DANIEL GABRIEL LOPES Doutorando em Planejamento de Sistemas Energéticos Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP.
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- Henrique Campos Bentes
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1 ANÁLISE PRELIMINAR PARA IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA HÍBRIDO SOLAR-EÓLICO COM ARMAZENAMENTO DA ENERGIA ELÉTRICA GERADA ATRAVÉS DE HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO E CÉLULA A COMBUSTÍVEL DANIEL GABRIEL LOPES Doutorando em Planejamento de Sistemas Energéticos Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP. danielg@fem.unicamp.br ENNIO PERES DA SILVA Laboratório de Hidrogênio - Instituto de Física Gleb Wataghin UNICAMP. FERNANDO REZENDE APOLINÁRIO Laboratório de Hidrogênio - Instituto de Física Gleb Wataghin UNICAMP. ANDRÉ LUIS FURLAN Planejamento de Sistemas Energéticos - Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP. DAVI GABRIEL LOPES Planejamento de Sistemas Energéticos - Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP. MARIA EUGENIA VIEIRA DA SILVA Departamento de Engenharia mecânica e de Produção da Universidade Federal do Ceará UFC. PAULO ALEXANDRE COSTA ROCHA Departamento de Engenharia mecânica e de Produção da Universidade Federal do Ceará - UFC ALCIDES CODECEIRA NETO Companhia Hidro Elétrica do São Francisco CHESF / Universidade de Pernambuco Resumo: Dada a pertinência do estudo e aplicabilidade da geração hibrida de energia elétrica a partir das fontes solar-fotovoltaica e eólica no Brasil, o presente artigo objetiva apresentar brevemente a importância da comparação técnico-econômica experimental de duas tecnologias de armazenamento de energia elétrica (baterias versus H 2 + células a combustível) e indicar as dificuldades previstas nesta possível aplicação. Para tanto intentou-se uma parceria entre a Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, a Universidade Federal do Ceará UFC e a Companhia Hidro Elétrica do São Francisco CHESF no sentido de viabilizar uma implementação. Palavras-chave: energia solar fotovoltaica; energia eólica; hidrogênio; células a combustível, baterias, comparação técnico-econômica. Abstract: Due to relevance of the study and applicability of hybrid electric power generation from solar photovoltaic and wind power in Brazil, the present paper aims to introduce briefly the importance of technical and economic comparison of two electrical energy storage technologies (batteries versus H2 + fuel cell) and also to indicate the previous difficulties related to this possible application. In this context, it was intended a partnership between State University of Campinas - UNICAMP, the Federal University of Ceará - UFC and Hydro Electric Company of the São Francisco CHESF in the meaning of makes viable an implementation.
2 Introdução Tradicionalmente o aproveitamento em pequena escala da energia elétrica gerada por geradores fotovoltaicos e eólicos - GFE, que fazem uso de fontes intermitentes de energia, dá-se pela utilização de baterias chumbo-ácido, mesmo estas apresentando curta vida útil e sérios riscos de contaminação ambiental associados ao seu descarte. Atualmente, com o desenvolvimento da tecnologia de células a combustível (CaC), há a possibilidade de utilizar o hidrogênio (H 2 ) como vetor energético. Neste sentido, o H 2 gerado através da eletrólise da água, pode ser armazenado nos períodos de disponibilidade excedente do recurso primário de energia, sendo reconvertido em energia elétrica, utilizando as células a combustível, em períodos em que tais recursos primários, principalmente o solar, não estejam suficientemente disponíveis, constituindo um sistema autônomo completo. Inserido na realidade geográfica do Brasil, com um alto índice de comunidades isoladas no meio rural que ainda não são atendidas pelos serviços de fornecimento de eletricidade, a utilização de sistemas fotovoltaicos e eólicos apresentam-se como uma das mais prováveis opções de atendimento básico previsto pelo plano de universalização estabelecido no Programa Luz para Todos do Governo Federal. Dentro de tal contexto é possível imaginar no médio prazo um aumento significativo na utilização de sistemas completos de energia solar e eólico nessas comunidades com a utilização das tradicionais baterias, que dentro da vida útil inicialmente prevista para os painéis fotovoltaicos (por volta de 25 anos), podem fazer com que os dois problemas associados (necessidade de troca freqüente das baterias e riscos de danos ambientais) a estes sistemas de armazenamento se transformem em uma séria questão relacionada à logística de manutenção, uma vez que as comunidades isoladas, em sua maioria, apresentam dificuldades no acesso, que oneram os custos de geração de energia elétrica por unidade consumidora. Entretanto, tal possibilidade deveria ser investigada para que sua viabilidade técnica seja avaliada, buscando determinar ainda a eficiência e segurança no ciclo de armazenamento, a possibilidade de funcionamento autônomo, índice de confiabilidade e qualidade da energia elétrica, expectativa de custo e vida útil para o sistema, entre outros fatores que possibilitarão uma análise mais aprofundada da viabilidade desta opção como sistema de armazenamento. Com vistas no estudo e aplicação deste tipo de geração hibrida de energia elétrica, bem como na comparação técnico-econômica experimental das duas tecnologias de armazenamento de energia elétrica (baterias X H 2 + CaC), iniciou-se uma parceria entre a Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, a Universidade Federal do Ceará UFC e a Companhia Hidroelétrica do São Francisco CHESF. Este artigo tem como objetivo apresentar uma breve análise sobre o potencial solar e eólico do Brasil, introduzir as principais tecnologias envolvidas para geração e armazenamento da energia elétrica gerada pelas propostas apresentadas neste trabalho e indicar as dificuldades esperadas numa possível implementação experimental. 1. Geração de Energia Elétrica 1.1. Potencial Solar Como já foi comentado anteriormente, neste trabalho propõe-se analisar as características técnicas e econômicas do uso das energias solar fotovoltaica e eólica para a produção de hidrogênio, de forma a compor um sistema de suprimento energético quase totalmente livre de emissões.
