIDA
EVAPORAÇÃO, EVAPORAÇÃO, CONDUÇÃOCONDUÇÃO PELO ARPELO AR RADIAÇÃORADIAÇÃO
TERRESTRETERRESTRE
Irradiação Solar no Brasil
COLETOR SOLAR1.1. caixa d’água tradicional caixa d’água tradicional22. reservatório . reservatório termicamente isolado para termicamente isolado para aquecimento solaraquecimento solar3.3. reservatório reservatório termicamente isolado para termicamente isolado para aquecimento auxiliar aquecimento auxiliar elétricoelétrico44. resistência elétrica para . resistência elétrica para aquecimento auxiliaraquecimento auxiliar5.5. coletor solar coletor solar6 e 8.6 e 8. misturador de água misturador de água quente e friaquente e fria77. respiro. respiro
Sistema Convencional de Aquecimento de Sistema Convencional de Aquecimento de ÁguaÁgua
AQUECIMENTO DE ÁGUA1. entrada de água da 1. entrada de água da ruarua2. regulagem da água 2. regulagem da água quentequente3. entrada da água no 3. entrada da água no aquecedor/reservatórioaquecedor/reservatório4. saída da água já 4. saída da água já aquecidaaquecida5. entrada de água 5. entrada de água aquecida no chuveiroaquecida no chuveiro6. entrada de água fria, 6. entrada de água fria, regulada pelo registro regulada pelo registro convencional do convencional do chuveirochuveiro
FONTE: HINRICHS, 2003
SISTEMA DE AR QUENTE DESISTEMA DE AR QUENTE DEPLACA PLANA.PLACA PLANA.
EXERCÍCIO:EXERCÍCIO:Determinar área (A) de coletor para fornecer energia térmica Determinar área (A) de coletor para fornecer energia térmica para aquecer, por um dia, uma casa quando a carga de calor para aquecer, por um dia, uma casa quando a carga de calor =20.000 Btu/h e a insolação média diária no coletor (I) = =20.000 Btu/h e a insolação média diária no coletor (I) = 1.800 Btu/pé1.800 Btu/pé22 /dia e sua Eficiência (Ef) é de 50%. /dia e sua Eficiência (Ef) é de 50%.
SENDO: Q = I . Ef . ASENDO: Q = I . Ef . AQ = ENERGIA TÉRMICA NECESSÁRIA/DIAQ = ENERGIA TÉRMICA NECESSÁRIA/DIA
Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = 480.000 Btu/dia480.000 Btu/dia
Portanto:Portanto:A = 480000 Btu/dia / 900 Btu/péA = 480000 Btu/dia / 900 Btu/pé2 2 /dia = 533 pés/dia = 533 pés22
A = 533 pésA = 533 pés22 . 0,0929 m . 0,0929 m22 = = 49,52 m49,52 m22
Custo: US$600/mCusto: US$600/m22
?
Para as condições anteriores, calcular quantos litros de água Para as condições anteriores, calcular quantos litros de água seriam necessárias para armazenar a energia térmica para 3 seriam necessárias para armazenar a energia térmica para 3 dias de aquecimento. Partindo-se de que a temperaturadias de aquecimento. Partindo-se de que a temperatura inicial da água, no reservatório é de 150inicial da água, no reservatório é de 15000 F e o limite inferior F e o limite inferiorde uso é 90de uso é 9000 F (o que vale dizer: a mudança de temperatura F (o que vale dizer: a mudança de temperatura que a água será submetida será um que a água será submetida será um ΔΔt = 60t = 6000 F) F)..
