PRODUÇÃO DE HIDROGÉNIO, ASSISTIDO POR ENERGIA EÓLICA

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Silvana Barreto Aranha
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1 PRODUÇÃO DE HIDROGÉNIO, ASSISTIDO POR ENERGIA EÓLICA Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia Ricardo Emanuel Afonso Dias de Almeida Orientação : Professor Doutor Rui Lobo 1

2 Demonstrar a viabilidade da produção de hidrogénio a partir de fontes inteiramente renováveis (energia eólica), utilizando a energia eléctrica para electrólise da água (H 2 O). 2

3 Estima-se que o consumo mundial de energia poderá crescer 44 por cento, entre o período de 2006 a 2030, de 472 para os 678 quatriliões de BTUs. Quatriliões de BTUs 3

4 Estima-se que a produção de electricidade a partir de energias renováveis passe de 19% em 2006, para 21% em Quatriliões de BTUs 4

5 Situação energética em Portugal Portugal apresentou na Estratégia Nacional para a Energia em 2005, o objectivo de produzir em 2010, 45% da energia eléctrica a partir de fontes renováveis. Evolução da energia eléctrica produzida a partir de fontes renováveis (GWh). 5

6 O hidrogénio éconsiderado um vector, uma vez que para ser obtido énecessário gastar energia na dissociação de uma fonte primária de energia. Na electrólise temos a seguinte reacção: 2H H + O 2O + electricidade 2 Tem a mais elevada energia por unidade de peso comparativamente com outros tipos de combustível. Combustível PCS em KJ/g Rácio PCI em KJ/g Rácio 141,86 119,93 Metano 55,53 2,55 50,02 2,40 Propano 50,36 2,82 45,60 2,63 Gasolina 47,50 2,99 44,50 2,70 Gasóleo 44,80 3,17 42,50 2,82 Metanol 19,96 7,11 18,05 6,

7 A reforma do gás natural, a gaseificação do carvão e a reforma de petróleo são responsáveis pela maior parte do hidrogénio produzido hoje. São fontes de energia convencionais e poluentes. 7

8 Realizada no Edifício do Departamento de Engenharia Electrotécnica. Registos da velocidade do vento obtidos através de uma estação meteorológica requisitada ao Departamento de Ciências de Engenharia e Ambiente (DCEA) da FCT/UNL. 8

No piso inferior ( 1) do referido edifício, encontrava se uma sala com o seguinte equipamento: um rectificador, um inversor, placas de distribuição e um

9 No piso inferior ( 1) do referido edifício, encontrava se uma sala com o seguinte equipamento: um rectificador, um inversor, placas de distribuição e um multímetro, que por sua vez estavam ligados por cabos eléctricos àrede eléctrica. Piso inferior ( 1) do DEE onde eram registados os valores de Corrente e Tensão eléctrica. 9

10 Esquema de ligação do aerogerador 10

tensão obtidos pelo aerogerador comercial Utilizar a corrente eléctrica

11 Realizada no Laboratório de Nanotecnologia, pretendendo se extrapolar em laboratório através de um mini aerogerador, os valores de corrente e tensão obtidos pelo aerogerador comercial Utilizar a corrente eléctrica produzida, para efectuar a electrólise da água, de modo a produzir hidrogénio. 11

12 Variação da corrente eléctrica com a Velocidade do vento I (A) ,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 V (m/s) 12

13 Watts Variação da Potência eléctrica com a Velocidade do Vento Variação da Potência eléctrica com a Velocidade do Vento m/s Watts m/s Curva de potência do aerogerador (dados do fabricante) 13

14 Análise comparativa dos dados de potência eléctrica fornecidos pelo fabricante e os dados reais obtidos. Veloc. Vento (m/s) Potência eléctrica (Dados do fabricante) Potência eléctrica (Dados reais obtidos) Diferença (%) 3, ,64 193,94% 4, ,87 58,84% 5, ,37 28,44% A partir da curva de potência fornecida pelo fabricante do aerogerador, e retirando um dado ponto (x = 10; y = 2375) dessa curva, aplicando a fórmula P = ½ ρ v 3 π r 2 Cp, temos que: 2375 = 0,5 1, ,6 2 Cp Cp = 0,482 Rendimento do aerogerador éde 48,2 %. 14

15 Recorreu se a um estudo nas Ilhas Falkland (Port Louis) onde as velocidades do vento são superiores às registadas na FCT/UNL (mês de Julho). Espeficificações Aerogerador do DEE (2 kw) Aerogerador Proven WT (2,5 kw) Potência unitária (Watts) Número de Pás 3 3 Diâmetro das Pás (m) 3,2 3,5 Velocidade de vento mínima (m/s) 2 2,5 Velocidade de vento máxima (m/s) Rotações por minuto

