Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e, termicamente assistida.

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1 Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ciências e Tecnologia Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e, termicamente assistida. TÂNIA Marisa Afonso TEIXEIRA Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia Lisboa 2010

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5 iii Copyright

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7 Ficha Técnica Título: Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e, termicamente assistida. Autor: Tânia Marisa Afonso Teixeira Objectivo do presente trabalho: Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia. Âmbito do estudo: Trabalho de investigação sobre o efeito do aumento da temperatura, com recurso a um colector solar, no processo de electrólise. O processo de electrólise em si é efectuado com recurso a energia eólica. O objectivo deste estudo é a melhoria da geração de Hidrogénio com recurso ao aumento de temperatura no processo de electrólise, assim como a utilização de energias renováveis. Orientação científica do trabalho: Professor Doutor Rui F. dos Reis Marmont Lobo (Professor da UNL/FCT) Contactos do autor: corie.t@gmail.com Local: Monte da Caparica Ano: 2010 O conteúdo da presente dissertação é da inteira responsabilidade do autor. Não é autorizada a reprodução, total ou parcial, do conteúdo da presente dissertação, sem a autorização prévia do autor, por escrito. É autorizada a citação do conteúdo da presente dissertação, desde que acompanhada da respectiva referência bibliográfica, de acordo com as normas internacionais e de citação de trabalhos científicos. v

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9 Resumo O presente trabalho considera um sistema de produção de hidrogénio, através da electrólise de água, recorrendo apenas a energias renováveis. O sistema estudado baseia-se na utilização de energia eólica para produção de hidrogénio, e na aplicação de energia solar térmica para aumentar o rendimento do processo de electrólise. Foi analisado ainda um sistema autónomo de produção de hidrogénio, utilizando igualmente energia eólica e solar térmica, capaz de fornecer a totalidade de energia necessária para uma habitação e para o meio de transporte dos residentes. Ao nível do consumo de energia doméstico, a demanda de energia eléctrica e de águas quentes sanitárias terá normalmente resposta através da energia eólica e solar térmica, no entanto em alturas de baixa demanda a energia eólica produzida em excesso será usada no processo de electrólise da água, consequentemente a produção de hidrogénio que será armazenado e utilizado nos momentos de baixa ou nenhuma produção de energia eólica. O objectivo principal deste trabalho é promover o conhecimento do hidrogénio como vector energético e como armazenador de energia, e de mostrar a sua capacidade na resolução da questão de intermitência das energias renováveis. vii

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11 Abstract The present work aims a system for hydrogen production, through water electrolysis, using only renewable energy. The system studied is based on the use of wind energy to hydrogen production, and application of solar thermal energy to increase the yield of the electrolysis process. There was still analyzed an autonomous system of hydrogen production, also using wind and solar thermal energy, capable of meeting the residence energy demand of a habitation and for the resident s means of transportation. In the domestic energy consumption, de electric energy and water heating demand will have normally an answer in wind and solar thermal energy, and so in times of lower demand the wind energy produced in excess will be used in for water electrolysis, and in the production of hydrogen that will be storage and used in moments of low or null wind production. The main propose of this work is to promote the hydrogen s knowledge as an energetic vector and an energy storage, and to show is capacity in the resolution of the intermittence of the renewable energy. ix

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13 Lista de Acrónimos e Definições Energia Primária recurso energético que se encontra disponível na natureza (petróleo, gás natural, energia hídrica, energia eólica, biomassa, solar). FER Fonte de Energia Renovável. NUTS Nomenclaturas de Unidades Territoriais para fins Estatísticos, padrão geocódigo para referenciar as divisões administrativas de países para fins estatísticos. Só abrange os Estados-Membros da UE. Mtep Milhões de toneladas de equivalente de petróleo. Entalpia energia de um sistema que se encontra sob a forma de calor. PTN Pressão e Temperatura Normais. xi

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15 Aos meus pais, por tudo o que sou e posso vir a ser. Ao Joaquim, pelo apoio e incentivo. xiii

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17 Agradecimentos Ao Professor Dr. Rui F. dos Reis Marmont Lobo, da UNL-FCT, pela orientação do presente trabalho. Agradece-se, igualmente, as condições laboratoriais proporcionadas pelo laboratório do Grupo de Nanotecnologia e Ciência à Nano-Escala (GNCN) situado no Centro de Exª do Ambiente da FCT-UNL. À Professora Benilde Mendes, da UNL-FCT, coordenadora do Mestrado de Energia e Bioenergia, pelas palavras de apoio e ânimo transmitidos que foram de vital importância para a elaboração e finalização do presente documento. Ao Prof. Adolfo Steiger Garção, presidente do Departamento de Electrotécnia, da UNL-FCT, pela autorização na utilização de equipamento. Ao Professor João Martins e Pedro Pereira, da UNL-FCT, pelo apoio dado na determinação das medições do aerogerador. Ao Eng. Pedro Ribeiro e ao Eng. Paulo Pereira, do Grupo de Qualidade do Ar, da UNL-FCT, por terem proporcionado as condições para a realização dos ensaios da estação meteorológica e pelas informações fornecidas. Ao Sr. Ribeiro, ao Sr. Campos e ao Sr. Joel, dos serviços técnicos da UNL-FCT, pelo apoio na produção do colector solar. Aos colegas, Ricardo, Inês e Cristina, do Mestrado de Energia e Bioenergia, pelo apoio dado e pelas palavras de incentivo em momentos de dúvida. xv

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19 Índice Introdução... 1 Capitulo 1 Produção e consumo energético Perfil Energético da UE Perfil Energético de Portugal Emissões Fósseis Energia Eólica Energia Solar Capitulo 2 Hidrogénio Produção de Hidrogénio Reformação Oxidação parcial Pirólise da biomassa Bio-fotólise Termólise Foto-electrólise Plasmólise, Magnetólise e processo Mechano-catalytic Outros processos Transporte e Armazenamento Capitulo 3 Produção de Hidrogénio via Electrólise Descrição do Processo Tecnologia da electrólise Electrólise Termicamente Assistida Colectores Solares Caracterização Capitulo 4 Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio Modelo de Estudo Material e Métodos Breve Descrição do Sistema Eólico Descrição do Sistema de Electrólise Descrição dos Ensaios Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos xvii

20 5.1. Dimensionamento de um Colector Solar Dimensionamento de um colector para uma habitação Modelo Teórico da Electrólise Capitulo 6 Discussão de Resultados Comportamento da corrente eléctrica em função da velocidade do vento Comportamento da electrólise face à corrente eléctrica Comportamento da electrólise face à variação de temperatura Extrapolação de dados Capitulo 7 Análise Económica e Ambiental Implementação Colector Solar Transportes Sector Doméstico Análise combinada Capitulo 8 Conclusões Capitulo 9 Referências Bibliográficas xviii

21 Índice de Figuras Figura Consumo de Energia Final por Sector, UE Figura Produção doméstica, importação e consumo de energia primária... 6 Figura Quota do consumo de energia primária (%) por Tipo de fonte de energia Figura Quota do consumo final de energia (%) por sector de actividade económica Anual Figura Quota da produção bruta de electricidade (%) por Localização geográfica (NUTS ) e Tipo de produção de electricidade Anual Figura Potência instalada em Portugal relativo á eólica Figura Radiação global anual em Portugal Figura Insolação global anual em Portugal Figura Capacidade total instalada eléctrica, Figura Capacidade total instalada de energia térmica, Figura Produção de energia a partir de Energia Solar (TWh) Figura Produção de energia para aquecimento a partir de Energia Solar (Mtep) Figura Processos de produção de Hidrogénio Figura Esquema resumido do processo de electrólise Figura 3.2 Diagrama representativo do ciclo do hidrogénio, produção e consumo Figura 4.1 Modelo representativo das fases de estudo Figura 4.2 Aerogerador Figura 4.3 Sistema eléctrico de conversão, inversor e rectificador Figura Estação meteorológica Figura 4.5 Sistema de electrólise (unidade de medida em cm) Figura Electrolisador Figura 5.1 Esquema do sistema de aquecimento do processo de electrólise através dum colector solar (unidade de medida em cm) Figura 5.2 Colector solar implementado Figura 5.3 Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente eléctrica Figura 5.5 Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente, para 3 valores diferentes de temperatura Figura Rendimento de H2 (PCS - Poder Calorífico Superior) em função da densidade de corrente Figura Aerogerador - Corrente eléctrica vs velocidade do vento Figura 6.2 Produção de H 2 em função da corrente eléctrica Figura Comparação da produção de hidrogénio teórica (laranja) vs prática (cinza) Figura 6.4 Influência da Intensidade da corrente eléctrica e da Temperatura na produção de H Figura 6.5 Influência da temperatura na produção de H Figura 6.6 Variação de rendimento através do aumento de temperatura xix

22 Figura Tendência de produção de hidrogénio numa electrólise a 65 C Figura Sistema de produção de hidrogénio para veículo ligeiro Figura Sistema de produção de hidrogénio para habitação Figura Sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo xx

23 Índice de Quadros Quadro 1.1 Consumo de Energia dos estados membros da UE, a sua rede de importações e taxa de dependência em Quadro Consumo final de energia em energia renovável Quadro Emissões de CO 2 dos países da UE-27 e respectivas metas de Kyoto Quadro Potencia instalada (MW) por cada estado membro da UE Quadro Potência instalada de energia eólica na UE, Quadro Caracterização da potência eólica em Portugal Continental Quadro 2.1 Poder Calorífico Superior e Inferior para diferentes combustíveis Quadro Resumo dos processos de produção de hidrogénio Quadro Reacções químicas verificadas ao nível dos electrodos Quadro Eficiência dos sistemas de electrólise Quadro 5.1 Produção teórica de hidrogénio a partir de electrólise de água Quadro 5.2 Produção de Hidrogénio em função de duas variáveis: temperatura e intensidade de corrente Quadro 6.1 Volume de produção de H 2 à temperatura ambiente Quadro Produção de hidrogénio através de Electrólise: Teórica vs Experimental Quadro 6.3 Influência da variação da temperatura na produção de H Quadro Variação de Rendimento resultante do aumento de Temperatura, comparativamente ao processo a 25ºC Quadro 7.1 Características do sistema de produção de hidrogénio para deslocação Quadro Características do sistema de produção de hidrogénio para uma habitação Quadro 7.3 Características do sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo xxi

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25 0 Introdução Introdução Na actualidade, verifica-se uma crise a nível mundial no sector dos combustíveis fósseis, mais concretamente no petróleo. Sendo Portugal um dos países da União europeia com maior dependência energética, é dos que mais sofre com o aumento do preço do petróleo e da consequente subida de preço de vários produtos e serviços. O impacte que a crise económica tem gerado e as metas impostas pela UE, resultantes de preocupações ambientais como as alterações climáticas e o aquecimento global, levaram a uma revisão das políticas energéticas de cada país. Considera-se que a solução para esta problemática consiste num maior desenvolvimento e interesse nas energias renováveis, nomeadamente a eólica, hídrica, fotovoltaica, solar térmica, geotérmica e culturas energéticas. Apesar de Portugal já apresentar um grande investimento a nível de energia eólica, o mesmo não se verifica com as outras energias renováveis. Surgindo assim a necessidade de melhorar, desenvolver e diversificar as formas de energia, limpas e sustentáveis, como as energias renováveis e de solucionar a questão da sua intermitência. Neste contexto, surge o hidrogénio como uma promissora fonte de energia intermédia, que a par com a energia eléctrica é considerado um vector energético, possível de ser armazenado. O hidrogénio é o elemento mais abundante no Universo, com cerca de 70% da massa total do Universo, e o terceiro mais abundante da crusta terrestre. É o elemento mais leve, e com mais baixa densidade de massa por m 3, mas é o combustível de utilização mais eficiente, o que é corroborado quando comparamos o poder calorífico superior (141,86 kj/g, em condições PTN) e inferior do hidrogénio (119,93 kj/g, em condições PTN) em relação a outros combustíveis, como a gasolina (poder calorífico superior é de 47,50 kj/g e o inferior é de 44,50 kj/g, em condições PTN). No entanto, o hidrogénio encontra-se associado a outros elementos, sendo necessário separá-lo ou produzi-lo. A sua produção pode ser efectuada de diferentes formas e através de diferentes fontes, sendo uma delas através da água. É num dos processos de produção de Hidrogénio a partir de água, mais concretamente no processo de electrólise que este estudo incide. Este projecto, surge com o objectivo de estudar o processo de produção de hidrogénio a partir de electrólise alimentada por energia eólica e os efeitos da temperatura na mesma. O projecto desenvolve-se em 4 fases: Página 1 de 69

