Recursos Energéticos e Meio Ambiente. Professor Sandro Donnini Mancini. 6 - Conversão de Outras Energias em Energia Elétrica. Sorocaba, Março de 2015.

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1 Campus Experimental de Sorocaba Recursos Energéticos e Meio Ambiente Professor Sandro Donnini Mancini 6 - Conversão de Outras Energias em Energia Elétrica Sorocaba, Março de CONVERSÃO DE OUTRAS ENERGIAS EM ELÉTRICA Processos: Químicos: Baterias e Pilhas Células a Combustível Físicos: Geradores Cristais Piezoelétricos 1

2 CONVERSÃO DE OUTRAS ENERGIAS EM ELÉTRICA Processos: Químicos: Baterias e Pilhas Células a Combustível Físicos: Geradores Cristais Piezoelétricos Baterias e Pilhas Na realidade são sinônimos e compostas por 3 partes básicas: * 2 eletrodos de metais diferentes (um pode ser carbono) * Eletrólito Solução Sólido Pasta Úmida * Circuito Externo Baterias de Carro Recarregáveis Baterias de Celular, Pilhas Pilhas Não Recarregáveis 2

3 Baterias de Carro Geralmente Eletrodos de Pb e PbO 2, eletrólito de H 2 SO 4 Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, Bateria de Celular ou Pilhas Recarregáveis Eletrodos de Ni(OH) 2 e Cd, eletrólito de K ou Li Pilhas Não Recarregáveis Eletrodos de Carbono e zinco, eletrólito NHCl 4 úmido Podem ter ainda: Hg, Pb, Cd e In corrosão do Zn e melhoram a performance Alcalinas: Eletrodos aço + Zn e aço revestido em Ni Eletrólito: solução de KOH As composições citadas são mais comuns, mas há outras desenvolvidas e em desenvolvimento. 3

4 Se bem utilizadas (sem vazamentos, p.ex.) baterias e pilhas só trazem problema no descarte. Resolução CONAMA n o 401 de 2008 Estabelece obrigatoriedade de descarte seletivo por parte dos consumidores e coleta, disposição e/ou reciclagem por parte dos fabricantes e/ou importadores. Devem ser fabricadas com no máximo: 0,010% em peso de mercúrio, quando forem do tipo Zn-Mn e alcalina-mn; 0,015% em peso de cádmio, quando forem dos tipos alcalina- Mn e Zn-Mn; 0,200% em peso de chumbo, quando forem dos tipos alcalina- Mn e Zn-Mn. CONVERSÃO DE OUTRAS ENERGIAS EM ELÉTRICA Processos: Químicos: Baterias e Pilhas Células a Combustível Físicos: Geradores Cristais Piezoelétricos 4

5 Células a Combustível Reação controlada de combustíveis (H 2, CH 3 OH, e gás natural) com O 2 (combustão). Potencial grande com H 2, pois não é poluente (subproduto é a água). Também necessitam de 2 eletrodos, eletrólito e circuito externo. Tipos: muda o eletrólito Alcalina Foguetes Membrana Trocadora de Prótons Ácido Fosfórico Carbonato Fundido (só deixa passar H + ; O - fica retido, atraindo os prótons) Tipos de Células a Combustível Tipos PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC Eletrólito Membrana de Hidróxido de Ácido Carbonato Fluoritas troca Potássio Fosfórico em Fundido em (Cerâmicas) protônica matriz matriz de fenólica LiAlO 2 Eletrodos Carbono Metais de Carbono Níquel e Perovskitas e Transição Óxido de Cermet Níquel Espécie Condutora H + OH - H + CO 3 2- O 2- T operação (ºC) Combustível H 2 H 2 H 2 H 2, CO, C n H m H 2, CO, C n H m Eficiência 35 45% 45 60% 35 45% 45 60% 50 60% 5

6 Tipos de células a combustível, suas respectivas reações e temperaturas de operação (BARBIR, et al., 2005). Membrana Trocadora de Prótons Disponível em Acesso em 05 fev Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, Lado do Anodo: 2H 2 4H + + 4e - Lado do Catodo: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O Converte 80% do conteúdo energético do H 2 em eletricidade Problema: produção de hidrogênio (da água, de hidrocarbonetos...) 6