16 A potência eléctrica obtida foi sempre inferior àpotência dada pelo fabricante, através da curva de potência. Decréscimo nos valores de potência eléctrica, para velocidades do vento superiores a 10m/s (valores sem validade). 16

17 Valores de corrente eléctrica obtidos em laboratório através de um mini aerogerador, utilizando ar comprimido de modo a fazê lo incidir sobre as pás do referido aerogerador. Corrente (ma) Série ,5 2 2,5 3 3,5 Tensão (V) Valores de corrente eléctrica : [0.1;47.9] ±0.1 Miliampéres Valores de corrente eléctrica assim produzida eram manifestamente insuficientes para verificar a variação de produção de hidrogénio, com a corrente aplicada. 17

18 Tensão (Volts) Corrente (ma) Média dos valores de H 2 (Volume em ml) Intervalo de valores de H2 1, ,25 [1,2; 1,3] 1, ,35 [2,3; 2,4] 1, ,15 [3,1; 3,2] 1, ,45 [4,4;4,5] 1, ,55 [5,5;5,6] 1, ,5 6,5 1, ,5 7,5 1, ,55 [8,5; 8,6] Produção de Vs Corrente ml de H2 Aplicada y = 0,0084x + 0,1982 R² = 0, ma 18

19 Densidade do hidrogénio em condições PTN (ρ) = 0,0899 Kg/m 3, temos que, ρ = 0,0899 g/dm 3. Corrente aplicada (A) (a) Massa de H2 (g) produzida em laboratório (b) Massa de H2 (g) teórica (Lei de Faraday) (a)/(b) 0,125 0, , ,59% 0,250 0, , ,91% 0,375 0, , ,45% 0,500 0, , ,68% 0,625 0, , ,40% 0,750 0, , ,31% 0,875 0, , ,32% 1,000 0, , ,62% 19

20 Aproveitando os recursos materiais e humanos já existentes na faculdade, o objectivo de estudar a viabilidade de produção de H 2 a partir de fontes inteiramente renováveis, foi conseguido com sucesso. A produção de energia eléctrica aumenta consoante a intensidade do vento, embora exista um limite de aproveitamento dessa mesma energia do vento (varia consoante o aerogerador utilizado; no caso prático estudado foi a partir dos 10m/s). A produção de hidrogénio aumenta de forma quase linear, com o aumento da corrente eléctrica aplicada. Os valores obtidos de corrente eléctrica do aerogerador do DEE (490 ma e os 3800 ma), de acordo com a velocidade do vento (2,7 m/s e os 5,6 m/s) apresentaram uma grande dispersão, assim como os valores de potência eléctrica obtida (P = V I). Os valores da curva de potência dados pelo fabricante foram superiores aos obtidos, porque para além dos erros de medição, foram realizados em túneis de vento e também porque a potência eléctrica varia com o cubo da velocidade do vento. 20

21 A extrapolação com recurso a um mini aerogerador, dos valores de corrente eléctrica obtidos pelo aerogerador (valor máximo obtido de 47,9 ma), foi insuficiente para a produção de hidrogénio expectável, tendo se por isso recorrido a uma fonte de alimentação eléctrica. Sendo um trabalho experimental, énatural que os resultados obtidos tenham sofrido alguns desvios relativamente aos valores esperados, quer pelos erros humanos, de procedimento ou dos próprios equipamentos electrónicos utilizados. O hidrogénio é provavelmente o portador de energia e o combustível preferido para as economias futuras, em que serão fundamentais as baixas emissões de carbono. Actualmente a sua produção ainda é um processo dispendioso, sendo necessário um grande esforço e uma acção concertada no que se refere a Desenvolvimento e Investigação, de modo a que seja considerada como uma primeira opção. 21

22 Ao Professor Doutor Rui Lobo, pela orientação, conhecimentos transmitidos e motivação. Ao Professor Doutor João Martins, pela disponibilidade demonstrada, conhecimentos transmitidos e colaboração. Aos engenheiros Paulo Pereira, Pedro Pereira e Pedro Gomes pela colaboração e prestabilidade que sempre evidenciaram ao longo deste trabalho. À minha colega de mestrado Tânia e a todos os docentes de mestrado, que para além da transmissão de conhecimentos, sempre souberam motivar e apoiar todos os alunos. 22

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