26 Fase 1 - Recolha de dados referentes à produção de energia eólica de um aerogerador, montado no topo do Departamento de Electrotécnica, da Faculdade de Ciências e Tecnologia - Universidade Nova de Lisboa. Caracterização do aerogerador em causa, determinação da corrente eléctrica produzida em função da intensidade/velocidade do vento. Fase 2 Estudo do processo de electrólise no Laboratório do Grupo de Nanotecnologia e Ciência à Nano-Escala (GNCN) situado no Centro de Exª do Ambiente da FCT-UNL. Determinação, em laboratório, do rendimento deste processo, através da introdução ( input ) de energia eléctrica e da quantidade de Hidrogénio obtido. Fase 3 Estudo do processo de electrólise termicamente assistido no Laboratório do GNCN da FCT-UNL. Determinação laboratorial do efeito da temperatura no processo de electrólise, através do aquecimento da água existente na célula electroquímica. Dimensionamento de um colector solar para a produção de um aumento de temperatura da água até 65ºC (temperatura máxima aconselhada para o electrolisador em causa). Fase 4 Análise e comparação dos dados obtidos. Comparação do volume de Hidrogénio obtido, no processo de electrólise convencional e no de electrólise termicamente assistida, para as mesmas intensidades de corrente utilizadas. Consequente identificação de qual será o processo mais eficiente. Assim, a presente dissertação apresenta-se distribuída em 3 partes distintas: 1) Capitulo I, II e III, onde se efectua uma contextualização do estudo, sobre a energia Eólica, o Hidrogénio e a energia solar térmica. 2) Capitulo IV, V e VI, em que se apresenta a metodologia associada ao projecto, os resultados obtidos, dimensionamento de um colector solar para o projecto em causa e discussão de resultados. 3) Capitulo VII, no qual se apresentam as conclusões deste trabalho. Página 2 de 69

27 Capitulo 1 Produção e consumo energético Capitulo 1 Produção e consumo energético O presente projecto debruça-se sobre a melhoria na produção de Hidrogénio por electrólise com recurso a energias renováveis (solar para o aumento de temperatura da água, e eólica para a realização do processo de electrólise). As alterações estudadas pressupõem a redução de emissões fósseis assim como da dependência de combustíveis fósseis por utilização de energias renováveis num âmbito nacional. Neste contexto, o presente capítulo apresenta: a) O perfil energético europeu e nacional, identificando os níveis de consumo energético por sector e/ou por energia a percentagem de utilização de energia por sector e tipo de energia. Este perfil permite identificar o grau de dependência de combustíveis fósseis assim como do potencial energético de renováveis. b) O nível de emissões fósseis a nível Europeu, impactes do mesmo, assim como planos e directivas para a sua redução. c) O potencial de crescimento das energias eólica e solar a nível Europeu e em particular em Portugal Perfil Energético da UE Nos últimos anos a União Europeia tem vindo a criar várias políticas energéticas e ambientais de forma a diminuir os níveis de consumo de energia e dependência energética. Em 2006, a União Europeia apresentava consumos de energia elevados, na ordem de 1200 Mtep (Figura 1.1). Figura Consumo de Energia Final por Sector, UE-27. (EEA; Eurostat, 2008). Página 3 de 69

28 A nível de consumo destaca-se o sector dos transportes com uma quota de 31,5%, seguindo-se o sector da indústria com 27,6% e o da habitação com 25,9%. Como resultado do elevado consumo energético, a União europeia recorre a importações de recursos energéticos para fazer face às suas necessidades energéticas, criando assim uma dependência energética. A União Europeia apresenta um nível de dependência energética de 53,8%, registando-se 17 países com níveis de dependência superiores a este, entre os quais Portugal (Quadro 1.1). Verificando-se que apenas 10 países apresentam um nível de dependência energética inferior à média europeia. O país que se encontra melhor classificado na tabela é a Dinamarca, que apresenta uma dependência energética na ordem de -36,8%, valor que corresponde na realidade à sua percentagem de exportações. Seguem-se a Polónia e o Reino Unido com apenas 19,9% e 21,3%. Quadro 1.1 Consumo de Energia dos estados membros da UE, a sua rede de importações e taxa de dependência em (Europe s Energy Portal) Estado Membro UE Grosso do Cons. de Ener. 1) Import.Líq. 2) Dependência Energética 3) Estado Membro EU Grosso do Cons. de Ener. 1) Import.Líq. 2) Dependência Energética 3) 1 Chipre 2, % 15 Alemanha ,5 61,30% 2 Malta 0,9 0,9 100% 16 Finlândia 37,8 20,9 54,60% 3 Luxemburgo 4,7 4,7 98,9% 17 UE ,2 1010,1 53,80% 4 Irlanda 15,5 14,2 90,9% 18 Eslovénia 7,3 3,8 52,10% 5 Itália 186,1 164,6 86,8% 19 França 273,1 141,7 51,40% 6 Portugal 25,3 21,6 83,1% 20 Bulgária 20,5 9,5 46,20% 7 Espanha 143,9 123,8 81,4% 21 Holanda 80,5 37,2 38% 8 Bélgica 60,4 53,5 77,9% 22 Suécia 50,8 19,8 37,40% 9 Áustria 34,1 24,9 71,9% 23 Estónia 5,4 1,9 33,50% 10 Grécia 31,5 24,9 71,9% 24 România 40,9 11,9 29,10% 11 Letónia 4,6 3,2 65,7% 25 República Checa 46,2 12,9 28% 12 Lituânia 8,4 5,5 64% 26 Reino Unido 229,5 49,3 21,30% 13 Eslováquia 18, % 27 Polónia 98,3 19,6 19,90% 14 Hungria 27,8 17,3 62,5% 28 Dinamarca 20,9-8,1-36,8% 4) 1) Grosso de Consumo de Energia em Milhões de toneladas de equivalente de petróleo (Mtep). Definido como produção primária mais importações, menos exportações. 2) Importações líquidas significa importações menos exportações. 3) Importações divididas pelo grosso do consumo. 4) Dinamarca é um exportador de energia. Página 4 de 69

29 Capitulo 1 Produção e consumo energético A diminuição dos níveis de importação da UE passa pela consciencialização dos cidadãos no que respeita ao consumo desregulado de energia, e maioritariamente pela melhoria da eficiência energética e implementação de energias renováveis. No ano de 2006 a média europeia, para a EU-27, de energia consumida produzida por FER (Fontes de Energia Renováveis) era de 9,2%, sendo a o valor médio da meta a atingir em 2020 de 20%, faltando assim em média aumentar em 10,8% a produção de energia renovável (Quadro 1.2). Quadro Consumo final de energia em energia renovável. (Europe s Energy Portal) 2006 Estados Membros EU Meta 2020 % Por atingir: 1 Reino Unido 1,5 % 15 % 13,5 % 2 Irlanda 2,9 % 16 % 13,1 % 3 Dinamarca 17,2 % 30 % 12,8 % 4 França 10,5 % 23 % 12,5 % 5 Holanda 2,7 % 14 % 11,3 % 6 Espanha 8,7 % 20 % 11,3 % 7 Grécia 7,1 % 18 % 10,9 % EU 9,2 % 20 % 10,8 % 8 Itália 6,3 % 17 % 10,7 % 9 Letónia 31,4 % 42 % 10,6 % 10 Bélgica 2,6 % 13 % 10,4 % 11 Chipre 2,7 % 13 % 10,3 % 12 Alemanha 7,8 % 18 % 10,2 % 13 Luxemburgo 1 % 11 % 10 % 14 Malta 0 % 10 % 10 % 15 Portugal 21,5 % 31 % 9,5 % 16 Eslovénia 15,5 % 25 % 9,5 % 17 Finlândia 28,9 % 38 % 9,1 % 18 Áustria 25,1 % 34 % 8,9 % 19 Lituânia 14,6 % 23 % 8,4 % 20 Estónia 16,6 % 25 % 8,4 % 21 Hungria 5,1 % 13 % 7,9 % 22 Suécia 41,3 % 49 % 7,7 % 23 Polónia 7,5 % 15 % 7,5 % 24 Eslováquia 6,8 % 14 % 7,2 % 25 Bulgária 8,9 % 16 % 7,1 % 26 Roménia 17 % 24 % 7 % 27 República Checa 6,5 % 13 % 6,5 % Países como o Reino Unido, Holanda e Espanha apresentavam níveis de consumo de energia produzida por FER inferiores à média europeia e superiores relativamente à necessidade de aumentar a produção de energia renovável. Página 5 de 69

30 Os restantes países da EU-27 apresentam níveis mais optimistas que os países acima referidos. Neste último grupo, encontra-se inserido Portugal ocupando a 5º posição no que respeita aos países da EU-27 que apresentam melhores níveis de energia consumida produzida por FER assim como das metas mais elevadas estabelecidas para 2020, e a 12ª posição para as quotas a aumentar em produção de energia renovável. Em 2008, a Comissão Europeia estabeleceu um plano de acção para a energia, mais vulgarmente designada pela Estratégia dos Este plano a atingir em 2010, que consiste em 3 metas: na diminuição em 20% das emissões de gases com efeito de estufa, no aumento em 20% da energia produzida por Energias Renováveis, e em 10% de biocombustíveis nos transportes, e no aumento da eficiência energética em 20%. Esta estratégia deu origem ao Pacto do Autarcas, ao qual aderiram 350 autarquias europeias, das quais 7 são portuguesas Perfil Energético de Portugal Portugal é um país com escassos recursos energéticos, nomeadamente petróleo, carvão e gás, sendo estes combustíveis a base da economia nacional verifica-se uma elevada dependência energética. Até o ano de 2006, Portugal registou um aumento do consumo e das importações de energia primária (Figura 1.2). Apesar de se ter verificado uma tendência para o aumento de produção de energia este não foi suficiente para acabar com a dependência energética nacional. Figura Produção doméstica, importação e consumo de energia primária (DGEG, 2008). O consumo de energia primária em Portugal baseia-se essencialmente no petróleo, cujo consumo em 2007 encontrava-se nos 54% (Figura 1.3). Outros combustíveis fósseis, como Página 6 de 69

31 Capitulo 1 Produção e consumo energético o gás natural e o carvão, asseguram as necessidades energéticas nacionais tendo apresentado para o ano de 2007 consumos de 15% e 11,3%, respectivamente. O contributo das energias renováveis no consumo total de energia primária de 17,1%, sendo o maior contributo da energia hídrica seguindo-se a energia eólica. Figura Quota do consumo de energia primária (%) por Tipo de fonte de energia. (Adaptado de Direcção-Geral de Geologia e Energia). O maior consumo final de energia a nível nacional dá-se no sector dos transportes, tendo-se mantido a quota de 36% em 2004 e 2007 (Figura 1.4). O mesmo se verifica nos sectores da agricultura (2%), das pescas (1%), da indústria extractiva (1%) e transformadora (28%), que mantiveram as suas quotas em 2004 e Foi nos sectores das construções e obras públicas, doméstico e de serviços que se registaram as alterações de consumo, tendo as construções e obras públicas passado de uma quota de 16% para 17%, o doméstico de 4% para 3%, e os serviços de 13% para 12% % 2% 16% 36% 1% 1% 28% 4% 2007 Agricultura 2% 1% Pescas 1% 12% Agricultura Ind. Extractiva 28% Ind. Transformadora Pescas17% Const. e obras públ. Ind. Extractiva Transportes 36% Ind. Transformadora 3% Sector doméstico Const. e obras públ. Serviços Figura Quota do consumo final de energia (%) por sector de actividade económica Anual. (Direcção-Geral de Geologia e Energia). De forma a reduzir esta dependência, Portugal tem vindo a investir em Fontes de Energia Renovável (FER) e em campanhas para a redução do consumo de energia (Figura 1.5). Página 7 de 69

32 Figura Quota da produção bruta de electricidade (%) por Localização geográfica (NUTS ) e Tipo de produção de electricidade Anual. (Direcção-Geral de Geologia e Energia) 1.3. Emissões Fósseis Com o Livro Branco, a Comissão Europeia fixou o objectivo indicativo de 12% de contribuição das FER para o consumo bruto de Energia da União Europeia até 2010 (o seu consumo em 1995 era de 5,44%). Num dos vários pontos Livro Branco, a União europeia deverá aumentar a produção da electricidade a partir de fontes de energia renovável de 337 TWh em 1995 a 675 TWh em 2010 ou seja aumentar a produção de electricidade a partir das FER de 14% para 22%. Neste contexto a capacidade instalada de energia eólica deverá passar de 2,5GW em 1995 para MW (40 GW) em 2010, a qual poderá produzir 80 TWh de electricidade (2,8% da produção de electricidade da UE), contra 4TWh (0,2% da produção de electricidade da UE) em 1995, e evitar a emissão de 72 milhões de toneladas do CO 2 por ano (Comissão Europeia, 1997). A União Europeia (UE), com a directiva 2001/77/EC, reconhece a necessidade de promover as fontes de energia renovável considerando-as vectores estratégicos na protecção ambiental e no desenvolvimento sustentável (Comissão Europeia, 2001). Através desta directiva, a UE estabeleceu como meta indicativa para a Europa a produção, a partir de fontes renováveis, de 22 % da energia eléctrica consumida em Espera-se alcançar este objectivo através de quotas assumidas pelos diferentes estados-membros. Essa quota foi recentemente revista, aquando da adesão dos 10 novos estados-membros, passando para 21 %. Em Portugal, a directiva comunitária traduziu-se num plano estratégico para promoção das fontes de energia renovável, designado Programa E4 (Eficiência Energética e Energias Página 8 de 69

33 Capitulo 1 Produção e consumo energético Endógenas). Com este programa de apoio, Portugal pretende atingir a meta dos 39 % de produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável, obedecendo ao estabelecido na directiva 2001/77/EC. Para tal, Portugal deverá mobilizar cerca de 5 mil milhões de euros de investimento para este sector. Com a implementação desta directiva a produção energia eólica nacional foi em 2002 trezentas e sessenta vezes superior ao registado em 1991 e a sua aplicação faz prever a instalação em Portugal de cerca de 2500 a 3000 MW de conversores eólicos, no horizonte de 2010 (Castro, 2007). Quadro Emissões de CO 2 dos países da UE-27 e respectivas metas de Kyoto. (EEP, 2008) O Pacto dos Autarcas pretende reduzir, até 2020, em 20% as emissões de gases com efeito de estufa (GEE) produzidos pelos municípios signatários, no âmbito do Plano Europeu de Acção para Eficiência Energética Energia Eólica Página 9 de 69