3 A energia solar enquanto, uma fonte direta de energia (indiretamente está presente na energia hidráulica, biomassas, etc.) é muito pouco aproveitada no Brasil. Para o melhor uso desse recurso, o procedimento mais adequado é selecionar os locais com maior disponibilidade e medir diretamente ou estimar o potencial a partir de dados históricos referentes à irradiação solar. A Figura 1 apresenta a disponibilidade do recurso solar no Brasil. Mesmo que este recurso esteja distribuído por boa parte do território nacional, é possível observar que na Região Nordeste se encontra os melhores locais para o seu aproveitamento. Além das informações visuais disponíveis nos mapas, que servem muitas vezes apenas para selecionar os melhores locais para o seu aproveitamento, é fundamental contar com informações numéricas sobre os recursos. O Atlas Solarimétrico do Brasil (TIBA, 2000) contém dados referentes à irradiação solar para diversas localidades, representando o estado da arte em informações solarimétricas, em nível de qualidade equivalente aos atlas existentes na Europa Central e nos Estados Unidos, sendo uma importante fonte de dados para a análise deste aproveitamento. Figura 1 - Disponibilidade do recurso solar no Brasil. Adaptado do Atlas Solarimétrico do Brasil (Tiba, 2000). No caso fotovoltaico, o custo dos painéis obtidos através da técnica empregada no processo de fabricação utilizada até os dias atuais parece ter atingido um limite. Entretanto, muitas pesquisas têm demonstrado ser possível a fabricação de painéis através da técnica de filmes finos, que possibilitariam a geração de energia a custos competitivos, o que poderá viabilizar a sua aplicação, não somente para sistemas de pequena escala, como o proposto neste artigo, mas também para sistemas de grande escala.
4 1.2. Potencial Eólico A energia eólica é a energia cinética de translação contida nas massas de ar em movimento. Seu aproveitamento para a geração de energia elétrica é a que apresenta o mais expressivo crescimento em nível mundial, praticamente dobrando a sua capacidade instalada a cada três anos. Nas últimas décadas, o progresso técnico experimentado pela indústria de aerogeradores permitiu que esta tecnologia alcançasse um grau de desenvolvimento capaz de enquadrá-la como uma opção competitiva com muitas das atuais tecnologias de geração de energia elétrica. Até o final de 2006, existiam mais de 76 GW de aerogeradores instalados no mundo, conforme mostrado na Figura 2 (GWEC, 2007). Capacidade acumulada instalada Capacidade instalada (GW) Anos Figura 2 - Evolução de capacidade total de aerogeradores instalados no mundo (GWEC, 2007). O Brasil possui um grande potencial para o aproveitamento da energia eólica. A Figura 3 apresenta o estado da arte em informações sobre este potencial. Estimativas apontam que o potencial até agora conhecido para o aproveitamento da energia eólica no país supera os 140 GW, devendo esta fonte contribuir em muito para a geração de energia elétrica no futuro, podendo se tornar mais uma opção para segurança elétrica no país.
