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1 ! " # $! #%!&'(' & )*, -. / (1-43 5, -(6 1 (8 -(93 -(, -:45, -( <( 5)8 5, (1 -!)9 /, 1 6-6?>A@1 9 B -?* 5C/ 9 D 9 -(* 5 C(> E D * F G5 95 >AH!5 5 * 5I!1 *, 1 E D 1 <( JK(L!K(C-(8 B -?MN!K OK.@(3 G M PK OK(P-(,, 5 Q!8 1 G5, * 1 -( 5P5 5, -(9 5R-(8 -ST-(, 1 (?, -?> - 5@U(* V :4, -( D -( <(5 >A)8 (5 8 B -?, 1 -!)9 /, C-(> 3 D * C-(> (E 1 W?C)@YX(Z[ \(].V X(\(\(WR-.8 -ST-(, 1 -(W(HR?W.^, -(* [email protected] Palavras-chave - célula e combustível cogeração curvas típicas e carga geração istribuía horário e ponta. _` a b cfe Este trabalho apresenta propostas para eterminar os parâmetros ótimos as pilhas e células e combustível e baixa temperatura (PEMFC) a serem instalaas na ree e istribuição para o gerenciamento a curva e carga e consumiores resienciais, comerciais ou inustriais com especial interesse no uso conjunto e energia elétrica e térmica. A partir a seleção os possíveis locais para a instalação as pilhas, é feito o levantamento as curvas e carga os transformaores e istribuição com base em informações operacionais tais como curvas típicas e carga e consumo mensal e energia para caa grupo e consumiores. As curvas e carga, assim eterminaas, são utilizaas nos algoritmos para eterminação o tamanho as pilhas em caa caso específico. g h i jklm nop q m Os sistemas e istribuição rurais ou urbanos no Brasil são projetaos, em sua quase totaliae, sem levar em conta a possibiliae e geração própria e energia pelo consumior. A introução e fontes istribuías e geração, armazenamento e injeção e energia na ree e istribuição poe implicar em significativo impacto no fluxo e potência, consumo e energia, peras, níveis e tensão nas rees e méia e baixa tensão e confiabiliae o suprimento e energia. Nos últimos anos, uma série e fontes e geração e armazenamento e energia tem-se apresentao como proposta viável para o gerenciamento e energia as concessionárias e consumiores. Tais sistemas poem representar uma boa opção para o ilema entre atener o aumento a emana e moo satisfatório e respeitar as restrições ambientais impostas. Em particular, as células e combustível (FCs) poem operar como parte e um sistema e cogeração em virtue e suas altas eficiências. Por outro lao, como um sistema istribuío e armazenamento e geração e energia, as FCs poem contribuir para a reução os picos e emana e aumento o fator e carga as instalações. A maioria as concessionárias apresenta emana muito menor na marugaa o que urante o ia e início a noite. Com isto, é possível obter uma significativa reução nos custos com energia a partir a utilização e sistemas e geração e armazenamento e energia conforme apresenta este artigo. A proposta este trabalho é iscutir o uso e células e combustível para o gerenciamento e carga as concessionárias istribuioras e energia. A FC converte o hirogênio puro, ou um combustível rico em hirogênio, em eletriciae e calor através e uma reação eletroquímica. Seu princípio e operação é bastante simples, porém, uma série e fatores, como temperatura, umiae, pressão e concentração os reagentes (oxigênio e hirogênio) têm grane influência na tensão e saía e, conseqüentemente, no renimento a FC, conforme apresenta [1]. Pelo lao a fonte e combustível para a FC, o hirogênio poe ser obtio e iversas maneiras, entre elas a eletrólise que, como sub-prouto, fornece também oxigênio com grane grau e pureza. O renimento o processo e eletrólise é alto (>%) e, epeneno a tarifa em vigor, o custo o hirogênio prouzio fora o horário e ponta poe torná-lo viável. Mesmo que as eficiências elétricas não sejam muito altas, o aequao aproveitamento o rejeito térmico