O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema de armazenamento é:de armazenamento é:Q = 3 dias . 480.000 Btu/dia = 1.440.000 BtuQ = 3 dias . 480.000 Btu/dia = 1.440.000 Btu
Partindo-se da relação:Partindo-se da relação:Q = m . C. Q = m . C. ΔΔt t Sendo:Sendo:m = massa de águam = massa de águaC = calor específico da águaC = calor específico da águaΔΔt = diferença de temperatura da águat = diferença de temperatura da água
Q = m . C. Q = m . C. ΔΔtt
1.440.000 Btu = m . 1 . 601.440.000 Btu = m . 1 . 6000 F F
m = 24.000 lbm = 24.000 lb
Como: 8,3 lb = 1 galãoComo: 8,3 lb = 1 galão tem-se que:tem-se que:24.000 lb /8,3 lb = 2892 galões 24.000 lb /8,3 lb = 2892 galões Como:Como:1 galão = 3,785 litros1 galão = 3,785 litrosPortanto:Portanto:2.892 galões . 3,785 litros = 2.892 galões . 3,785 litros = 10.946 litros10.946 litros
HARPER LAKE, CAHARPER LAKE, CA
Aquecimento de água
Aquecedor Solar
Grupo Solaris – ESALQ/USP
Fogão Solar
parabólica para captação da energia solar
foco de energia onde fica
recipiente para ser aquecido
Secador Solar
Secador Solar
Secador Solar de Baixo Custo
Grupo Solaris – ESALQ/USP
H. HERTZ EM 1887 DESCOBRIU O PRINCÍPIO DO USO DIRETO DA H. HERTZ EM 1887 DESCOBRIU O PRINCÍPIO DO USO DIRETO DA ENERGIA SOLAR PARA PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (QUANDOENERGIA SOLAR PARA PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (QUANDO A LUZ ATINGE DETERMINADOS METAIS, ELÉTRONS SÃO EMITIDOS).A LUZ ATINGE DETERMINADOS METAIS, ELÉTRONS SÃO EMITIDOS).
O FENÔMENO É DENOMINADO DE “EFEITO FOTOELÉTRICO”O FENÔMENO É DENOMINADO DE “EFEITO FOTOELÉTRICO”
Luz incidindo na placa negativa, elétrons são emitidos com uma quantidade deLuz incidindo na placa negativa, elétrons são emitidos com uma quantidade deEnergia cinética inversamente proporcional ao comprimento da onda da luz Energia cinética inversamente proporcional ao comprimento da onda da luz Incidente.Incidente.
-- ++
LUZLUZ
ee--
ee--
ee--
Tubo de vácuoTubo de vácuo
CÉLULA FOTOVOLTAICA
SISTEMA FOTOVOLTAICO
• Placas solares• Regulador de carga• Banco de baterias• Inversor
CÉLULAS FOTO VOLTAICASCÉLULAS FOTO VOLTAICAS
CÉLULA DE COMBUSTÍVELCÉLULA DE COMBUSTÍVEL(INVENTADA HÁ 100 ANOS)(INVENTADA HÁ 100 ANOS)
É UM CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMBINA É UM CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMBINA UM COMBUSTÍVEL (HUM COMBUSTÍVEL (H22 OU GÁS NATURAL) COM O OU GÁS NATURAL) COM O
OO22 POR MEIO DE PROCESSO ELETROQUÍMICO, POR MEIO DE PROCESSO ELETROQUÍMICO,
GERANDO ELETRICIDADE.GERANDO ELETRICIDADE.ASPECTOS POSITIVOS:ASPECTOS POSITIVOS:ELEVADA RAZÃO POTÊNCIA/PESO, NÃO ELEVADA RAZÃO POTÊNCIA/PESO, NÃO POLUENTE, TAMANHO PEQUENO, ALTA POLUENTE, TAMANHO PEQUENO, ALTA CONFIABILIDADE (NÃO HÁ PARTES MÓVEIS)CONFIABILIDADE (NÃO HÁ PARTES MÓVEIS)EFICIÊNCIA 50-70%EFICIÊNCIA 50-70%
ASPECTOS NEGATIVOS (ATUAIS):ASPECTOS NEGATIVOS (ATUAIS):CUSTO ( US$3 A 4 mil/ Kw)CUSTO ( US$3 A 4 mil/ Kw)DÚVIDAS QUANTO A DURABILIDADEDÚVIDAS QUANTO A DURABILIDADEDE ONDE E COMO OBTER O HDE ONDE E COMO OBTER O H2 2 (METANOL, GASOLINA)(METANOL, GASOLINA)
A REAÇÃO NA CÉLULA É UMA COMBUSTÃO LENTA DO HA REAÇÃO NA CÉLULA É UMA COMBUSTÃO LENTA DO H22
ELETRODOS DE CARBONO ELETRODOS DE CARBONO
TIPOS EFICIÊNCIA
(%)
TEMPERATURA
OPERAÇÃO (0C)
TAMANHO DA UNIDADE
(kW)
MEMBRANA DE
TROCA PROTÔNICA
40 A 50 80 50
ÁCIDO FOSFÓRICO
40 A 50 200 200
CARBONATO FUNDIDO
60 + 650 2.000
ÓXIDO SÓLIDO 60 + 800 100
ALCALINA 70 60 2 a 5
Fonte: Hinrichs, 2003Fonte: Hinrichs, 2003
GOLDEMBERG, José. 1998. Energia, Meio Ambiente & Desenvolvimento. São Paulo: EDUSP.