5 Figura 3 - Potencial eólico brasileiro. Adaptado a partir de imagem original do Atlas do Potencial Eólico Brasileiro (MME, 2001). 2. Armazenamento da Energia Elétrica Gerada 2.1. Baterias de Chumbo-Ácido As baterias de chumbo-ácido possuem um grande mercado, mais de 90% dos veículos automotivos as utilizam devido, principalmente, ao seu baixo custo. Na sua construção mais comum, o anodo é de chumbo e o catodo de óxido de chumbo (PbO 2 ), arranjados em placas retangulares planas, dispostas e interligadas alternadamente com separadores de material poroso não condutor, para evitar contato elétrico direto. O conjunto fica no interior de uma cuba, submerso no eletrólito de ácido sulfúrico. O esquema simplificado de uma célula é apresentado na Figura 4. Figura 4 - Esquema simplificado de uma célula da bateria de chumbo-ácido. (Fonte: MSPC, 2007). A célula chumbo-ácida é recarregável, provavelmente devido ao fato do produto da descarga (sulfato de chumbo) ser insolúvel no eletrólito e permanecer junto dos eletrodos (ROBERTS, 1991). Uma vez descarregada, total ou parcialmente, uma fonte externa de energia
6 elétrica reverte às reações, regenerando o chumbo e o óxido de chumbo dos eletrodos e o ácido sulfúrico do eletrólito. A evaporação da água faz necessária a complementação periódica com água pura. Para evitar isto, sugiram na década de 1970 as primeiras células seladas. Segundo Bockris & Reddy, (1998), existe também um composto catalítico que possibilita a produção de água, a partir do hidrogênio e oxigênio formados durante o processo de carga. Uma das desvantagens do uso de baterias de chumbo-ácido está na dificuldade de se determinar e manter precisamente seu estado de carga. Já a durabilidade dessa bateria depende muito da forma como ela é descarregada e da temperatura em que ela é operada. Outra desvantagem em relação às outras tecnologias é que elas possuem baixa densidade de energia por massa, 28 a 35 Wh/kg. Para aplicações que requerem muita energia, a quantidade de baterias de chumbo-ácido é muito grande, o que as torna inadequadas para a aplicação. A vida média de uma bateria de chumbo-ácido, sem a ocorrência de descargas profundas, raramente excede aos 4 anos Eletrolisadores Bipolares Os eletrolisadores são geralmente classificados em convencionais e avançados, de forma que os convencionais são ainda divididos em dois tipos: unipolar (também conhecido como tipo tanque) e bipolar (filtro-prensa). Ambos os tipos de eletrolisadores são compostos por células individuais justapostas, ligadas em paralelo no tipo unipolar e em série no tipo bipolar, conforme ilustrado na Figura 5. Os eletrolisadores avançados são geralmente do tipo bipolar, com elevadas densidades de corrente que, por serem mais compactos, podem proporcionar aumento da eficiência e diminuição dos custos dos materiais de construção e equipamentos auxiliares. Com as técnicas de construção e materiais desenvolvidos para estes eletrolisadores, operam a temperaturas entre 60º a 100ºC e pressões no intervalo de 1 a 30 bar, usualmente. (a) Figura 5 - Diagrama esquemático dos eletrolisadores unipolares ou monopolares (a) e bipolares (b). (b)
7 O condutor iônico líquido mais comumente utilizado é uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOHaq), cuja condutividade iônica é maximizada na faixa de concentração de 28% a 30% g/g, determinando um menor consumo energético Células a Combustível Células a combustível (CaC) são dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química de um combustível em eletricidade em corrente contínua de baixa tensão (SILVA, 1991). Seu princípio de funcionamento consiste em converter a energia livre de Gibbs em trabalho elétrico através da oxidação isotérmica do combustível utilizado. São dispositivos semelhantes às baterias, com a vantagem de dispensarem recargas. Fornecem energia elétrica enquanto é fornecido combustível. Estes dispositivos são classificados em termos do tipo de eletrólito empregado e da temperatura de operação. Neste trabalho, recomenda-se a utilização das CaC do tipo PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - Célula a combustível com membrana condutora de prótons) tendo em vista que suas características são adequadas para a implementação proposta. As PEMFC são consideradas uma das tecnologias mais promissoras. Ela utiliza platina como catalisador e uma membrana sólida, apresentando a desvantagem de operar somente com H 2 puro, aumentando em muito os cuidados com a origem do combustível, uma vez que até mesmo pequenas quantidades de CO podem prejudicar permanentemente os catalisadores dos eletrodos. Com a introdução de H 2 pelo lado do anodo, na presença de um catalisador adequado, ocorre a dissociação da molécula em prótons e elétrons. O próton (íon positivo) atravessa a membrana (eletrólito) que separa os eletrodos e chega ao lado do catodo, onde se combina com o oxigênio formando água e produzindo calor. Os elétrons que permanecem no lado do anodo não são conduzidos pelo eletrólito e, fazendo-os circular por uma carga externa, obtém-se uma corrente elétrica contínua, esquema que é mostrado na Figura 6. Figura 6: Esquema geral de funcionamento de uma célula a combustível. (Fonte: BALLARD, 2007) Enquanto a eficiência da PEMFC operando com H 2 e com ar atmosférico é elevada (próxima a 50%), sistemas práticos que utilizam H 2 de reforma e ar pressurizado têm sua eficiência diminuída. Pequenas unidades de 30 kw possuem eficiências em torno de 35 % (incluindo a conversão CC/CA), unidades de 200 kw em torno de 40% e unidades maiores 45%.
