Universidade Nova de Lisboa - Faculdade de Ciências e Tecnologia. Autor: Tânia Teixeira Orientador: Prof. Dr. Rui Lobo

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1 Universidade Nova de Lisboa - Faculdade de Ciências e Tecnologia Autor: Tânia Teixeira Orientador: Prof. Dr. Rui Lobo Monte da Caparica, 010

2 » Promover o conhecimento do hidrogénio como vector energético.» Evidenciar o hidrogénio como uma solução para a intermitência das energias renováveis.» Avaliar o impacte da variação de temperatura no desempenho do processo de electrólise.» Análise da viabilidade de um sistema de produção de hidrogénio estudado, como fonte única de produção de energia para uma habitação e meio de transporte.

3 3» 53,8% em média de dependência energética na União Europeia (UE).» 16 dos 7 países com níveis de dependência superiores à média.» O melhor classificado é a Dinamarca, a Dinamarca exporta ~37% da energia que produz. 1) Grosso de Consumo de Energia em Milhões de toneladas de equivalente de petróleo (Mtep). Definido como produção primária mais importações, menos exportações. ) Importações líquidas significa importações menos exportações. 3) Importações divididas pelo grosso do consumo.

4 4 % de consumo de Energia produzida por Fontes de Energia Renováveis» UE com uma média de 10,8% de produção de energia por Energias Renováveis a implementar até 00.» Apenas 7 países apresentam valor superior. 006 Meta 00 % Por atingir: Estados Membros EU 1 Reino Unido 1,5 % 15 % 13,5 % Irlanda,9 % 16 % 13,1 % 3 Dinamarca 17, % 30 % 1,8 % 4 França 10,5 % 3 % 1,5 % 5 Holanda,7 % 14 % 11,3 % 6 Espanha 8,7 % 0 % 11,3 % 7 Grécia 7,1 % 18 % 10,9 % EU 9, % 0 % 10,8 % 8 Itália 6,3 % 17 % 10,7 % 9 Letónia 31,4 % 4 % 10,6 % 10 Bélgica,6 % 13 % 10,4 % 11 Chipre,7 % 13 % 10,3 % 1 Alemanha 7,8 % 18 % 10, % 13 Luxemburgo 1 % 11 % 10 % 14 Malta 0 % 10 % 10 % 15 Portugal 1,5 % 31 % 9,5 % 16 Eslovénia 15,5 % 5 % 9,5 % 17 Finlândia 8,9 % 38 % 9,1 % 18 Áustria 5,1 % 34 % 8,9 % 19 Lituânia 14,6 % 3 % 8,4 % 0 Estónia 16,6 % 5 % 8,4 % 1 Hungria 5,1 % 13 % 7,9 % Suécia 41,3 % 49 % 7,7 % 3 Polónia 7,5 % 15 % 7,5 % 4 Eslováquia 6,8 % 14 % 7, % 5 Bulgária 8,9 % 16 % 7,1 % 6 Roménia 17 % 4 % 7 % 7 República Checa 6,5 % 13 % 6,5 %

5 5 0% das emissões de gases com efeito de estufa Estratégia dos (até 010) 0% da energia produzida por Energias Renováveis 10% de biocombustíveis nos transportes eficiência energética em 0%» Criado o Pacto dos Autarcas que pretende reduzir, até 00, em 0% as emissões de gases com efeito de estufa (GEE) produzidos pelos municípios signatários.» Portugal 9 autarquias: Almada, Aveiro, Cascais, Ferreira do Alentejo, Guarda, Lisboa, Moura, Porto, Vila Nova de Gaia

6 6» Ratificado pela EU desde 00, impõe a redução em 5% das emissões de gases com efeito de estufa.

7 7 EU 008 Estado Membro Potência instalada(mw) 1 Alemanha 3903 Espanha Itália França Reino Unido Dinamarca Portugal 86 8 Holanda 5 9 Suécia Irelanda Austria Grécia Polónia Bélgica Bulgária Rep. Checa Finlândia Hungria Estónia 78 0 Lituânia 54 1 Luxemburgo 35 Letónia 7 3 Roménia 10 4 Eslováquia 3 5 Chipre 0 6 Malta 0 7 Eslovénia 0 Portugal» Portugal é o 7º país da EU com maior potência instalada de Energia Eólica.» Registou um aumento exponencial da potência instalada no período de 10 anos.

8 8 Solar Térmica , Solar Térmica PV 010: 0TWh PV, TWh ST. 00: 180TWh PV, 43TWh ST. 010: 1,8 Mtep 00: 1Mtep Energia de 00 aquecimento PV-fotovoltaica, ST-solar térmica, Wh- energia em watts numa hora, Mtep-milhões de toneladas de equivalente de petróleo

9 9» O Hidrogénio apresenta um Poder Calorífico Superior e Inferior muito superior aos combustíveis utilizados normalmente.