34 A energia eólica é das energias renováveis em que se investiu mais em Portugal. O seu crescimento tem sido exponencial ao longo dos anos, principalmente devido á contribuição da Europa onde está a maior parcela de produção. Em 2002, a UE era detentora de 75% da potência total instalada em todo o mundo, correspondendo esta percentagem em grande parte à forte contribuição de países como a Alemanha, a Espanha e a Dinamarca (Quadro 1.4). Quadro Potencia instalada (MW) por cada estado membro da UE-15. (EWEA) Ano/país Áus. Bél. Din. Finl. Fra. Alem. Gré. Irlan. Itá. Lux. Hol. Port. Esp. Sue. R.U. Total Legenda: Áus - Áustria; Bel - Bélgica; Din Dinamarca; Finl Finlândia; Fra França; Alem Alemanha; Gré Grécia; Irlan Irlanda; Itá Itália; Lux Luxemburgo; Hol Holanda; Port Portugal; Esp Espanha; Sue Suécia; R.U. Reino Unido Em 2005, estes três países detinham 31577MW de capacidade instalada, ou seja 78% do total da UE (15). Nesse mesmo ano o total de potência instalada na UE-15 era de 40317MW o que superou a meta estabelecida de 40000MW. Em 2003, surge a European Wind Energy Association com uma nova visão mais ambiciosa que a Comissão Europeia, revendo o objectivo de potência instalada em energia eólica para os 75 GW, em 2010, e 180 GW, em Em 2008, a Alemanha e Espanha mantinham-se como os países com maior potência instalada de energia eólica, com MW e 16740MW (Quadro 1.5). O mesmo não se verifica com a Dinamarca que foi suplantada pela Itália, França e Reino Unido. A evolução de energia eólica em Portugal foi notória. Portugal passou de 1022MW em 2005 para 2862 MW em 2008, mais do dobro. No âmbito da Directiva do Parlamento Europeu e do Conselho nº 2001/77/CE, de 27 de Setembro de 2001, Portugal assumiu um objectivo agressivo na vertente da promoção das Página 10 de 69

35 Capitulo 1 Produção e consumo energético energias renováveis. Assim, Portugal estabeleceu, como meta para 2010, aumentar o contributo das energias renováveis para 39% do consumo bruto anual de electricidade. Quadro Potência instalada de energia eólica na UE, (Europe s Energy Portal) Estado Membro 1 Alemanha Espanha Itália França Reino Unido Dinamarca Portugal Holanda Suécia Irelanda Austria Grécia Polónia Bélgica Bulgária Rep. Checa Finlândia Hungria Estónia Lituânia Luxemburgo Letónia Roménia Eslováquia 3 25 Chipre 0 26 Malta 0 27 Eslovénia 0 Potência instalada(mw) De 1995 a 2005, num período de 10 anos, Portugal apresentou um aumento de cerca de 1000MW da potência instalada em energia eólica (Figura 1.6). No entanto, foi a partir do ano 2000 que este crescimento se acentuou, mais concretamente de 2004 para 2005 em que a potência quase duplicou. Página 11 de 69

36 Figura Potência instalada em Portugal relativo á eólica. (DGGE) Em Portugal, devido à sua situação geográfica e geo-morfologia, apenas nas montanhas a velocidade e a regularidade do vento é susceptível de aproveitamento energético. A maior parte dos locais com essas características situa-se a norte do rio Tejo e, a sul, junto à Costa Vicentina e Ponta de Sagres. A produção, em 2006, foi 2892GWh correspondendo a uma potência eólica instalada de 1681 MW distribuída ao longo de todo o território continental (Quadro 1.6). A potência instalada em Julho de 2007 situava-se em 1939 MW, dando origem a uma produção de 2268GWh. O aumento acentuado no investimento nacional na Energia Eólica ao longo dos últimos anos resultou num aumento da potência instalada como verificado no gráfico anterior. Esta evolução coloca Portugal numa frente de desenvolvimento. Quadro Caracterização da potência eólica em Portugal Continental. (DGGE, 2007) Página 12 de 69

37 Capitulo 1 Produção e consumo energético Julho 2007 Totalidade dos Parques Potencia Instalada (MW) Produção (GWh) Nº de parques instalados Nº de aerogeradores instalados Parques com potencia instalada estabilizada Potencia Instalada (MW) Produção (GWh) Potencia média (MW) dos parques 8,4 7,1 7,3 6,0 7,6 10,2 12,1 13,2 dos aerogeradores instalados 0,6 0,7 0,8 0,9 1,2 1,5 1,7 1,8 dos aerogeradores instalados em cada ano 0,5 0,8 1,5 1,2 1,7 2,0 2,4 2, Energia Solar Responsável pela existência de vida na Terra e sua manutenção, o Sol é a principal fonte de energia terrestre, permitindo a existência de vida. A energia que provêm do Sol, energia solar, é inesgotável, praticamente constante (pois pode-se verificar alterações resultantes da actividade solar e da órbita terrestre), e limpa. O Sol fornece, para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x kwh/ano, o que equivale a vezes o consumo anual mundial de energia. Esta energia, ao atingir a atmosfera terrestre pode ser absorvida ou reflectida pelos seus diferentes componentes. A radiação solar incidente no topo da atmosfera é de 1367 W/m 2, correspondendo a cerca de 1000 W/m 2 a radiação solar que atinge diariamente a superfície terrestre, registando-se uma perda de 30%. A radiação incidente é constituída por: radiação directa (atinge directamente a superfície terrestre sem nenhuma interferência), radiação difusa (desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera) e radiação reflectida (proveniente da reflexão no solo e objectos circundantes). A nível nacional verifica-se que a radiação solar global varia entre 140kcal/cm 2 no Norte do País e 170 kcal/cm 2 no Sul (Figura 1.7). Página 13 de 69

38 Figura Radiação global anual em Portugal. (Solar Térmico, 2004) O potencial disponível de energia solar comparativamente com a UE é bastante elevado, dispondo de um número médio anual de horas de Sol entre para o continente (Figura 1.8). Esta energia solar pode ser utilizada directamente para aquecimento, sobre a forma de colectores solares, e para produção de energia eléctrica, através de painéis fotovoltaicos. Apesar do elevado potencial desta energia e de algumas medidas implementadas pelo Estado, não se verifica uma grande aposta e evolução desta energia. Á excepção da central fotovoltaica de Moura, com uma potência instalada de 62 MW, ocupa uma superfície aproximada de 114 hectares. E da central fotovoltaica de Serpa, com uma potência instalada de 11MW através de painéis fotovoltaicos numa área de 64 hectares. A sua grande vantagem reside no facto de se tratar de uma fonte de energia repartida equitativamente. Página 14 de 69

39 Capitulo 1 Produção e consumo energético Figura Insolação global anual em Portugal. (Solar Térmico, 2004) Em 2006, a capacidade total instalada eléctrica de origem solar a nível nacional era praticamente inexistente, ao contrário de países como a Alemanha que apesar de terem um potencial solar inferior ao de Portugal apresentam um investimento em energia solar muito superior, neste caso em energia fotovoltaica (Figura 1.9). Figura Capacidade total instalada eléctrica, (Eurostat) Página 15 de 69

40 No que respeita a energia solar térmica, em 2006, Portugal apresentava uma capacidade instalada muito reduzida. Enquanto a Alemanha, Áustria, França, Holanda e Dinamarca, com potenciais inferiores, têm uma capacidade instalada muito superior (Figura 1.10). Existe ainda o caso da Grécia, que com condições semelhantes a Portugal, apresenta uma capacidade instalada superior em larga escala. Figura Capacidade total instalada de energia térmica, A nível europeu, para o ano de 2006, a contribuição da energia solar térmica na produção de energia eléctrica era nula e na produção de 0,77Mtep, tendo-se verificado um aumento de cerca de 51% desde Considerando a situação energética, ambiental e económica em que o mundo se encontra a União Europeia traçou metas a atingir a nível comunitário e de cada estado membro. Foram assim efectuadas projecções das metas consideradas tangíveis de serem alcançadas nos anos de 2010 e Para a produção de energia eléctrica a partir de energia solar foi projectado para 2010, 20TWh para fotovoltaica e 2 TWh para a solar térmica (Figura 1.11). Tendo sido estipulada para 2020 uma meta de 180TWh para a fotovoltaica e 43TWh para a solar térmica. Verifica-se que existe uma maior aposta na produção de energia através de fotovoltaica do que através de solar térmica. Página 16 de 69

41 Capitulo 1 Produção e consumo energético Figura Produção de energia a partir de Energia Solar (TWh). (EREC, 2008) No entanto, a nível de produção de energia para aquecimento verifica-se um investimento na energia solar térmica. Tendo sido projectado para 2010 uma produção de energia para aquecimento de 1,8 Mtep e para 2020 de 12Mtep (Figura 1.12). Figura Produção de energia para aquecimento a partir de Energia Solar (Mtep). (EREC, 2008) Verifica-se assim uma preocupação por parte da União Europeia em aumentar a produção de energia a partir de FER, de forma a fazer face à problemática dos combustíveis fósseis. Página 17 de 69

42 Capitulo 2 Hidrogénio O hidrogénio é o elemento mais abundante do Universo, apresenta uma massa atómica de aproximadamente 1,0 u, uma baixa energia de ignição de 0,019mJ e uma baixa densidade, de 84 g/m 3, a uma temperatura de 15 ºC e uma pressão de 1 bar. Apresenta-se normalmente na sua forma molecular (H 2 ), formando um gás inflamável, incolor, inodoro, não-metálico, insípido e insolúvel em água. É considerado o combustível de utilização mais eficiente, o que é corroborado quando comparamos o poder calorífico superior e inferior do hidrogénio a outros combustíveis (Quadro 2.1). Quadro 2.1 Poder Calorífico Superior e Inferior para diferentes combustíveis. Poder Calorífico Superior, a 25ºC e 1atm (kj/g) Poder Calorífico Inferior, a 25ºC e 1atm (kj/g) Hidrogénio 141,86 119,93 Metano 55,53 50,02 Propano 50,36 45,60 Gasolina 47,50 44,50 Gasóleo 44,80 42,50 Gás Natural 42,5 38,1 Carvão 34,1 33,3 Metanol 19,96 18,05 O hidrogénio é o combustível com mais energia por unidade de peso, ou seja, a energia libertada pelo hidrogénio é cerca de 2,5 vezes superior à dos outros combustíveis, o que significa que para fornecer a mesma quantidade de energia é necessário menos massa de hidrogénio. Como foi dito anteriormente, o hidrogénio está sempre associado a outros elementos, por isso para ser obtido é necessário fornecer energia para a sua dissociação, razão pela qual não é tratado como uma fonte de energia, mas como um vector energético. O grande problema do hidrogénio reside no seu transporte e armazenamento, porque apesar de apresentar um elevado poder energético por unidade de massa, em condições PTN está no estado gasoso, e o seu valor energético por unidade de volume é muito baixo, por isso é necessário armazená-lo a elevadas pressões, ou mantê-lo no estado liquido, para que seja armazenada uma quantidade significativa deste composto. O hidrogénio não é considerado nem mais e nem menos perigoso que os outros combustíveis. É um gás incolor, inodoro e sem sabor, não sendo perceptível através dos Página 18 de 69

43 Capitulo 2 Hidrogénio sentidos aos humanos, felizmente não se trata de um gás venenoso. Apesar de quando presente numa concentração igual ou superior a 30%, a sua inalação poder resultar em asfixia por substituição do oxigénio do ar. O hidrogénio é considerado como um combustível muito inflamável e explosivo no ar, pelo facto de necessitar de quantidades de energia muito baixas para a sua ignição, 0,019mJ, cerca de 1/10 da do propano. O hidrogénio, sendo um gás muito leve devido à sua baixa densidade, de 84 g/m 3 a 15 ºC e 1 bar, e com moléculas de dimensões muito pequenas, pode resultar facilmente numa fuga através de materiais fundidos ou com fissuras finas. Uma fuga de hidrogénio dispersar-se-á rapidamente subindo no ar, assim como, uma chama de hidrogénio também subirá em lugar de se espalhar horizontalmente. No entanto, caso o processo de queima ocorrer num espaço fechado, devido ao calor resultante, há um rápido aumento de pressão que pode ser muito destrutivo. O hidrogénio líquido, devido à sua baixa temperatura, apresenta uma capacidade de reagir com o oxigénio ligeiramente mais reduzida. A sua baixa temperatura, pode resultar em fissuras de materiais, como a borracha, plásticos, aço e carbono, comprometendo a ductilidade destes materiais. O hidrogénio criogénico no estado líquido ou gasoso (após evaporado) pode causar queimaduras criogénicas por contacto com a pele. Não representa um risco para o meio ambiente, não afectando a camada de ozono e não contribuindo para o efeito de estufa, pois os gases libertados na sua combustão não contêm qualquer CO 2 ou fuligem. Apesar das vantagens que o hidrogénio apresenta em termos ambientais e energéticos, a evolução na implementação do hidrogénio têm se vindo a verificar mais lentamente do que nas energias renováveis. No entanto tem se denotado nos últimos anos um maior interesse e investimento no Hidrogénio, com o objectivo de produzir energia. No ano de 2007, a Comissão Europeia adoptou 2 propostas, a constituição da iniciativa Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative (JTI), um programa de investigação, desenvolvimento tecnológico e demonstração, e a introdução no mercado de alguns carros movidos a hidrogénio. Em 2008, a Comissão Europeia recebe apoio do Parlamento Europeu na proposta de simplificação da aprovação de veículos movidos a hidrogénio. Em 2009, foram disponibilizados cerca de 140 milhões de euros, dos quais 71,3 milhões de euros foram disponibilizados pela Comissão e igualados em valor pelos parceiros industriais, para 29 projectos com o objectivo de colocar 2 a 5 anos mais cedo a tecnologia das células de combustível e hidrogénio. O ano de 2009 terminou em grande com a 15ª Conferência das Partes sobre o Clima (COP- 15), em Copenhaga. Esta conferência iniciou-se com veículos movidos a hidrogénio do projecto HyRaMP, que contou com a colaboração de 30 municípios e regiões europeias Página 19 de 69