8 PEMFC maiores que 1 kw são geralmente pressurizadas para aumentar a reação química nas baixas temperaturas envolvidas. Pressões de ar de 3,0 bar (3x10 5 Pa) ou maiores devem ser usadas para a célula ter uma densidade de potência razoável. Em pequenos sistemas isto resulta em substancial perda de eficiência, pois os compressores de ar também adicionam considerável complexidade ao sistema de célula a combustível. 3. Sistema Proposto Para avaliar experimentalmente as tecnologias apresentadas, propõe-se implementar um sistema híbrido de geração de energia elétrica composto por um subsistema fotovoltaico (5,0 kw) e aerogerador (5,0 kw), fornecendo energia elétrica a um subsistema eletrolisador que por sua vez será acoplado a uma célula a combustível para reconverter o hidrogênio armazenado em energia elétrica. A operação integrada das fontes deve ser gerenciada por um sistema eletrônico de controle que ainda precisa ser desenvolvido, já que o mesmo não se encontra disponível comercialmente. Em paralelo ao subsistema eletrolisador + célula a combustível, propõe-se implementar um banco convencional de baterias, dimensionado para a capacidade de geração da planta, de forma que as vantagens e desvantagens das duas formas de armazenamento energético sejam avaliadas. Com a operação do sistema, espera-se obter parâmetros para a elaboração de procedimentos de operação e controle para otimização da produção de hidrogênio, além de possibilitar o registro de uma série de informações (energia produzida pelas fontes, produção de hidrogênio, eficiência de conversão, etc.) para a análise global do desempenho do sistema. Também poderá ser elaborado um modelo para o dimensionamento de sistemas híbridos otimizados, com base nos parâmetros de insolação e incidência de ventos do local de instalação e dos parâmetros de desempenho prático das máquinas envolvidas. Com os dados de geração de energia obtidos pode-se avaliar também, o efeito potencial de mitigação da emissão de carbono com a substituição da tradicional geração de energia elétrica com óleo diesel em sistemas isolados por sistemas operando com energias renováveis como o proposto neste artigo. 4. Considerações Finais e Principais Dificuldades Esperadas Conhecer as características do fornecimento elétrico de um sistema híbrido formado pelas duas fontes envolvidas é um dos trabalhos iniciais para o dimensionamento do sistema completo, uma vez que será através deste conhecimento que se dará o dimensionamento do sistema de eletrólise a ser acoplado aos geradores utilizados. Os valores característicos deste fornecimento híbrido dependerão fundamentalmente das características técnicas dos geradores utilizados e da disponibilidade dos recursos primários na região em que será instalado o sistema. Com isso, torna-se necessário um estudo teórico prévio destas questões para se projetar o sistema completo. Modelos matemáticos existentes permitem que se obtenha uma boa estimativa da eletricidade gerada em um determinado período de tempo, possibilitando assim se estimar a quantidade de hidrogênio produzida em maiores períodos. Entretanto, estimar os valores instantâneos deste fornecimento já não é uma tarefa tão trivial, ainda mais em se tratando de um sistema hibrido das duas fontes intermitentes. Um esforço neste sentido será fundamental para se dimensionar o sistema de eletrólise. Outra questão importante deste trabalho é buscar projetar e desenvolver um sistema que possa operar de maneira autônoma e com segurança, sendo possível com sua operação a determinação experimental dos principais parâmetros de interesse, resultados que fornecerão informações para uma análise completa da viabilidade do sistema proposto, buscando contribuir para a sua utilização em comunidades isoladas do meio rural.
9 Referências bibliográficas BALLARD, Disponível em Acesso dia 12/04/2006. Bockris, J. O M. and Reddy, A. K. N., Modern electrochemistry. V.2. 2 ed..kluwer Academic, Burger, B., Rüther, R., Inverter sizing of grid-connected photovoltaic systems in the light of local solar resource distribution characteristics and temperature. Solar Energy 80, pg , MME, Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, Eletrobrás, Centro de Pesquisa de Energia Elétrica (CEPEL). Brasil, MSPC, Artigos e informações periodicamente ampliadas ou atualizadas sobre áreas técnicas diversas. Disponível em: Acesso em 07/05/2007. Roberts, S., Solar electricity: a practical guide to designing and installing small photovoltaic systems. Prentice Hall Europe, Silva, E.P da, Apolinário, F.R., Marin Neto, A.J., Estudo da viabilidade técnica de sistemas solarfotovoltaico-hidrogênio, Anais do IX Congresso Brasileiro de Energia, pg , Rio de Janeiro/RJ, Tiba, C. et al, Atlas Solarimétrico do Brasil: Banco de dados terrestres, UFPE, Recife/PE, 2000
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