10 10» O processo é definido pela equação: H O (l) H + (aq) + OH - (aq) ΔH=+86 kj/mol No cátodo: H + + e - H No ânodo: OH - H O + e - + ½ O

11 11

12 1» Caracterização do Sistema» Caracterização do Vento Aerogerador (kw) Estação Meteorológica Sistema eléctrico de Conversão DeTransfer a - rectificador (WEL-K); b - inversor (WKWGTI).

13 13 y 0,7911 e 0,63x» Para valores entre,70 e 7,40 m/s Intensidade de Corrente Eléctrica entre 0,40 e 5,96A.» Ao valor médio de velocidade do vento de 4,53 m/s I =,60A, < I médio (3,0A).

14 7, ,66 Electrolizador Electrolizador Tina Tina e tubo de ensaio graduado Fonte de Alimentação Fonte de alimentação ADVANCE. PP33 (erro de ± 0,05 A) Termopar para verificar a temperatura da água, com um erro de ± 1ºC.

15 15 Por exemplo, para 60 segundos de electrólise a 5ºC e com uma corrente de 0,5A Nº de electrões: I 0,5A 0,5 Coulombs / seg Q 0, C Q 19 15C 19 9, ,3610 electrões n mol e 19 qe 1,60110 C e 1, ,0510 C Nº de moles: H + (aq) + e - H (g) moles de H + e electrões obtém-se 1 mol de H,uma razão de :1 e 1 mol de H 4 1,5510 n mol de H n mol de H 1,5510 e 4 1 mol de H 7, mol de H Volume de H (P = 1 atm, T = 5 C): 5 nrt 7,8 10 0,08 98, V V 1,9 10 dm 1, 9 P 1 ml

16 Volume de H (ml) 16» Teórica vs Experimental: Produção H (ml) Corr.Eléctrica(A) Teórica Prática 0,15 1,0 1, 0,5 1,9,3 0,375,9 3,1 0,5 3,8 4,4 0,65 4,8 9 5,5 0,75 5,7 8 6,5 0,875 6,7 7,5 1 7,6 7 8,5 6 Teórica Prática , 0,4 0,6 0,8 1 1, Intensidade de Corrente Eléctrica (A)

17 17 Demanda de AQ: V cons. diário ,059 0,159 1,7 m Transferência de Calor: Q m C p T m: massa do corpo (kg); Cp : Calor específico da substância (J /kg C); ΔT: variação de temperatura ( C). Temperatura Chapa de Cobre : m chapa_ cobre Cp chapa_ cobre ( Ti Tf ) chapa_ cobre m água_ elec Cp água_ elec ( Tf Ti) água_ elec 0,18940 ( Ti chapa_ cobre 65) 0, (65 5) Ti chapa_ cobre 68,4º C Temperatura Água do Depósito: m água_ deposito Cp água_ deposito ( Ti Tf ) água_ deposito m chapa_ cobre Cp chapa_ cobre ( Tf Ti) chapa_ cobre 1, ( Ti 68,4) 0,18940 (68,4 5) Ti água_ deposito 68,9º C

18 18 Consumo de AQ: T T Vmês banho amb Lmês Cp kwh / mês Tbanho Tamb Ldiário Vdiário Cp kwh / dia 3600 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 ,9 5 L diário 110 1,7 10 4,18 0,0886 kwh/ dia 3600 Produção de energia no colector solar: q 1000 F' 0 F' U L T f T amb F 0 : 0,75 0,80 F 0 = 0,775 F U L : 7,0 9,0 (W/ C.m ) F U L médio = 8,0 (W/ C.m ) 68,9 5 99,006 W / q 3513,04 0,775 8,0 m

19 30 7,5 1,5cm 7,00 19 Área Colectora produção Demanda Energética kwh) Específica de Energia Colector Solar ( kwh/ m ) Área Colectora 0,886,99 0,038533m 385,33 cm Depósito de Água 15,9cm X 11,8cm 1,5cm 5,66 Área colectora final =85 cm Electrolizador Colector Solar 0,1cm 1,88 7,5

20 0» Teórica Corr.Eléct. Produção H (ml) (A) 5ºC 30C 35C 40C 45C 50C 55C 57 C 60C 6 C 65C 0,5 1,90 1,93 1,97,00,03,06,09,11,1,14,16 0,5 3,80 3,87 3,93 3,99 4,06 4,1 4,19 4,1 4,5 4,8 4,31 0,75 5,71 5,80 5,90 5,99 6,09 6,18 6,8 6,3 6,37 6,41 6,47 1 7,61 7,73 7,86 7,99 8,1 8,4 8,37 8,4 8,50 8,55 8,63» Experimental Corr.Eléc. Produção H (ml) (A) 5 C 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C 55 C 57 C 60 C 6 C 65 C 0,5,3,3,3,3,3,3,4,4,4,4,4 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