44 para a promoção do hidrogénio. Registaram-se empresas de peso como a Air liquide, Honda, Horizon, Peugeot com medidas energéticas com base no hidrogénio Produção de Hidrogénio A produção de hidrogénio pode ser feita de diversas formas e através de variadas fontes, consoante a quantidade e o grau de pureza desejados. Os processos de produção podem ser químicos, físicos e biotecnológicos. Os processos químicos são Feedstocks, Reformação, Oxidação parcial de gás natural e Gaseificação de carvão; os físicos são Electrólise, Termólise, Plasmólise, Magnetólise e Fotoelectroquímico; os biotecnológicos são: Pirólise e Gaseificação de biomassa, Digestão anaeróbica, Fermentação e Bio-fotólise (Figura 2.1). Figura Processos de produção de Hidrogénio. (Hydrogen Production and Storage, 2006) Segue-se uma breve descrição destes processos, à excepção do processo de electrólise que será abordado em capítulo posterior em maior detalhe. Página 20 de 69

45 Capitulo 2 Hidrogénio Reformação A produção de hidrogénio a partir do processo de Reformação ( Reforming )consiste na conversão de hidrocarbonetos leves, como o metano e a gasolina, pela exposição ao vapor de água em gases. Este processo é o mais utilizado pelo seu elevado rendimento de 65-85%. O processo de Reformação ou de Reforma a vapor do metano, principal constituinte do gás natural e biogás (produzido por fermentação e digestão anaeróbia), apresenta duas etapas. Na 1ª etapa, é utilizado vapor a altas temperaturas, entre C, que vai reagir com o composto para produzir hidrogénio. Na 2ª etapa, designada por "water-gas shift reaction", o monóxido de carbono e o vapor produzem mais hidrogénio e dióxido de carbono Oxidação parcial A produção de hidrogénio a partir do processo de Oxidação parcial consiste na conversão de hidrocarbonetos pesados, como o petróleo e o carvão. Por serem dificilmente volatilizáveis, devem ser parcialmente oxidados para depois serem volatilizados na presença de vapor de água. A produção de hidrogénio a partir de petróleo consiste num processo de oxidação parcial dos hidrocarbonetos que o constituem, sendo aquecido até os 1400 C, seguindo-se uma reacção de "water-gas shift reaction". A partir do carvão, assim como da biomassa, necessita de um pré-tratamento, processo de gaseificação pelo facto de se tratar de um combustível sólido, e em seguida, o gás sintético obtido neste processo sofrerá uma oxidação parcial como a efectuada no petróleo. O rendimento do processo de oxidação parcial é da ordem dos 50%, para centrais de grande dimensão Pirólise da biomassa A produção de hidrogénio a partir de biomassa pode também ser efectuada através da pirólise da biomassa, que consiste na quebra das ligações moleculares constituintes da biomassa por acção do calor ( ºC), sem a intervenção de ar ou outro reagente. Este processo extrai os álcoois presentes na biomassa, que após sujeitos a um processo de reforma a vapor produzem hidrogénio. Página 21 de 69

46 Bio-fotólise A produção de hidrogénio pode ser efectuada por bio-fotólise, processos biológicos realizados por intermédio de algas e bactérias. Com o recurso de sistemas catalíticos e de engenharia o rendimento do processo biológico de produção de hidrogénio pode atingir um rendimento de 24%. (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). A produção de hidrogénio por bio-fotólise pode ser efectuada a partir de algas verdes, que consiste na existência de uma enzima hidrogenante reversível que produz hidrogénio através de protões em condições anaeróbicas. De microalgas, que utilizam o N 2 e CO 2 atmosféricos como fontes de azoto e carbono, água como fonte de electrões e poder redutor, e a luz como fonte de energia. E a partir de bactérias, fotossintéticas através das enzimas nitrogenase e hidrogenase em que é necessária iluminação, uma atmosfera inerte e anaeróbica, ou fermentativas em que as hidrogenases, presentes nestas bactérias, produzem hidrogénio por forma a eliminar o excesso de electrões gerados durante a degradação de um substracto orgânico Termólise A termólise consiste na decomposição da água em hidrogénio e oxigénio, através do fornecimento de energia térmica, quer de uma forma directa quer através de diferentes reacções químicas (brometo ou iodeto). A eficiência teórica da termólise simples é de 64%, para uma temperatura de 2500 K e uma pressão de 1 bar. Este processo pode ser efectuado em centrais solares, cuja energia térmica é fornecida por meio de colectores solares, de forma a maximizar a energia solar térmica, e em centrais nucleares, através da energia térmica produzida numa central deste tipo (1573K) e do líquido de refrigeração Foto-electrólise Fotólise da água ou foto-electrólise, é um processo de produção de hidrogénio que consiste na conversão de luz solar directa em H 2. A foto-electrólise consiste numa electrólise através do uso directo da radiação solar, na conversão da luz em corrente eléctrica e então a transformação duma entidade química (H 2 O, H 2 S, etc.) em energia química utilizável (H 2 ). Para este processo é necessário o uso Página 22 de 69

47 Capitulo 2 Hidrogénio de uma célula foto-electroquímica para realizar as várias reacções foto-eléctricas, sendo esta célula composta por um dispositivo semicondutor que absorve a energia solar e gera a corrente necessária para separar as moléculas da água Plasmólise, Magnetólise e processo Mechano-catalytic A plasmólise, magnetólise e o processo Mechano-catalytic são processos de decomposição da água, podendo ser considerados como casos particulares da electrólise. A plasmólise consiste numa electrólise cuja água é um plasma, criado através dum campo eléctrico de baixa frequência (8,1Hz). No geral, o processo envolve a pulverização de água ou a passagem de vapor de água num plasma produzido em um reactor e na recolha dos produtos, como o hidrogénio, à saída. Pode atingir eficiências na ordem dos 2,9%. A magnetólise é uma electrólise em que a d.d.p. eléctrica necessária é criada no interior do electrolisador por indução magnética. A produção de hidrogénio pelo processo Mechano-catalytic consiste na decomposição de água destilada quando certos óxidos em pó são dispersados nesta e agitados através duma barra de agitação magnética. A eficiência deste processo pode atingir os 4,3% Outros processos A produção de hidrogénio pode ser realizada através de reacções de metais como o alumínio com água de cal (hidróxido de cálcio), ou com hidróxido de sódio. Ou pela acção de ácido sulfúrico o clorídrico como ferro ou zinco (ex: H 2 SO 4 (aq) + Zn ZnSO 4 (aq) + H 2 ). O hidrogénio pode ainda ser produzido pelo aquecimento de hidretos (MH x + calor M + x/2 H 2 ) e pela decomposição térmica de amoníaco ( 2NH 3 + catalizador N 2 + 3H 2 ). Quadro Resumo dos processos de produção de hidrogénio. Página 23 de 69

48 Método Primário Térmico Electroquí mico Biológico Processo Fonte Energia Outro Reformação Vapor a Gás natural Calor Rendimento de 70%. Termólise Água Calor Sem emissões. (temperaturas elevadas). Gasificação Carvão, Vapor e Oxigénio Algumas emissões. Biomassa (temperatura e pressão elevadas). Pirólise Biomassa Vapor (Temperatura média-alta). Algumas emissões. Electrólise Água Electricidade Algumas emissões (depende da fonte de produção de electricidade) Foto-electrólise Água Radiação solar Baixas emissões directa. Bio-fotólise Água, algas e Radiação solar Sem emissões. bactérias directa Digestão anaeróbia Fermentação/ Microrganismos Biomassa Biomassa Vapor (temperaturas elevadas) Vapor (temperaturas elevadas) NOVO (a desenvolver) NOVO (a desenvolver) 2.2. Transporte e Armazenamento Cerca de 83% do hidrogénio é produzido no local de consumo, não sendo necessário o seu transporte, evitando-se assim o alto custo e ineficiência associados a este. Os restantes 17% do hidrogénio produzido necessita de ser transportado, sendo este transporte efectuado essencialmente por pipelines, garrafas e tanques. O hidrogénio ao ser transportado no estado gasoso por pipelines, usa uma rede de tubagens idêntica às utilizadas para transporte de gás natural, e necessita que seja bombeado três vezes mais volume de hidrogénio para se conseguir a mesma quantidade de energia. Página 24 de 69

49 Capitulo 2 Hidrogénio Sob a forma gasosa o hidrogénio também pode ser transportado em cilindros e reboques com tanques próprios para o efeito, podendo ser utilizados camiões, vagões e barcos. Para o transporte de hidrogénio a grandes distâncias, este é efectuado sob a forma líquida através de camiões, barcos e vagões, evaporando-se no local de uso. Estes meios de transporte devem conter tanques refrigerados com bons isolamentos para que o hidrogénio se mantenha frio e se evite a passagem deste do estado líquido para o estado gasoso. Ao nível de armazenamento, as tecnologias actuais permitem armazenar grandes quantidades de hidrogénio de três formas: como gás comprimido a elevadas pressões, como hidrogénio líquido a baixas temperaturas (-253ºC) ou dissolvido em substâncias sólidas. O armazenamento de hidrogénio no estado gasoso é efectuado pela sua compressão, é usado normalmente em frotas de autocarros e em unidades de pilhas de combustível usadas nas habitações. Esta forma de armazenamento é efectuada em cilindros (botijas) ou tanques sobre pressão, sendo um método de armazenamento directo amplamente usado quando são necessárias pequenas quantidades de gás ou quando não existe problemas de espaço. A pressão de compressão do hidrogénio ronda os bar para tanques de armazenamento de 50 litros, podendo atingir os bar para utilização em larga escala (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). O armazenamento de hidrogénio no estado líquido tem a particularidade de ser bastante mais caro pelo facto de ser necessária bastante energia para mantê-lo sob pressão e a uma temperatura muito baixa (inferior a 253ºC), e de ser menos eficiente energeticamente, pois cerca de 40% da energia contida no hidrogénio pode ser perdida nos transvases. O armazenamento de hidrogénio no estado líquido permite o armazenamento de grandes quantidades de energia em espaços pequenos, o que é ideal para automóveis e aviões pois os tanques podem ser pequenos e leves. O armazenamento do hidrogénio pode ainda ser feito no estado sólido por absorção em um metal ou por formação de um hidreto de metal. Este método consiste na combinação de vários tipos de metais, com alguma percentagem de pureza ou puros, com o hidrogénio (sob alguma pressão), ao qual corresponde a equação geral (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.): M + H 2 MH 2 equilibrio Existe também a possibilidade de absorção de moléculas de hidrogénio em carbonos activos, que consiste essencialmente na ligação do carbono com átomos de hidrogénio. O carbono absorve o hidrogénio de -185 a -85ºC e de 21 a 48 bar, aumentando Página 25 de 69

50 a quantidade absorvida a temperaturas mais baixas, sendo necessário aquecê-lo a 150ºC para libertar o hidrogénio(dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). Assim como, o uso de hidretos alcalinos que envolve a utilização do hidróxido de sódio, potássio ou componentes de lítio, que em contacto com água libertam hidrogénio sem ser necessária a adição externa de calor (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). Outras formas de armazenamento de hidrogénio são as microesferas, e os nanotubos. As primeiras, respectivamente, são esferas de vidro muito pequenas que podem armazenar o hidrogénio a pressões elevadas. Consistindo este processo na introdução de hidrogénio a temperaturas elevadas nas esferas de vidro, mantendo-se no seus interior com o abaixamento da temperatura, sendo necessário fornecer novamente calor para este ser libertado. Os nanotubos consistem num sólido cristalino constituído por tubos muito pequenos de carbono que armazenam hidrogénio debaixo de pressão, este processo ainda se encontra em estudo. Página 26 de 69

51 Capitulo 3 Produção de Hidrogénio via Electrólise Capitulo 3 Produção de Hidrogénio via Electrólise Dos vários processos de produção de hidrogénio destaca-se o processo de electrólise da água, o qual é focado neste estudo. Trata-se do processo mais conhecido de produção de hidrogénio e que apresenta maior rendimento Descrição do Processo A electrólise consiste na utilização de energia eléctrica de forma a forçar a ocorrência de uma reacção de decomposição da água, reacção essa que não é espontânea. A reacção consiste na quebra das ligações O-H das moléculas de água, para a qual é necessária uma energia mínima de 1,229 ev, nas condições PTN (a uma temperatura de 25 C e a uma pressão de 1 bar). Essa reacção é definida pela equação: H 2 O (l) H + (aq) + OH - (aq) Assim, à passagem de corrente, os iões H + transportam a carga eléctrica através da solução, formando um campo magnético. Os iões positivos (H + ) são atraídos para o cátodo (eléctrodo negativo) e os iões negativos (OH - ) são atraídos para o ânodo (eléctrodo positivo). No cátodo, verifica-se a transferência de electrões para os iões H + ficando este com carga nula. Devido à sua instabilidade, estes átomos ligam-se entre si formando moléculas de gás hidrogénio (H 2 ) (Quadro 3.1). No ânodo, verifica-se a captação dos electrões em excesso dos iões negativos (OH - ) mais próximos, obtendo-se oxigénio na forma de gás. Estas reacções que se verificam ao nível dos electrodos podem ser definidas por: Quadro Reacções químicas verificadas ao nível dos electrodos. Reacções No cátodo: 2H + + 2e - H 2 No ânodo: 2OH - H 2 O + 2e - + ½ O 2 Página 27 de 69