a FC poe colaborar para a viabiliae o projeto. Sistemas e armazenamento e geração istribuía e energia poem ser instalaos nas epenências os consumiores. Contuo, há uma série e critérios para o projeto e operação aequaos epeneno o tipo e benefício que poe ser gerao. Tais sistemas poem aumentar o fator e carga, reuzir peras em transmissão e istribuição, melhorar a confiabiliae, controlar os níveis e tensão, reuzir os custos com a energia, etc. Quano um consumior ecie instalar um sistema este porte, em geral, a economia é o fator mais importante. É ifícil encontrar alguma instalação resiencial, comercial ou inustrial que não tenha associao o consumo e energia elétrica e térmica. Portanto, a vantagem econômica este sistema poe avir o efetivo uso a cogeração aliaa às estratégias e reução os picos e emana. Em geral, o alto custo os sistemas com FC são o principal obstáculo para a ampliação o uso esta tecnologia. Por outro lao, as companhias istribuioras e energia têm interesse na reução as peras, aumento a estabiliae e confiabiliae os sistemas, melhorias no controle e tensão e reução os picos e emana. Por estas razões, é importante que a concessionária conheça tanto o nível aequao e potência quanto o

2 @ f " e D C * B * B / c e L K 5 J b / U e Y X W ] melhor local para instalação a pilha na ree e istribuição. Outro fator a ser levao em conta além a alta eficiência energética as FC é o fato e sua operação não colaborar para o aumento as emissões e gases poluentes. Como se poe verificar, tanto os consumiores como as concessionárias e o governo têm interesses iênticos no uso e sistemas istribuíos e energia utilizano FC. A solução para incentivar o uso estes sistemas poe estar na união e toas as partes interessaas. A curva e carga geral e uma companhia istribuiora e energia é composta pelas curvas iniviuais e emana e caa uniae consumiora. Desta forma, a reução os picos e emana e granes consumiores implica em uma grane contribuição para a reução os picos e emana as concessionárias. Por outro lao, muitos consumiores resienciais, consieraos iniviualmente como pequenas cargas poem, a mesma forma, contribuir significativamente para a reução os picos e emana, por exemplo, através a eliminação os chuveiros elétricos que são um grane problema no Brasil. Este artigo apresenta algoritmos para estimar o tamanho ótimo e sistemas com FCs. Primeiro, a equipe e planejamento e operação a concessionária eve apontar as possíveis localizações os transformaores e istribuição (TD) para a instalação as FCs com o ponto e vista e segurança e uso simultâneo e energia elétrica e térmica. Para os transformaores selecionaos, é necessário o levantamento as curvas e carga a partir e informações operacionais tais como curvas típicas e carga e consumo mensal e energia para caa grupo e consumiores. As curvas e carga, assim eterminaas, servirão para a eterminação o tamanho a pilha a ser utilizaa em caa caso. Por fim, o local ótimo para a instalação a pilha, entre toos os possíveis transformaores e istribuição, é eterminao consierano uma série e características operacionais, tais como: peras e energia, confiabiliae, manutenção os níveis e tensão e investimentos. A pilha assim esignaa tem conições e operar com potência constante ou variável urante o horário e ponta ou quaisquer outros horários eterminaos pela concessionária. Para caa situação, um métoo específico eve ser utilizao. A potência a pilha poe ser eterminaa a partir e algoritmos elaboraos para tornar a curva e carga o mais plana possível, sob certas restrições. Esta premissa parte a iéia e que os sistemas e geração istribuía utilizano FCs poem ser uma