21 1» Família de 4 elementos: Demanda de AQ: 65 l/pessoa x 4 x 7 dias = 180 litros 17 l/ciclo lavagem = 17 *( máq. Loiça + 6 máq. roupa) = 10 litros 1,7 l litros V 3 cons. diário,14 dm 0, m ,95 L diário 110 0,553 4,18 31,49 kwh/ dia Produção de energia no colector solar 68,9 5 99,006 W / q 3513,04 0,775 8,0 m Área do colector solar Área Colectora 31,49,99 13,697 m 14 m

22 » Pressupostos:» Deslocações anuais: 5.000km» Gasóleo: 1,07 /l ; 4,5 litros por 100km 4,8 em 100km.» Hidrogénio: 9g/km» Hidrogénio: Consumo anual de hidrogénio: 50g/ano Densidade de H: 0,085kg/dm3 4 Consumo diário de hidrogénio: 7,510 ml Sistema apresenta um custo de ~901,5 /ano Veículo H : ~3,605 /100 km Custos de utilização para 0 anos Componente Tempo de vida útil Capacidade Preço Quantid. Preço total Aerogerador 0 kw 800 /kw a 3.00 Colector Solar 0-75 /m b Electrolisador 0 kw 000 /kw a Compressor x1 0,05 kw 5000 /kw a 1 x50 Armazenamento 0 0,55 m /m 3 a Total (valores usados) Electrólise (65ºC ; 3,0A) pode atingir uma 4 produção de ~ 3,7410 ml/dia. Emissões de CO : de 140g/km a 0, redução de 14 kg/100km, 3.500kg/ano

23 3» Pressupostos:» Consumo médio anual de energia eléctrica de 3800kWh, custo médio anual de 400» Ao consumo médio anual de 3800kWh corresponde um consumo médio de 10,41kWh/dia.» En. Eléctrica: ~0,105 /kwh» PEM rendimento: 0,5l/kWh» Prod. Média de H (65 C; 3ª): ~ 4 3,7410 ml/dia» Prod. diária: 18,5kWh» Custo Sistema : 1.11,5 /ano» En. Eléctrica (H ): ~0,16 /kwh Custos de utilização para 0 anos Componente Tempo de vida útil Capacidade Preço Quantid. Preço total Aerogerador 0 kw 800 /kw Colector Solar 0-75 /m Electrolisador 0 kw 000 /kw Compressor x1 0,05 kw 5000 /kw 1 x50 Armazenamento 0 0,55 m /m Célula de x10 kw 500 /kw Combustível Total Emissões CO: 354,36g/kWh ano, 0,04g/kW 18,5kWh menos 0,74g/dia, 6.555g/ano Energia Excedente (8,09kWh/dia): vendida à rede a 0,65 /kwh nos primeiros 5 anos, e a 0,503 /kwh do 6 ano até ao 15 ano - DL363/007.

24 4 Custos de utilização para 0 anos Componente Tempo de vida útil Capacidade Preço Quantid. Preço total Aerogerador 0 kw 800 /kw Colector Solar 0-75 /m Electrolisador 0 kw 000 /kw Compressor x1 0,05 kw 5000 /kw 1 x50 Armazenamento 0 0,55 m /m Célula de x10 kw 500 /kw Combustível Total » Custo: 1681 /ano, > custo total de 1301,5 /ano. (901,5 /ano de um veículo movido a gasóleo de consumo de energia eléctrica da rede)» Emissões CO : Menos de 3.500kg/ano (carro movido a hidrogénio) g/ano (habitação cuja demanda de energia eléctrica tem resposta totalmente em energias renováveis)

25 5» Existe uma melhoria na produção de hidrogénio do processo de electrólise termicamente assistido face ao processo à temperatura ambiente, devido à redução da perda de energia eléctrica utilizada no processo.» O sistema considerado inicialmente para este projecto não é suficiente para os consumos energéticos de uma família, tanto em transporte como doméstico, sendo como tal necessário alterar o sistema de forma a aumentar a sua produção.» A produção de hidrogénio totalmente por fontes de energia renováveis apresenta vantagens a nível económico, pela redução dos custos em deslocação, através dum veículo ligeiro, e no consumo energético na habitação.» A intermitência da energia eólica e solar pode ser colmatada com o armazenamento do hidrogénio, nos períodos de menor (ou nulo) consumo de energia.» O sistema permite uma redução das emissões de CO, evitando o agravamento de problemas ambientais, como o aquecimento global.» A implementação de sistemas como este, alimentados somente por fontes de energia renovável, permitirão a Portugal e à União Europeia atingirem as metas estabelecidas para 00.

26 6» Ao Professor Dr. Rui F. dos Reis Marmont Lobo, da UNL-FCT, pela orientação do presente trabalho.» 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.