7 Comparação entre Célula a Combustível e Motor a Combustão Interna (WALD, 2004) CONVERSÃO DE OUTRAS ENERGIAS EM ELÉTRICA Processos: Químicos: Baterias e Pilhas Células a Combustível Físicos: Geradores Cristais Piezoelétricos 7

8 Geradores Um imã (indutor) gera um campo magnético a sua volta. Se um condutor estiver próximo do imã, a influência do campo no condutor (induzido) gerará corrente elétrica no mesmo. Ou seja, os elétrons do condutor, que apresentam movimento aleatório, são induzidos a se movimentarem de forma coerente, numa direção. Esse movimento coerente é a corrente elétrica ou eletricidade. Acesso em 5 fev A geração de corrente alternada é mais simples e mais usada (quando gerador = alternador) pois tem manutenção mais fácil, não gera arcos elétricos, o resfriamento é mais fácil, é mais compacta, tem maior rendimento, tem rotação menor, etc. Como se usa muito a corrente contínua, a corrente alternada deve ser retificada (capacitores e diodos). Hidrelétrica: queda d água faz girar a turbina, que gira um eixo que faz girar a bobina do alternador, dentro de um campo magnético gerado por um ímã permanente ou eletroímã (bobina onde passa corrente elétrica, pois corrente elétrica gera campo magnético). sala12/12_to5.asp. Acesso em 5 fev

9 CONVERSÃO DE OUTRAS ENERGIAS EM ELÉTRICA Processos: Químicos: Baterias e Pilhas Células a Combustível Físicos: Geradores Cristais Piezoelétricos Muito utilizadas em calculadoras, relógios e radares. * Impulso a partir de 1950 Programa Espacial dos EUA (desde então preço caiu mais de 1.000%, mas ainda são caras e de eficiência baixa) somente parte do espectro tem λ ou energia adequados * Baseadas no Efeito Fotoelétrico Fótons são capturados por um elétron de um metal, fornecendo energia suficiente para que ele saia da estrutura. 9

10 Material base é abundante: Silício (metalóide, semicondutor) dopado para gerar uma diferença de potencial elétrico Shackelford, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers 3 a Ed. McMillan Publishing Company. Nova Iorque, p. Dopagem (Si com, por exemplo, P e B altamente puros) Uma das maneiras: Implantação iônica de fósforo e boro em filmes finos de silício Junção p-n 2 chapas de metal: (n) Em uma é fixada uma tira de Si (Z=14) dopada com P (Z=15) passa a existir elétrons extras; (p) Na outra é fixada uma tira de Si dopada com B (Z=5) passa a haver falta de elétrons ( buracos na estrutura). Com luz há a saída de elétrons de n para p, visando a retirada dos elétrons extras (em n) e o fechamento dos buracos (em p). Com o fechamento do circuito há a possibilidade de cada uma das partes da junção voltar ao seu estado natural (a n com elétrons extras e a p com buracos), formando corrente elétrica. Sem luz, não há possibilidade de fluxo de elétrons. 10

11 Esquema didático de uma Célula Fotovoltaica Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, Montagem de uma Célula Fotovoltaica CONVERSÃO DE OUTRAS ENERGIAS EM ELÉTRICA Processos: Químicos: Baterias e Pilhas Células a Combustível Físicos: Geradores Cristais Piezoelétricos 11

12 Cristais Piezoelétricos Materiais que dão respostas elétricas à aplicação de pressão mecânica. Mais comuns: Quartzo SiO 2 Titanato de Bário - BaTiO 3 Titanato zirconato de chumbo - PZT Usos : Acendedores de Fogão Agulhas de toca-discos de vinil Micro-balanças O contrário também é válido: ao estímulo elétrico, há resposta mecânica Relógios de Quartzo Cristal está em equilíbrio elétrico. Disponível em Acesso em 5 fev Sua compressão gera desequilíbrio das cargas entre as superfícies. 12

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