alternativa atrativa no futuro próximo, embora a introução e tais sistemas na ree e istribuição eva ocorrer e forma graativa, em virtue os altos investimentos envolvios. Uma única pilha instalaa não representa alteração significativa na ree e istribuição, porém uma série e pilhas istribuías no sistema implica em uma influência significativa nos níveis e tensão, peras e confiabiliae as concessionárias. Assim, a iéia e se tornar o mais plana possível a curva e carga os consumiores, sob eterminaas restrições, facilita o gerenciamento a carga os alimentaores, que passam a contar com a reução progressiva e seus picos e emana a partir a instalação as FCs. As seções seguintes iscutem alguns os proceimentos aotaos para caa caso.. ESTIMATIVA DAS CURVAS DE CARGA DOS TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO Vários algoritmos poem ser utilizaos para a construção a curva e carga e transformaores e istribuição. A escolha epene a istribuiora e energia e, principalmente, e como os aos são elaboraos no processo e construção as curvas típicas e carga para ias úteis, sábaos e omingos. Neste trabalho, é utilizao um algoritmo que leva em conta a forma específica e elaboração os aos no processo e construção as curvas típicas e carga e caa grupo e consumiores ligaos a um transformaor e istribuição. Amitino: : consumo geral e energia em ias : consumo geral os consumiores os grupos 1,,...k número e ias úteis N s : número e sábaos N : número e omingos para os quais foram efinios os consumos mensais e energia. Logo: O algoritmo apresentao a seguir para a construção a curva e carga os transformaores, baseia-se no consumo mensal e energia e permite levar em conta as iferenças existentes no consumo e ias úteis e finais e semana. Para isto, as curvas típicas e carga para ias úteis, sábaos e omingos e caa grupo ( ) e consumiores típicos evem ser normalizaas em relação à carga máxima entre os ias úteis ( ). Poe-se consierar como carga elétrica, tanto a corrente ( ) como a potência ativa ( ) corresponente. Assim: : < '>?! # $ ) # $ %'& ( A, ' '3 4 No passo seguinte, etermina-se a emana méia para caa curva e carga normalizaa: E M Z F G D N O L [ \ Y one: 1 E H G I 1 P Q R S'T Q 1 V n número e orenaas a curva e carga consieraa A seguir é eterminaa a seguinte característica: ^ ^ ^ ^ _ c _ `'a ] b _ `'a ] ] _ `'a ] A partir aí, efine-se o valor a carga máxima para o ia útil e um grupo e k tipos e consumiores:

3 * #, ( ' #, % ' # para k,..,k Estes aos são suficientes para a construção, passo a passo, as curvas e carga para caa tipo e consumior:! "! t,...,n k,...,k e a curva e carga completa o transformaor e istribuição: ' $)* $ ' $)( $ ' $&% $ ' t,, n. -./ :4588<?>@BA4??A91C9DBECF85GB5IH >J< K95IHL91MKCBABBK95B/N5DBH 591MKCOC:CD9:68HP91 K958/RQ4DBH 36S TB1C: utilização as mesmas e a forma como o H é obtio. A Figura 1 apresenta os prováveis caminhos a serem seguios quano o imensionamento e uma pilha e FC. As linhas escuras representam o caminho aborao neste artigo, para eteminar os parâmetros o sistema e gertação e armazenamento e energia. Ou seja, consierase a possibiliae a proução local, a partir a eletrólise. As alterações na curva e carga ocorrem, portanto, não só urante o períoo e funcionamento a FC mas também nos horários e emana reuzia, quano a energia a ree é utilizaa para a proução e hirogênio eletrolítico. Os algoritmos apresentao neste trabalho aplicam-se a esta possibiliae e uso as pilhas. Os outros caminhos evem ser investigaos com maior etalhe, levano em conta restrições técnicas e econômicas para o estabelecimento os parâmetros as pilhas Em geral, as FCs poem operar com potência