52 No entanto, o comportamento dos iões produzidos no processo de electrólise pode ser resumido pela equação e imagem que se seguem (Figura 3.1): H 2 O (l) ½ O 2(g) + H 2(g) Figura Esquema resumido do processo de electrólise. ( H2 - A economia do Hidrogénio) Para a reacção de electrólise da água, para valores padrão de Pressão = 1 atm e Temperatura = 25ºC = 298 K, o valor de variação de entalpia é de +286 kj/mol. A reacção de electrólise apresenta um valor de H > 0, o que significa que a reacção é endotérmica, e que a energia absorvida durante a reacção é superior à libertada. O diagrama que se segue representa o ciclo de produção de hidrogénio a partir energia eléctrica no processo de electrólise e do seu consumo para a produção de energia eléctrica (Figura 3.1). Figura 3.2 Diagrama representativo do ciclo do hidrogénio, produção e consumo. Página 28 de 69

53 Capitulo 3 Produção de Hidrogénio via Electrólise Encontra-se de forma resumida a descrição do processo de electrólise, em que no electrolisador entra energia eléctrica e água, saindo oxigénio e hidrogénio. Estes dois gases serão usados na pilha de combustível, originando a produção de energia eléctrica e de água Tecnologia da electrólise A tecnologia da electrólise pode ser de 3 tipos: alcalina, membrana de troca de protões (PEM Proton Exchange Membrane ) e células de electrólise de óxido sólido (SOEC solid oxide electrolysis cells ). A tecnologia mais utilizada é a de electrolisadores alcalinos, devido aos custos reduzidos de investimento. No entanto, apresenta uma baixa eficiência e altos custos energéticos (Quadro 3.2). A tecnologia SOEC é a que corresponde a uma eficiência mais elevada, mas é menos utilizada devido aos obstáculos relacionados com o equipamento. Entre estas duas tecnologias encontra-se a tecnologia PEM, que corresponde a uma eficiência mais elevada que nos sistemas alcalinos e sem os problemas associados aos sistemas SOEC. Quadro Eficiência dos sistemas de electrólise. Sistemas de electrólise Eficiências (%) [2] Alcalina PEM SOEC A nível comercial, os electrolisadores de baixa temperatura apresentam eficiências na ordem de 56-73% (70,1-53,4 kwh/kg H 2 a 1 atm e 25 C) (Lipor; Relatório de sustentabilidade 2005). A tecnologia PEM consiste numa célula electrolítica sólida, o electrólito usado corresponde a uma membrana polímera ácida. ânodo: H 2 O 1/2O H + + 2e cátodo: 2H + + 2e H 2 Página 29 de 69

54 As principais vantagens deste tipo de tecnologia comparativamente à tecnologia alcalina são: um maior rendimento, uma maior segurança resultante da não utilização de um electrólito de KOH, pressões de funcionamento maiores Electrólise Termicamente Assistida O processo da electrólise não apresenta um rendimento de 100%, como tal a totalidade da energia eléctrica utilizada no processo não produz hidrogénio. Parte da energia eléctrica utilizada no processo é perdida sob a forma de calor. Considerando a termodinâmica, a electrólise é mais vantajosa com água em temperaturas altas ( ºC) por a energia introduzida ser um misto de electricidade e calor (Ai-Quoc Pham, 1999). A introdução de energia calorífica, através do aumento de temperatura da água, acelera as reacções cinéticas, reduzindo a perda de energia devido à polarização dos eléctrodos, aumentando a eficiência global do sistema. A electrólise termicamente assistida deverá apresentar uma maior eficiência que a electrólise convencional, visto que utiliza além da corrente eléctrica uma fonte de calor externa (Ryland, D.K. et al, 2007). De forma a aumentar o rendimento do processo foi efectuada uma electrólise termicamente assistida por um colector solar. Neste estudo, a água não se encontra dentro dos valores de temperatura acima indicados especialmente devido a limitações do equipamento, mas também pela aplicação que se pretende dar, doméstica Colectores Solares Os colectores solares são dispositivos de aproveitamento da energia calorífica da radiação solar para aquecimento de águas. Um colector é composto por uma superfície absorsora, um fluído térmico e um circuito que permite transferências térmicas e transporta a energia calorífica. O rendimento de um colector pode depender de vários factores, da radiação solar que sobre ele incide, da sua área, a sua orientação em relação ao sol, nebulosidade. Os colectores solares podem ser de 3 tipos: colectores planos, colectores concentradores e colectores de tubos de vácuo. Os colectores solares planos são os mais comuns, são compostos por uma cobertura transparente de vidro ou plástico, uma caixa plana revestida por um isolamento e uma placa absorsora. Página 30 de 69

55 Capitulo 3 Produção de Hidrogénio via Electrólise A cobertura transparente provoca o efeito de estufa, reduzindo as perdas de calor e garantido a estanquicidade do colector. A placa absorsora concentra a radiação solar, e transfere a energia calorífica para o fluído térmico que circula nos tubos. A caixa ao ser isolada evita perdas de calor pois protege o interior do colector de influências externas. Este tipo de colector destina-se a produção de água quente a temperaturas inferiores a 60 ºC. Os colectores concentradores, atingem temperaturas mais elevadas devido à diminuição de perdas térmicas do receptor. Sendo a concentração a relação entre a área de captação e a área de recepção, a diminuição desta última resulta na redução das perdas. Os colectores de tubos de vácuo correspondem a tubos de vidro transparentes contendo tubos metálicos no seu interior. O interior dos tubos encontra-se em vácuo eliminando as perdas por convecção, aumentando o rendimento. Existem dois sistemas de circulação do fluído térmico, circulação forçada e de termossifão. O sistema de circulação forçada, como o nome indica, necessita de um mecanismo que force a circulação do fluído térmico, sendo para tal utilizado um sistema de sombreamento. O sistema de circulação por termossifão, consiste no aquecimento de uma massa de água contida num recipiente, em que a camada líquida que aquecer mais rapidamente deslocarse-á em sentido ascendente por ser mais leve que a água fria. De igual forma, a água à superfície do depósito, que se encontra mais fria, tenderá a deslocar-se em sentido descendente, por ser mais pesada. Estabelece-se assim uma corrente circulatória que irá homogeneizar a temperatura da água, e permitir que a água se desloque ao longo do sistema. O sistema de termossifão funciona somente se o depósito for colocado num nível acima ao dos colectores Caracterização O colector criado neste projecto corresponde a um colector solar plano, que permite aquecer a água em valores de cerca de 65ºC, com sistema de termossifão, que corresponde a uma solução mais simples de ser implementada e mais acessível em termos monetários pois não necessita da implementação de um mecanismo que force a circulação do fluído térmico. Apesar do intervalo de temperaturas de funcionamento óptimo do processo de electrólise se encontrar entre os ºC, neste projecto o processo de electrólise não ultrapassará os Página 31 de 69

56 65ºC. A vertente monetária e outros factores, como o material do depósito da água (plástico) e da célula electrolítica não suportar temperaturas superiores a 65ºC, facto verificado experimentalmente, levaram a esta decisão. Foi dimensionado um colector solar, considerando a radiação solar local de 1000W/m 2, e para uma temperatura máxima pretendida de aquecimento da água de 65ºC. Capitulo 4 Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio 4.1. Modelo de Estudo O projecto incide no estudo do processo de electrólise, e da influência da temperatura neste, para a produção de hidrogénio. Pretendeu-se que a energia eléctrica e energia térmica utilizadas fossem de origem renovável, tendo-se optado pela energia eólica e solar térmica. Este projecto apresenta quatro fases, sendo as três primeiras de trabalho experimental e obtenção de dados, seguindo-se o esquema de estudo utilizado. Figura 4.1 Modelo representativo das fases de estudo. Página 32 de 69

57 Capitulo 4 Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio Para a produção da energia eléctrica necessária ao processo de electrólise foi utilizado um aerogerador existente no topo do departamento de electrotécnica. O aerogerador em causa foi caracterizado quanto ao seu potencial como dispositivo de produção de energia. O objectivo da caracterização do processo de electrólise e a influência da temperatura sobre o mesmo, é o de aumentar o rendimento do processo e de possibilitar a utilização do hidrogénio como forma de armazenamento de energia, no contorno do problema da intermitência das energias renováveis. Deve referir-se, desde já, que alguns dos valores determinados ao longo do projecto, poderão apresentar ligeiras variações, resultantes de atrasos de alguns equipamentos assim como erro humano, não correspondendo aos níveis determinados em condições reais de utilização Material e Métodos Breve Descrição do Sistema Eólico De acordo com o esquema apresentado, pode afirmar-se que as principais componentes deste sistema de transformação de energia mecânica em energia eléctrica, e da sua posterior conversão de corrente contínua em alternada para introdução na rede eléctrica, são as seguintes: O aerogerador (2kW): a energia motora, transmitida pelo vento às pás do aerogerador, é convertida, no seu interior, em energia eléctrica. O aerogerador é constituído por 3 pás de 1,58m, uma torre de 3m e um rotor de 3,2m de diâmetro (Figura 4.2). Página 33 de 69

58 Figura 4.2 Aerogerador. O sistema eléctrico de conversão (Figura 4.3), pois a energia eléctrica produzida necessita de tratamento antes de poder ser introduzida na rede, sendo utilizado o sistema eléctrico de conversão que compreende: a. um rectificador (WEL-2K), que permite a conversão duma corrente alterna com frequência variável numa corrente contínua estável; b. um inversor (W2KWGTI), que efectua a inversão da corrente contínua em corrente alternada de frequência constante, para introdução na rede. b a Figura 4.3 Sistema eléctrico de conversão, inversor e rectificador. Página 34 de 69

59 Capitulo 4 Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio A deslocação de massas de ar pelas pás do aerogerador imprimem um movimento de rotação às mesmas, esta energia mecânica é transformada em energia eléctrica por um gerador eléctrico. De forma a se poder estabelecer uma relação entre a energia eléctrica produzida e a velocidade do vento, foi colocada uma estação meteorológica próxima do aerogerador (Figura 4.4). Através do software DeTransfer foi possível obter os valores de velocidade do vento medidos pela estação meteorológica. Figura Estação meteorológica Descrição do Sistema de Electrólise No estudo do processo de electrólise, foi montado um sistema de medição do H 2 produzido no mesmo, designado por método volumétrico, e da energia eléctrica introduzida, sistema esse que se encontra representado no esquema que se segue: Página 35 de 69

60 5,66 Electrolizador 7,00 Tina Fonte de Alimentação Figura 4.5 Sistema de electrólise (unidade de medida em cm). O electrolisador: O processo de produção de hidrogénio por electrólise dá-se no seu interior. Figura Electrolisador. A fonte de alimentação. ADVANCE. PP33, com um erro de ± 0,05 A. Tina e tubo de ensaio graduado: conjunto que permite a medição da produção de hidrogénio. O componente essencial ao estudo do processo de electrólise é o electrolisador, que corresponde à tecnologia PEM. Página 36 de 69

61 Capitulo 4 Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio Por sua vez, a utilização de uma fonte de alimentação permite um controlo sobre a intensidade da corrente eléctrica que se introduz no electrolisador. Foi também utilizado um Termopar para verificar a temperatura da água, com um erro de ± 1ºC Descrição dos Ensaios Os ensaios consistiram em duas etapas, a primeira correspondendo às medições efectuadas no Aerogerador e a segunda correspondendo às medições laboratoriais. 1ªEtapa O projecto inicia-se com a medição de dados do aerogerador, montado no topo do Departamento de Electrotécnica, da Faculdade de Ciências e Tecnologia - Universidade Nova de Lisboa. Estas medições consistem em retirar os dados de velocidade do vento analisados, minuto a minuto, pela estação meteorológica colocada no topo do Departamento de Electrotécnica, e fornecidos pelo computador através do software DeTransfer. Em simultâneo com a medição, no tempo, da corrente contínua gerada pelo aerogerador, através de um multímetro. A análise dos dados obtidos permite identificar a influência da velocidade do vento na corrente eléctrica produzida pelo aerogerador. 2ªEtapa Determinação em laboratório da melhoria do rendimento do processo de electrólise, resultante da introdução controlada de energia eléctrica através duma fonte de alimentação, no electrolisador, e da quantidade de Hidrogénio obtido. O electrolisador utilizado nestes ensaios trata-se de um electrolisador PEM, com um reservatório para a água, água desmineralizada, de cerca de 22 ml. Nesta primeira fase de ensaios da electrólise, faz-se variar o valor da intensidade de corrente, até um máximo de 1 Ampere, a uma temperatura ambiente de 25ºC. A segunda fase de ensaios consiste no estudo do processo de electrólise termicamente assistido, de forma a determinar laboratorialmente o efeito da temperatura no processo de electrólise. É determinada a temperatura passível de se atingir com recurso a um colector solar dimensionado e produzido para o projecto em causa (65ºC). Em seguida, é analisada a influência da temperatura no processo de electrólise através do aquecimento, em laboratório, da água existente na célula electroquímica. Página 37 de 69