Instituto Nacional de Meteorologia. LABSOLAR – Laboratório de Energia Solar – EMC/UFSC. Atlas de irradiação solar do Brasil. Brasília: , 1998.
HINRICHS, r.a. & KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. Thompson, 3a. Ed. São paulo. 2003. 543 p.
MELFI, Adolfo José; MONTES, Célia Regina. 2002. Disciplina de Geociência Ambiental. Piracicaba: ESALQ. Notas de aula do curso de graduação em Gestão Ambiental.
MONTENEGRO, A.B. Fontes não-convencionais de energia. 3.ed. Atlas de Irradiação Solar do Brasil co-autoria do INPE.
NASCIMENTO, Carlos Maia do. 2002. Conseqüências ambientais decorrentes da nova estruturação do setor elétrico e energético do Brasil. Conferência apresentada no 1º Simpósio e Exposição Internacional sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável em Municípios Industriais – Paulínia 2002. Paulínia, 20 a 23 de maio de 2002.
TURKENBURG, W.C. 2002. Renewable Energy: overview. Conferência apresentada no Energia 2020 - Sustentabilidade na geração e uso de energia no Brasil: os próximos vinte anos. Campinas, 18 a 20 de fevereiro de 2002. Acessado dia 01 de Junho de 2002.
Referências
Introdução ao Hidrogênio e Célula a Combustível
ENERGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE
ALEXANDREALEXANDRE SORDI - UNICAMP SORDI - UNICAMP
Hidrogênio
Eletrólise da água6,5 kWh/Nm3 (70% eficiência)
Reforma de hidrocarbonetosReforma vapor de gás natural (350 - 400ºC)
28 Nm3 H2 / 15 Nm3 CH4 (55% de eficiência)
Reforma vapor de etanol (600ºC)
Reforma vapor de metanol (260ºC)
Reforma vapor de gasolina (900ºC)
Reforma vapor do gás de gaseificação bagaço de cana
Basicamente- CnHm + nH2O H2 + nCO
Hidrogênio
A reforma vapor é o método mais comum de se produzir gases ricos em hidrogênio. É uma conversão endotérmica e catalítica com hidrocarbonetos leves e vapor d’água. A reforma a vapor do metano (maior constituinte do gás natural) é o método mais barato de produzir hidrogênio; aproximadamente 48% da produção mundial de hidrogênio é produzida a partir deste processo.
A reforma vapor do metano resulta em 64% de H2; 16,3% de CO2; 17,8% de H2O e 1,8% de N2. Após a reforma o gás é direcionado para a conversão exotérmica catalítica (reação de shift) do monóxido de carbono resultante produz hidrogênio puro de acordo com:
CO + H2O CO2 + H2
Hidrogênio
Armazenamento do hidrogênio
Estado gasoso Em cilindros em torno de 150 atm (6,4 Nm3/570 g) Em gasômetros com pressão pouco superior à atmosférica, armazenando em 1 m3 aprox. 1Nm3 e 89 g. Energia necessária resp. (2,4 kWh/kg e 0,05 kWh/kg)
Estado líquido Temperatura de -235ºC, (10-13 kWh/kg)
Hidretos metálicos Composto metálico capaz de armazenar hidrogênio
e liberá-lo sob aquecimento. FeTiHx, LaNiHx
(4,1 kWh/kg)
Célula a combustível
A célula a combustível converte a energia química de um combustível diretamente em eletricidade e calor. Basicamente: H2 + ½ O2 H2O
Célula a combustível
Tipos de células a combustívelPEMFC- Célula a combustível de membrana poliméricaPAFC- Célula a combustível de ácido fosfóricoMCFC- Célula a combustível de carbonato fundidoSOFC- Célula a combustível de óxido sólido
Célula a combustível
Comparação com outros conversores
Referências:
ELLIS, M. W. Fuel Cell for building applications. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. 2002.
EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Fuel Cell Handbook. 2000.
SILVA, E. P; NEVES Jr, N. P; OLIVEIRA, F. J. C. Tecnologias, aplicações e economia do hidrogênio Vol II 1986. Laboratório de hidrogênio Unicamp – IFGW.
SILVA, E. P; MOURA, J. C.; SOUZA, S. N. M.; TICIANELLI, E. A.; CAMARGO, J. C. Produção adjacente de hidrogênio em usinas hidroelétricas e sua utilização. NIPE 2001.