constante ou variável urante o períoo eterminao, teno, para caa situação, uma metoologia específica aser utilizaa. Diferentes possibiliaes poem ser utilizaas para o imencionamento as pilhas, epeneno a forma e Objetivo Primário Geração e Energia Elétrica Geração e Energia Térmica Auto-proução Compra Compra Auto-proução Eletrólise Reforma Reforma Eletrólise Sem Armaz. Sem Armaz. e E. E. e E. E. e E. E. e E. E. C/ R. C/ R. S/ R. C/ R. S/ R. C/ R. S/ R. C/ R. S/ R. C/ R. S/ R. C/ R. S/ R. C/ R. p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper p/ t oper nœ n n n : energia térmica : energia elétrica Ž : com restrições Ž J f sem restrições : tempo e operação. U V W X Y ZJ[ \6] Y ^ _ Y ` a ` a ` b V c ` c e Z Y Z@a ` f ` Y g6v h Z i j _Ja _ c e Z Y k gc` f Y _ c a Z@e Vlm Z n o p qsr6t u v u wsx yzr6{ I} v ~ y ur ƒ6y w x {s { ˆ C{ Š w r6{ ~ w y As estratégias aqui apresentaas permitem a escolha a potência a célula e combustível e forma a tornar a curva e carga o mais plana possível, sob eterminaas

4 / 3 p r qp j p jo restrições. A potência a FC poe ser eterminaa conforme as consierações apresentaas a seguir. 1) Quantiae e Energia Térmica Necessária: a energia térmica total prouzia por uma FC e potência P FC (kw), operano urante nh FC horas poe ser calculaa a partir e [3]. Seguno [], parte esta energia é peria na passagem o ar e resfriamento pelo interior a FC e outra parcela ve-se às peras e calor que ocorrem entre a superfície a pilha e o ambiente. Assim, a quantiae e calor retiraa pela água e resfriamento e que poe ser efetivamente utilizaa para fins sanitários poe ser calculaa pela Equação A quantiae e calor removia pelo ar em uma FC com cerca e 45% e eficiência fica em torno e % e P total, e as peras para o ambiente em torno e 18% e P total conforme []. O uso iniscriminao o chuveiro elétrico no períoo as 18: às 1: horas, contribui e forma ecisiva para a grane emana verificaa no horário e ponta brasileiro. Manteno-se uma célula e combustível operano neste períoo é possível utilizar o calor liberao para o aquecimento e água cujo volume requer uma elevação e temperatura, ou seja, um aumento e energia. Para fins omésticos, essa quantiae e energia relaciona-se aos hábitos particulares e caa um os ocupantes a resiência. De acoro com [3], energia necessária para aquecer uma quantia qualquer e água é calculaa pela Equação. () one c é o calor específico a água ( kwh/kg o C) m é a quantiae e água, em λ t é a iferença entre a temperatura final a água e a temperatura inicial. A partir as Equações 1, e sabeno que Q ar e Q outras poem ser calculaas como uma fração e P total, chega-se à Equação 3 que fornece a potência que uma célula e combustível eve ter para aquecer uma quantia qualquer e água urante 4 nh FC horas. / 1 (' $%&'(), - (kw) (3) 148! ". -, * #! " # Para uma análise completa esta metoologia, eve-se avaliar melhor os vários tipos e consumiores que poerão se beneficiar efetivamente com o calor gerao pela FC. No caso específico e um conomínio, um projeto aequao aproveitano o calor liberao por coletores solares e pela FC poerá fornecer água para o banho em toos os apartamentos. Como resultao, a curva e carga será moificaa conforme a Figura que representa a eliminação parcial o pico na ponta. Este caso leva em conta o imensionamento a FC e acoro com a necessiae e (1) água quente para a instalação. Uma parcela a reução o pico e emana eve-se à utilização a FC e outra parcela à não utilização os chuveiros elétricos neste períoo. Š ˆ ƒ }~ :HDCJK: ) Curva e Carga Uniforme: este outro métoo permite a escolha a potência a célula e combustível sob a ótica e tornar a curva