62 Fez-se assim, variar o valor da temperatura da água, para alguns dos valores de intensidade de corrente ensaiado na primeira fase, até um máximo de 65ºC. Em ambas as fases de ensaios, o hidrogénio produzido foi medido através da utilização de um tubo de ensaio graduado invertido e inicialmente cheio de água, em que à medida que o hidrogénio é libertado o nível de água no tubo diminui. O volume de hidrogénio produzido é assim dado pelo nível da superfície da água que se encontra no tubo, e pelo valor a que esse corresponde. Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos 5.1. Dimensionamento de um Colector Solar Antes de se proceder à construção/implementação de um sistema de aquecimento com colectores solares é necessário efectuar o dimensionamento do mesmo. De outra forma, o colector ou sistema de colectores instalado poderá não ser suficiente para aquecimento do volume de água pretendido. Para o dimensionamento, é necessário determinar a demanda de Água Quente (AQ), a demanda energética e a produção de energia do colector solar (Cardoso, 2008). A demanda de AQ, corresponde ao volume de água que se pretende aquecer com o colector solar, que neste caso corresponde ao volume total do depósito. A equação abaixo permite calcular o volume total do reservatório utilizado (depósito cilíndrico com 0,059m de raio e 0,159m de altura). V cons. diário = π ,059 0,159 = 1,7 m No entanto, neste caso particular, o colector será implementado para assistir termicamente na electrólise, é necessário efectuar outros cálculos antes de se passar ao dimensionamento do colector solar. Com o objectivo de aquecer a água criou-se uma chapa de cobre com a forma de um trapézio. Inicialmente, pensara-se em utilizar uma serpentina, mas devido às dimensões reduzidas do electrolisador em estudo, não se conseguiu construir uma que coubesse no seu interior. Sendo a temperatura máxima pretendida na água de 65ºC, procedeu-se ao cálculo da transferência de calor entre o cobre e a água, de forma a determinar a temperatura a que deverá estar a água no depósito do colector solar. Página 38 de 69

63 Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos Para tal, pretende-se determinar a quantidade de calor cedida pelo cobre a água, através da expressão: Q = m C p T m: massa do corpo (kg); C p : Calor específico da substância (J /kg C); T: variação de temperatura ( C). Considerando que na transferência de calor de um corpo mais quente para outro mais frio, numa dada altura se atingirá um equilíbrio e conhecendo-se a temperatura a que os corpos estarão nesse momento, determina-se: m chapa _ cobre Cp chapa _ cobre ( Ti Tf ) chapa _ cobre = m água _ elec Cp água _ elec ( Tf Ti) água _ elec 0, ( Ti chapa _ cobre 65) = 0, (65 25) Ti chapa _ cobre = 68,4º C Assim, para a chapa de cobre aquecer a água até a uma temperatura de 65ºC esta deverá estar a uma temperatura de 68,4C. Da mesma forma se determina a temperatura a que a água do depósito do colector solar deverá estar para a chapa de cobre atingir os 68,4ºC. m água _ deposito Cp água _ deposito ( Ti Tf ) água _ deposito = m chapa _ cobre Cp chapa _ cobre ( Tf Ti) chapa _ cobre 1, ( Ti 68,4) = 0, (68,4 25) Ti água _ deposito = 68,9º C A água do depósito do colector solar deverá estar a uma temperatura de 68,9ºC. Neste momento, já se pode passar ao dimensionamento do colector solar, mais concretamente aos cálculos da demanda energética, energia necessária para efectuar o aquecimento do volume de água pretendido (Cardoso, 2008). Página 39 de 69

64 ( T T ) Vmês banho amb Lmês = ρ Cp / [ kwh mês] ρ: densidade da água (1x 10 3 kg/m 3 ); V mês : volume de água quente, por mês, em litros; C p : Calor específico da água a pressão constante (4,18 kj/kg C) T banho : temperatura da água pretendida; T amb : temperatura ambiente local. Visto que o volume de água que se pretende aquecer corresponde a um valor diário, que se encontra em m 3, e não a um valor mensal em litros, como na equação acima referida, através desta obteve-se a seguinte equação: ( T T ) [ kwh dia] banho amb Ldiário = ρ Vdiário Cp / ,9 25 L diário = ,7 10 4,18 = 0,0886 kwh / dia 3600 Para a determinação da produção de energia do colector solar considera-se a equação para a determinação da potência fornecida por unidade de área do colector (Carvalho et al, 1996). Na qual se considera que a radiação incidente no colector é de 1000 W/m 2 e que a temperatura ambiente corresponde à temperatura média anual de 15,95ºC (SNIRH). q = 1000 F' η 0 F' U L ( T T ) f amb Os valores de rendimento óptico e do factor de perdas, F η 0 e F U L respectivamente, considerados correspondem aos valores médios destes parâmetros para um colector plano não selectivo (Lebeña et Costa, 2006). F η 0 : 0,75 0,80 F η 0 = 0,775 F U L : 7,0 9,0 (W/ C.m 2 ) F U L médio = 8,0 (W/ C.m 2 ) A substituição destes valores na equação para determinação da potência fornecida pelo colector, resulta em: Página 40 de 69

65 Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos 2 ( 68,9 25) 2299,006 W / q = 3513,04 0,775 8,0 = m Por último, falta determinar a área colectora através da equação: Área Colectora = produção Demanda Energética ( kwh) ) Específica de Energia Colector Solar ( kwh / m 2 ) Área Colectora = 0,886 2,299 0,038533m 2 385,33 cm 2 A área colectora determinada apresenta um valor diminuto relativamente ao esperado. Visto que a radiação incidente considerada para os cálculos corresponde ao valor médio da radiação solar incidente para o ano 2008, na estação meteorológica do SNIRH do Monte da Caparica, que não considera a localização do colector, orientação e inclinação, nem a interferência causada na radiação incidente pela nebulosidade nesse mesmo local optou-se por considerar o valor da área colectora determinado como a área mínima possível para um colector solar. Além da dimensão da área colectora acima obtida, na construção do colector solar foram também considerados os materiais disponíveis no Laboratório de Mecânica da FCT, tais como tubos de 15 e 10 mm de diâmetro, tinta preta, alumínio, lã rocha e vidro. A circulação do fluído térmico foi decidida como sendo de termossifão, pois basta somente colocar o depósito num nível acima ao do colector. Considerando os vários aspectos acima indicados e de forma a atingir a temperatura de cerca de 65ºC, verificou-se a necessidade de aumentar a área colectora para 825 cm 2 (Figuras 5.1 e 5.2). Figura 5.1 Colector solar implementado. Página 41 de 69

66 Depósito de Água 1,5cm 15,9cm X 11,8cm Electrolizador Colector Solar 27,5 1,5cm 7,00 5,66 0,1cm 30 1,88 27,5 Figura 5.2 Esquema do sistema de aquecimento do processo de electrólise através dum colector solar (unidade de medida em cm). Página 42 de 69

67 Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos 5.2. Dimensionamento de um colector para uma habitação Sendo o consumo máximo de volume diário de água quente por pessoa de 65 litros, considerando que se trata de uma família de 4 pessoas, o volume semanal de água quente consumido será de 1820 litros. Actualmente, a grande maioria das habitações possui máquina de lavar loiça e roupa, cada uma com um consumo de 17 litros por lavagem. Em termos de volume semanal de água quente consumido considera-se que seja de 102 litros, correspondendo a uma utilização semanal de 6 ciclos de lavagem (2 ciclos de loiça e 4 ciclos de roupa). Assim, para efeitos de cálculos considera-se que o volume é de 276,57 litros. Sendo este sistema dimensionado para uma fracção solar de 100%, em que as necessidades de aquecimento de água são respondidas na totalidade por energia solar, apenas é consumida energia solar, o volume deve corresponder a duas vezes ao consumo de água quente diário, neste caso a 553,14 litros. (Energia Solar Térmica, 2004). V 3 cons. diário =,14 dm = 0, m 3 A demanda energética, é obtida de igual forma em relação ao dimensionamento anterior, através da seguinte equação: ( T T ) [ kwh dia] banho amb Ldiário = ρ Vdiário Cp / ,95 L diário = ,553 4,18 = 31,49 kwh / dia 3600 De igual modo, para a determinação da produção de energia do colector solar considera-se a equação usada anteriormente para a determinação da potência fornecida por unidade de área do colector. q = rad F η F' U inc ' 0 L ( T T ) f amb Considerando o mesmo valor de radiação incidente no colector, o valor médio de 3513,04 W/m 2 e que a temperatura ambiente corresponde à temperatura média anual de 15,95ºC (SNIRH). Página 43 de 69

68 Assim como, os valores de rendimento óptico e do factor de perdas, F η 0 e F U L respectivamente, como sendo os valores médios destes parâmetros para um colector plano não selectivo: F η 0 = 0,775 e F U L = 8,0 (W/ C.m 2 ) A substituição destes valores na equação para determinação da potência fornecida pelo colector, resulta em: 2 ( 68,9 25) 2299,006 W / q = 3513,04 0,775 8,0 = m Por último, falta determinar a área colectora através da equação: Área Colectora = produção Demanda Energética ( kwh) ) Específica de Energia Colector Solar ( kwh / m 2 ) Área Colectora = 31,49 2,299 13,69722 m 2 14 m 2 Obtém-se então, que para as necessidades de energia térmica de uma habitação de 4 pessoas é necessária uma área colectora de 14 m Modelo Teórico da Electrólise É possível estabelecer-se um modelo teórico para a produção de hidrogénio através de electrólise, considerando a equação global da electrólise: 2H 2 O (l) ½ O 2 (g) + H 2 (g) De forma a se poder comparar com os valores que se determina em laboratório, foi considerando um tempo de reacção de 60 segundos. Por exemplo, para 60 segundos de electrólise a 25ºC e com uma corrente de 0,25A obtémse a quantidade de energia utilizada para reduzir o hidrogénio. I = 0,25A = 0,25 Q = 0,25 60 = 15 Coulombs / seg C Página 44 de 69

69 Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos Q 15C = = 9, electrões 19 qe 1, C Convertendo esta quantidade de electrões em moles, fica 19 9, n e = = 1, , C mol e Segundo a reacção que se dá no eléctrodo negativo (cátodo), a partir de 2 moles de H + e 2 electrões obtém-se 1 mol de H 2,uma razão de 2:1. 2H + (aq) + 2e - H 2 (g) Determina-se assim o nº de moles de H 2 obtidas na reacção de electrólise é de 7,8 x 10-5 moles. 1 2e mol de H 2 = 4 1,55 10 n mol de H 2 n mol de H 2 1,55 10 = 2e 4 1 mol de H 2 = 7, mol de H 2 Considerando que esta electrólise foi realizada nas seguintes condições: T ambiente = 25 ºC = ,15 K = 298,15 K P = Pa = 101,325 kpa = 1,01325 bar = 1atm = 760 mmhg. E através da equação de estado dos gases perfeitos, em que n é o número de moles do gás e, R é de 0,082 atm/mol K: PV = n RT Pode-se determinar o volume de H 2 que foi produzido numa electrólise sujeita a uma corrente de 0,25A durante 60 segundos. Página 45 de 69

70 5 nrt 7,8 10 0, , V = V = 1,9 10 dm = 1, 9 P 1 ml Efectuando estes cálculos para as restantes correntes, obtém-se os volumes teóricos de produção de hidrogénio a partir de electrólise para as diferentes intensidades de corrente. A partir destes valores estabelece-se um modelo teórico para a produção de hidrogénio através de electrólise a 25ºC, temperatura ambiente (Quadro 5.1). Quadro 5.1 Produção teórica de hidrogénio a partir de electrólise de água. Corr.Eléctrica(A) Coulombs nº electrões nº moles nº moles H 2 Produção H 2 (ml) 0, ,36271E+19 0, ,77308E-05 1,90 0,5 30 1,87254E+20 0, , ,80 0, ,80881E+20 0, , , ,74508E+20 0, , ,61 Como se tratam de valores obtidos através de cálculos, estes valores ao serem representados graficamente constituem uma linha recta, não havendo valores que se destaquem (Figura 5.3). Verifica-se que à medida que a intensidade de corrente eléctrica aumenta, aumenta também a produção de hidrogénio. Figura 5.3 Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente eléctrica. Usando o mesmo método de cálculo utilizado para obtenção do modelo teórico de electrólise à temperatura ambiente (25ºC), fez-se variar os valores de temperatura por forma a establecer o modelo teórico para a electrólise termicamente assistida (Quadro 5.2). Página 46 de 69

71 Capitulo 5 Determinação de modelos teóricos Verifica-se que os valores de produção de hidrogénio através de electrólise sofrem uma alteração ao variar-se a temperatura. Corr.Eléctrica Quadro 5.2 Produção de Hidrogénio em função de duas variáveis: temperatura e intensidade de corrente. Produção H2 (ml) (A) 25ºC 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C 55 C 57 C 60 C 62 C 65 C 0,25 1,90 1,93 1,97 2,00 2,03 2,06 2,09 2,11 2,12 2,14 2,16 0,5 3,80 3,87 3,93 3,99 4,06 4,12 4,19 4,21 4,25 4,28 4,31 0,75 5,71 5,80 5,90 5,99 6,09 6,18 6,28 6,32 6,37 6,41 6,47 1 7,61 7,73 7,86 7,99 8,12 8,24 8,37 8,42 8,50 8,55 8,63 Apresentando estes valores graficamente, visualiza-se mais facilmente o efeito da temperatura no processo de electrólise (Figura 5.4). Com o aumento da temperatura, para um mesmo valor de intensidade de corrente, a produção de hidrogénio aumenta. Esse feito é mais pronunciado à medida que a intensidade de corrente aumenta. O mesmo se verifica, ao se manter a temperatura constante e fazendo a corrente variar. Figura 5.4 Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente, para 3 valores diferentes de temperatura. Considerando a produção de hidrogénio determinada para o intervalo de intensidade de corrente analisado verifica-se que a produção de hidrogénio não é tão linear como os cálculos aparentam (Figura 5.3). Apesar do processo de electrólise ser relativamente eficiente, existem perdas de energia que crescem acentuadamente quando a densidade de corrente é elevada (Figura 5.5). Página 47 de 69

72 Figura Rendimento de H2 (PCS - Poder Calorífico Superior) em função da densidade de corrente. (Bossel et al) No entanto, para o caso de estudo e considerando o intervalo de valores de intensidade de corrente utilizados, não existe grande relevância em analisar de forma em profundidade estas perdas. Assim, construídos os modelos teóricos, passa-se para a exposição e análise dos resultados obtidos em laboratório. Página 48 de 69

73 Capitulo 6 Discussão de Resultados Capitulo 6 Discussão de Resultados Para responder à questão fulcral deste estudo, dividiu-se a discussão dos resultados em dois temas distintos. O primeiro caracteriza o comportamento do aerogerador face à variação da velocidade do vento. Pretende-se avaliar o comportamento da corrente eléctrica, desde a sua origem como energia cinética sob a forma de vento e do aerogerador, até ao seu destino final, em energia eléctrica pronta a ser introduzida na rede. O segundo tema encontra-se relacionado com o comportamento da electrólise, onde se pretende verificar a variação da produção de hidrogénio com a intensidade de corrente eléctrica, e a influência do aumento da temperatura no processo de electrólise através da análise da produção de hidrogénio gerada à temperatura ambiente e para diferentes valores de temperatura Comportamento da corrente eléctrica em função da velocidade do vento Na 1ª etapa do projecto efectuou-se uma análise da influência do vento na energia eléctrica Produzida por um aerogerador. Através desta análise, como seria de esperar, verifica-se a tendência da produção de corrente eléctrica se intensificar nos períodos de maior velocidade de vento (Figura 6.1). Para valores de velocidade do vento compreendidos entre 2,70 e 7,40 m/s, a corrente eléctrica produzida pelo aerogerador apresenta intensidades entre 0,40 e 5,96A. Figura Aerogerador - Corrente eléctrica vs velocidade do vento. Página 49 de 69

74 Considerando a equação da linha de tendência de y 0,263x = 0,7911 e, ao valor médio de velocidade do vento de 4,53 m/s corresponde uma intensidade de corrente eléctrica produzida de 2,60A, valor esse que se encontra um bocado abaixo do valor médio de intensidade de corrente eléctrica produzida de 3,0A. Apesar desta tendência geral de crescimento, alguns dos pontos representados graficamente encontram-se mais afastados da linha de tendência como resultado de um atraso experimentado por parte dos aparelhos e do método de medição. Ao nível dos aparelhos de medição, pois o software utilizado, De Transfer, não permitia obter automaticamente os valores de velocidade do vento de minuto a minuto, sendo necessário a existência de um operador. O operador tem de solicitar minuto a minuto o valor de velocidade do vento, valor esse que demora alguns segundos a ser fornecido pelo software. Por sua vez, um outro operador tem de registar o valor de intensidade de corrente fornecido por um amperímetro, que se encontra sempre a variar de acordo com a velocidade do vento naquele milésimo de segundo. Além disso, deve-se considerar que ambos os operadores se encontram em locais distintos, sem contacto visual, e que como tal não terão efectuado a medição no mesmo exacto momento. O que provocou um desfasamento entre o valor de velocidade do vento real e o medido, e da intensidade de corrente eléctrica produzida Comportamento da electrólise face à corrente eléctrica Na 2ª etapa do projecto, realizaram-se duas fases de ensaios. Na 1ª, a electrólise foi realizada à temperatura ambiente, que correspondia a 25ºC, verificando-se que à medida que a intensidade da corrente eléctrica aumentava também aumentava a produção de H 2 (Figura 6.2). Fazendo aumentar em intervalos de 0,125A a intensidade de corrente introduzida no processo de electrólise, desde 0,125A até 1A, verifica-se em média um aumento de 1,03ml na produção de hidrogénio para cada aumento de 0,125A de intensidade eléctrica. Página 50 de 69

75 Capitulo 6 Discussão de Resultados Figura 6.2 Produção de H 2 em função da corrente eléctrica. O aumento mais acentuado na produção de hidrogénio corresponde a 1,3ml, resultante da variação da intensidade da corrente eléctrica introduzida de 0,375A para 0,5ª (Quadro 6.1). De seguida, o maior aumento é de 1,1ml para as variações de intensidade da corrente eléctrica introduzida de 0,125A para 0,5A, e de 0,75A para 0,875A. Quadro 6.1 Volume de produção de H 2 à temperatura ambiente. Temperatura (ºC) Corr.Eléctrica(A) Produção H2 (ml) 0,125 1,2 0,25 2,3 0,375 3,1 Tem peratura Am biente 0,5 4,4 25 C 0,625 5,5 0,75 6,4 0,875 7,5 1 8,5 No geral, houve uma produção de 7,3ml de hidrogénio para um aumento de corrente em 0,875A. Determina-se assim, que a um aumento de 0,1A na intensidade de corrente eléctrica introduzida no processo de electrólise, para uma temperatura ambiente de 25ºC, equivale um aumento de 0,8343ml de hidrogénio produzido. Comparando os valores obtidos experimentalmente, verifica-se que os valores de produção de hidrogénio do modelo teórico são inferiores aos valores obtidos experimentalmente (Quadro 6.2). Quadro Produção de hidrogénio através de Electrólise: Teórica vs Experimental. Produção H2 (ml) Corr.Eléctrica(A) Teórica Experimental 0,125 1,0 1,2 Página 51 de 69

76 0,25 1,9 2,3 0,375 2,9 3,1 0,5 3,8 4,4 0,625 4,8 5,5 0,75 5,7 6,5 0,875 6,7 7,5 1 7,6 8,5 No entanto, verifica-se que tanto a nível teórico como prático o volume de hidrogénio produzido através de electrólise aumenta como resultado do aumento da corrente eléctrica, apesar desse aumento ser bastante mais acentuado na prática (Figura 6.3) l) 6 (m H 2 5 e d e m 4 lu o V ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Intensidade de Corrente Eléctrica (A) Figura Comparação da produção de hidrogénio teórica (laranja) vs prática (cinza) Comportamento da electrólise face à variação de temperatura Na 2ª fase, pretendeu-se verificar o comportamento da electrólise quando sujeita a variações de temperatura. Na electrólise termicamente assistida, verificou-se um ligeiro aumento da produção de H 2, que se torna mais significativo à medida que a intensidade de corrente eléctrica aumenta. Aumentando a temperatura em cerca de 40ºC, verifica-se um aumento de 0,1ml do hidrogénio produzido, para uma intensidade de corrente de 0,25ª (Quadro 6.3). Página 52 de 69

77 Capitulo 6 Discussão de Resultados Para a mesma variação de temperatura, verifica-se um aumento na produção de hidrogénio em 0,2ml para uma intensidade de 0,5A, em 0,1ml para uma intensidade de 0,75A e em 0,5ml para uma intensidade de 1A. Quadro 6.3 Influência da variação da temperatura na produção de H 2. Corr.Eléctrica Produção H2 (ml) (A) 25 C 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C 55 C 57 C 60 C 62 C 65 C 0,25 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 0,5 4,4 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,6 4,6 4,6 0,75 6,4 6,4 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 1 8,4 8,4 8,5 8,5 8,5 8,5 8,6 8,6 8,8 8,8 8,9 Analisando graficamente a variação da produção de hidrogénio para 3 patamares de temperatura, 25ºC, 45ºC e 65ºC, tem-se uma melhor percepção da influência do aumento da temperatura (Figura 6.4). Claramente, a variação da intensidade de corrente eléctrica no processo de electrólise é o factor que mais influência na produção de hidrogénio. No entanto, percebe-se que a variação de temperatura também tem uma certa influência, pois para a mesma intensidade de corrente de 0,25A a produção de hidrogénio apresenta uma ligeira diferença, 2,3 ml para 25ºC e 45ºC, e 2,4ml para 65ºC. Figura 6.4 Influência da Intensidade da corrente eléctrica e da Temperatura na produção de H 2. Para valores mais elevados de intensidade de corrente, já se verifica uma variação na produção de hidrogénio para valores de temperatura mais baixos. Como é o caso das intensidades de corrente de 0,5A, 0,75A e 1A que para uma temperatura de 45ºC Página 53 de 69

78 apresentam valores de produção de hidrogénio superiores aos da temperatura ambiente (25ºC). Para uma intensidade de corrente de 0,5A e uma temperatura de 45ºC a produção de hidrogénio é de 4,5ml, enquanto que à temperatura ambiente e para o mesmo valor de intensidade de corrente a produção de hidrogénio é de 4,4ml. Aumentando a intensidade de corrente para os 0,75A, a produção de hidrogénio para 45ºC é de 6,5ml, 0,1 ml a mais do que à temperatura ambiente (6,4ml). Aumentando para 1A, a variação na produção de hidrogénio a 25ºC e a 45ºC mantém-se em 0,1ml, passando de 8,4ml para 8,5ml. De forma a se confirmar a influência que a temperatura gera no processo de electrólise analisa-se graficamente a variação da produção de hidrogénio para cada um dos valores de intensidade de corrente eléctrica fornecidos durante a electrólise (0,25A, 0,5A, 0,75A e 1A) com o aumento da temperatura (Figura 6.5). Assim, pretende-se que ao analisar a produção de hidrogénio, mantendo a intensidade de corrente eléctrica constante e fazendo apenas variar a temperatura, se consiga confirmar se o factor temperatura tem alguma influência real no processo. Como se pode verificar, o aumento da temperatura influência o processo de electrólise e consequentemente o volume de hidrogénio produzido, facto que se torna mais perceptível para temperaturas mais elevadas. Figura 6.5 Influência da temperatura na produção de H 2. A análise da influência que a temperatura no processo de electrólise pode ser efectuada de outra forma, através da variação do rendimento. Como se pode verificar, no quadro 6.4, mantendo-se constante os valores de intensidade de corrente e variando os de temperatura, obtém-se através dos valores de hidrogénio produzidos a variação do rendimento do processo de electrólise. Com uma intensidade de corrente de 0,25A só existe um aumento do rendimento do processo para temperaturas a partir de 55ºC, enquanto que para 0,5A o aumento dá-se a partir de 30ºC, e para 0,75A e 1A dá-se a partir de 35ºC. Página 54 de 69

79 Capitulo 6 Discussão de Resultados Quadro Variação de Rendimento resultante do aumento de Temperatura, comparativamente ao processo a 25ºC. Corr.Eléctrica Variação de Rendimento (A) ,25 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 4,17% 4,17% 4,17% 4,17% 4,17% 0,5 0,00% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 4,35% 4,35% 4,35% 0,75 0,00% 0,00% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1 0,00% 0,00% 1,18% 1,18% 1,18% 1,18% 2,33% 2,33% 4,55% 4,55% 5,62% A variação de rendimento mais rápida, em termos de temperatura, regista-se a uma intensidade de 0,5A, ao se imaginar uma linha de tendência cujo início se encontra antes das linhas de tendência de 0,25A, e pela sua inclinação menos acentuada comparativamente a esta e à de 1A, pois o aumento do rendimento é menos abrupto (Figura 6.6). Em 0,5A, o aumento de rendimento é de 2,22% e dá-se logo aos 30ºC, havendo novo aumento de 4,35% em relação ao rendimento à temperatura ambiente. Para os 0,25A regista-se um aumento de rendimento de 4,17% que só se concretiza aos 55ºC, enquanto que para os 0,75A regista-se um aumento de 1,54% aos 35ºC. Desta forma ao se imaginar uma linha de tendência dos 0,25A, esta encontra-se mais estendida e com uma inclinação mais acentuada que a linha de tendência dos 0,5A. O mesmo não se verifica com a linha de tendência dos 0,75A, que se encontra praticamente do mesmo tamanho que as dos 0,5A, mas que apresenta uma inclinação menos acentuada. Ao se imaginar uma linha de tendência de 1A, esta apresenta uma inclinação acentuada como a linha de tendência de 0,25A, no entanto termina acima da linha de tendência de 0,5A pelo facto de registar um aumento de rendimento de 5,62% aos 65ºC, comparativamente com o rendimento à temperatura ambiente. O processo de electrólise termicamente assistido apresenta, para o intervalo de temperatura entre os 25ºC e os 65ºC, correspondente a uma variação de 40ºC, um aumento médio de rendimento de 3,92%. Este valor corresponde a um aumento de rendimento de quase 0,1% (0,098%) para um aumento de temperatura de 1ºC. Página 55 de 69

80 6,00% 5,00% to n e im d 4,00% n e R e d 3,00% ç ã o a ria V 2,00% 0,25A 0,5A 0,75A 1A 1,00% 0,00% Temperatura (ºC) Figura 6.6 Variação de rendimento através do aumento de temperatura Extrapolação de dados Com os dados obtidos experimentalmente para a electrólise termicamente assistida efectuase uma extrapolação do que seria produzido com um electrolisador que permitisse a intensidade de corrente eléctrica produzida pelo aerogerador utilizado neste estudo. Considerando a equação da linha de tendência y = 8,5667x + 0, 2375 para a produção de hidrogénio numa electrólise a 65ºC, em que x corresponde ao valor de intensidade de corrente eléctrica em Amperes e y ao volume de hidrogénio produzido por electrólise para esse valor de intensidade de corrente eléctrica, e sendo o valor médio de intensidade de corrente eléctrica produzida pelo aerogerador de 3,0 A, pode-se determinar o volume produzido com 3 A. Página 56 de 69

81 Capitulo 6 Discussão de Resultados Figura Tendência de produção de hidrogénio numa electrólise a 65 C. Assim, determina-se que para a intensidade média de 3,0A de corrente eléctrica produzida pelo aerogerador seriam produzidos 25,9376 ml de hidrogénio, cerca de 26ml. Página 57 de 69

82 Capitulo 7 Análise Económica e Ambiental Baseando-se este estudo na produção de hidrogénio com base em energias renováveis, eólica e solar térmica, e considerando a necessidade económica de substituir as energias convencionais por este tipo de energias, faz todo o sentido que seja efectuada uma análise económica e uma análise ambiental. Para esta análise considera-se a possibilidade de implementação a nível habitacional de um sistema de produção de hidrogénio Implementação Colector Solar A construção/implementação do colector solar utilizado no projecto teve um custo de cerca de 250, um valor reduzido considerando que foram utilizados materiais que já se encontravam disponíveis nos Serviços Técnicos da FCT-UNL. Na electrólise termicamente assistida a 65 C, para uma intensidade de corrente de 1A, verificou-se um aumento de rendimento de 5,62% comparativamente à electrólise a 25 C (Quadro 6.3), que se traduz num volume de 0,5ml de H 2 (Quadro 6.4). Visto que os valores de produção de hidrogénio através de electrólise foram determinados para um intervalo de tempo de 60 segundos, assim verifica-se um aumento de 0,5ml em 1 minuto, 30ml em 1 hora, 3,6dl em 1 dia (considerando 12 horas de radiação solar diária), 131,4 litros em 1 ano. Considerando que uma célula de combustível do tipo PEM apresenta um rendimento de 0,5L/kWh, obtêm-se um aumento de produção de energia eléctrica em 65,7kWh. Assim, obtém-se um custo de cerca de 3,80 para um aumento de produção de energia eléctrica em 1kWh/ano e um aumento de produção no volume de hidrogénio de 0,5L/ano Este aumento é pouco significativo, uma vez que o consumo médio anual de energia eléctrica é de 3800kWh e corresponde a um custo médio anual de 400 (Deco Proteste, 2007), em termos de energia é mais do dobro relativamente ao obtido através do aumento de produção de energia eléctrica verificado e com um custo inferior ao dobro. Página 58 de 69

83 Capitulo 7 Análise Económica e Ambiental 7.2. Transportes Ao nível dos transportes, para efectuar esta análise considera-se um veículo ligeiro a gasolina ou a gasóleo e compara-se com um veículo ligeiro movido a hidrogénio. Para a análise económica, a comparação será entre o custo do consumo médio de um veículo ligeiro movido a combustível fóssil e de um movido a hidrogénio, com célula de combustível integrada, produzido por este método. Considerando o custo do gasóleo de 1,07 /l, e como consumo médio 4,5 litros por 100km. Para percorrer esta mesma distância, um veículo movido a gasóleo apresenta um custo de cerca de 4,82. Considerando como consumo médio de um veículo ligeiro movido a hidrogénio o valor de 9g/km (HyTran, 2009). Pretende-se verificar, no caso de se tratar de um sistema de produção de hidrogénio por electrólise a nível habitacional se o custo do hidrogénio é inferior ao do gasóleo. Para tal, considerou-se o valor médio de deslocações feitas anualmente em veículos ligeiros de km. Através do qual, e com o valor de consumo médio de 9g/km, se chegou ao valor de consumo anual de hidrogénio de 2250g/ano. Apresentado o hidrogénio gasoso uma densidade de 0,085kg/dm 3, conseguiu-se chegar ao consumo diário de hidrogénio de 4 7,25 10 ml. Para a produção de hidrogénio para utilização num veículo movido a hidrogénio considerase um sistema de produção de hidrogénio constituído por: um aerogerador, um colector solar, um electrolisador, um compressor e um depósito (figura 7.1). Página 59 de 69

84 Figura Sistema de produção de hidrogénio para veículo ligeiro. Por intermédio da equação obtida experimentalmente para a produção de hidrogénio através de electrólise a 65ºC, e do valor médio de intensidade de corrente eléctrica de 3,0A 4 verifica-se que se pode atingir uma produção de ~ 3,74 10 ml/dia. Para se produzir os 4 7,25 10 ml de hidrogénio necessários para consumo num veículo ligeiro será necessário implementar um outro aerogerador. Para determinação do custo do hidrogénio consumido no veículo ligeiro, considera-se o custo total do sistema de produção de hidrogénio diluído pelo seu tempo de vida útil, 20 anos (Quadro 7.1). No caso do aerogerador, será necessário implementar um outro aerogerador com as mesmas características ou apenas um aerogerador com o dobro da potência, passando a ter um custo de Em resultado desta alteração, e considerando que o valor da energia eléctrica produzida através de eólica aumentou, foi necessário reconsiderar o electrolisador implementado, que passou a ter um custo de Por forma a determinar a capacidade do compressor pretendido, considerámos como base um projecto em que para um electrolisador com um caudal de produção de 10Nm 3 /h foi implementado um compressor de 5,5kW (Eté e Ulleberg, 2009). Através deste caudal e do Página 60 de 69

85 Capitulo 7 Análise Económica e Ambiental factor de conversão de 0,8925 (25ºC, 1atm) chega-se ao valor de 11,2m 3 /h. Determinando o caudal horário do sistema de electrólise em estudo (3,11x10-3 m 3 /h) obtém-se um compressor de 2W.No entanto, para efeitos de cálculos será considerado um compressor de 50W. Este apresentará um custo de 250, e considerando que no período de 20 anos terá de ser substituído por um novo o custo total será de 500. No que respeita ao armazenamento, de forma a permitirmos ao utilizador do veículo encher o depósito apenas uma vez por semana, como num carro movido a combustível fóssil, considera-se um volume de armazenamento ligeiramente superior ao volume produzido durante uma semana (~0,52m 3 ). Armazenamento esse que apresentará um custo de Quadro 7.1 Características do sistema de produção de hidrogénio para deslocação. Componente Tempo de vida útil Capacidade Preço Quantid. Preço total Aerogerador 20 2 kw 800 /kw a Colector Solar /m 2 b Electrolisador 20 2 kw 2000 /kw a Compressor 2x12 0,05 kw 5000 /kw a 1 2x250 Armazenamento 20 0,55 m /m 3 a Total (valores usados) a) Eté et Ulleberg, b) Água Quente Solar, Como foi acima mencionado, para determinação do custo do hidrogénio consumido no veículo ligeiro, considera-se o custo total do sistema de produção de hidrogénio diluído pelo seu tempo de vida útil, 20 anos. Assim, considerando o valor total de para a implementação deste sistema e o seu tempo de vida de 20 anos, obtém-se um custo de cerca de 901,25 /ano. Considerando que um veículo ligeiro percorre anualmente cerca de 25000km, um veículo ligeiro movido a hidrogénio apresenta um custo de ~3,605 /100 km. Comparativamente a 4,82 /100Km para o consumo de gasóleo, o custo do hidrogénio apresenta uma redução de ~25%. Visto que o volume de hidrogénio produzido mesmo sem ser comprimido não ocupa um espaço muito elevado, pode-se optar por não implementar um compressor. No entanto, verifica-se uma diminuição de apenas 500 no capital investido, que se traduz numa diferença de 10 cêntimos (~2,88 /100km) e numa redução de ~27% relativamente ao custo no consumo de gasóleo. Considerando uma emissão de CO 2 de 140g/km, a utilização de um carro movido a hidrogénio traduz-se numa redução das emissões de CO 2 de 14 kg/100km, 3.500kg/ano. Página 61 de 69

86 7.3. Sector Doméstico Ao nível do sector doméstico, para se efectuar esta análise considera-se o consumo médio anual de energia eléctrica e compara-se com o sistema de produção de hidrogénio e sistema de conversão em energia eléctrica. Para a produção de hidrogénio para utilização numa habitação, mais concretamente na produção de energia eléctrica, considera-se um sistema de produção de hidrogénio constituído por: um aerogerador, um colector solar, um electrolisador, um compressor, um depósito e uma célula de combustível (Figura 7.2). Este sistema, comparativamente com o sistema de produção de hidrogénio para utilização num veículo, sofreu um acréscimo de uma célula de combustível que no anterior já se encontrava incluída no veículo de deslocação. Figura Sistema de produção de hidrogénio para habitação. Para a análise económica, considera-se um consumo médio anual de energia eléctrica de 3800kWh que corresponde a um custo médio anual de 400 (Deco Proteste, 2007). Página 62 de 69

87 Capitulo 7 Análise Económica e Ambiental Considerando que uma célula de combustível do tipo PEM apresenta um rendimento de 4 0,5l/kWh e a produção média diária de hidrogénio de ~ 3,74 10 ml/dia, para a electrólise a 65ºC a uma intensidade de corrente eléctrica média de 3,0A, obtêm-se uma produção diária de 18,5kWh. Ao consumo médio anual de 3800kWh corresponde um consumo médio de 10,41kWh/dia, verificando-se que para dar resposta às necessidades energéticas de uma habitação basta implementar um aerogerador (Quadro 7.2). Assim, para determinação do custo da determinação do custo do kwh produzido a partir de hidrogénio, considera-se o custo total do sistema de produção de hidrogénio diluído pelo seu tempo de vida útil, 20 anos. Neste caso, ao sistema implementado adiciona-se uma célula de combustível de 2kW, com um custo de Assim, considerando o valor total de para a implementação deste sistema e o seu tempo de vida de 20 anos, obtém-se um custo de 1.121,25 /ano. Comparativamente a 400 /ano para o consumo de energia eléctrica de rede, o custo do hidrogénio apresenta um aumento de ~240%. No entanto, em termos de kwh estes valores não são comparáveis. É assim necessário determinar o custo que um indivíduo tem por 1kWh para a energia eléctrica da rede eléctrica ou produzido por hidrogénio. A energia eléctrica apresenta um custo de ~0,105 /kwh, enquanto que a energia eléctrica produzida por hidrogénio apresenta um custo de ~0,16 /kwh. Quadro Características do sistema de produção de hidrogénio para uma habitação. Componente Tempo de vida útil Capacidade Preço Quantid. Preço total Aerogerador 20 2 kw 800 /kw Colector Solar /m Electrolisador 20 2 kw 2000 /kw Compressor 2x12 0,05 kw 5000 /kw 1 2x250 Armazenamento 20 0,55 m /m Célula de 2x10 2kW 2500 /kw Combustível Total Os dois valores são praticamente iguais, assim em termos económicos não havendo uma diferença de ~0,06 /kwh entre os dois. No entanto, se considerarmos que a energia Página 63 de 69

88 produzida a mais pelo sistema (8,09kWh/dia) poderá ser vendida à rede a 0,65 /kwh nos primeiros 5 anos, e a 0,503 /kwh do 6ºano até ao 15ºano (DL363/2007). Tem-se um lucro de ~5,26 /dia, que suplanta em larga escala o custo diário correspondente ao sistema de 1,66 /dia, conseguindo-se um lucro diário de 3,6. Ao fim de um ano tem-se um lucro de ~1919, e de ~9597 ao fim de 5 anos. Para os restantes anos o lucro será de 4,07 /dia, que no espaço de um ano será de ~1485. Assim, verifica-se que para se recuperar o investimento que se efectua com este sistema serão necessários cerca de 8 anos (tempo de retorno). No que respeita às emissões de CO 2, a produção de energia eléctrica nacional apresenta uma produção média anual de 354,36g/kWh, que corresponde a 0,04g/kW (Edp,2009). Considerando os 18,5kWh produzidos pelo sistema, verifica-se que são produzidas menos 0,74g de CO 2 por dia, menos 6.555g CO 2 /ano Análise combinada Considerando os cálculos efectuados para o sector dos transportes, mais concretamente para a utilização de um veículo ligeiro, e no sector doméstico para o consumo de energia eléctrica e águas quentes sanitárias numa habitação, pretende-se agora analisar um sistema de produção de hidrogénio combinado. Isto é, um sistema de produção de hidrogénio através de electrólise termicamente assistida, alimentado totalmente por energias renováveis, e que permita alimentar conjuntamente uma habitação e um veículo ligeiro (Figura 7.3). Página 64 de 69

89 Capitulo 7 Análise Económica e Ambiental Figura Sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo. Para um sistema assim, que permita que uma família, sua habitação e meio de transporte sejam energeticamente independentes são necessários componentes e um investimento. Considerando o sistema de produção de hidrogénio para produção de energia eléctrica a utilizar no sector doméstico é necessário efectuar algumas alterações, aumentando assim o investimento (Quadro 7.3). Página 65 de 69