e carga o mais plana possível. Aqui, o maior interesse o consumior está ligao à iminuição a emana própria no horário e ponta (e, como conseqüência, à iminuição o custo a energia consumia). Para as concessionárias, além a reução na emana máxima, há a possibiliae e aumentar-se a eficiência as rees e istribuição, por exemplo, por conta a iminuição e peras e energia. Q PRQ A uniformiae a curva e carga poe ser estimaa através o seguinte coeficiente: S LO TU VEW X one é o coeficiente que representa a forma a curva e carga é [\ a méia quarática as potências ^ Z ] Z 1 instantâneas: P mé é a potência méia: abce _ f ` ` 1 n é o número e orenaas consieraas. ] Y Curva original Curva moificaa Curva sem os chuveiros elétricos gh gh O fator é sempre maior ou igual a 1. Quano, a curva e carga apresenta uma forma plana. Para o caso a utilização e células e combustível, tem-se: mn i j k l 1 one shtuv é a potência a célula e combustível no instante e tempo t. O objetivo, para este caso, é eterminar shtuv para minimizar a função wyxzghh{e, com o intuito e eterminar a potência a célula e combustível que torne a curva e carga o mais plana possível. Da mesma forma, é possível eterminar a potência o eletrolisaor para a proução e hirogênio fora a ponta e o número e horas e funcionamento o mesmo a fim e obter um fator k f o mais próximo e 1. LMN

5 L L " K M I K J I! h t z n i h n g v t z s u q h n g f t z s Utilizano a ensiae o hirogênio que é.84 kg/m 3 (NTP) [4] e, e acoro com [5], a quantia, em Nm 3, necessária para uma célula e combustível gerar qualquer quantia e energia é eterminaa pela Equação (Nm 3 ) (4) one P FC é a potência nominal a FC nh FC é o número e horas e operação na ponta. De acoro com [3], para um eletrolisaor com eficiência equivalente a η ele, a potência necessária para a proução e qualquer quantia e hirogênio, incluino as peras na geração e energia pela FC e na proução o H por eletrólise é aa pela Equação (5) η one η é a eficiência o eletrolisaor P Et é a potência o eletrolisaor no instante e tempo t P FCt é a potência a FC no mesmo instante t nh E é o número e horas e funcionamento o eletrolisaor. Assim, P mq passa a ser calculaa pela Equação 6. 1 De um moo geral, iversos regimes e operação poem ser usaos nos estágios e armazenamento e geração e energia. O processo e eletrólise poe ocorrer urante as 1 horas fora o horário e ponta ou urante um períoo e tempo menor, e acoro com as necessiaes a concessionária ou consumior. # $ %'&)( * *,.- /&) / *:9 )/ <, - 1.> 6 B > C, D, < C E 8 / * A metoologia anterior estabelece que a FC irá operar com potência constante. O processo e eletrólise poe ocorrer urante as 1 horas fora o horário e ponta ou urante períoos e tempo menores, e acoro com as necessiaes a istribuiora e energia ou os consumiores. Aqui, o objetivo é o mesmo - tornar a curva e carga o mais plana possível. Neste caso, a FC e o eletrolisaor irão operar com potência variável. Para tornar a curva e carga praticamente plana, o fator k f eve ser minimizao (k f min). Como já foi mencionao, evio às peras no processo e eletrólise, naturalmente, irá ocorrer um aumento no consumo iário e energia. Contuo, o consumo não eve aumentar e maneira significativa evio à possibiliae e eliminação o chuveiro elétrico através o reaproveitamento a energia térmica liberaa. (6) Um ínice para inicar a alteração o consumo poe ser efinio como FHG, one FON P Q é o consumo inicial, e FON RQ representa o consumo após a instalação a FC. Neste caso, a alteração no consumo, representaa pelo ínice F, eve, a mesma forma, ser minimizaa (F min). Aqui, tem-se um problema típico e otimização bicriterial. Uma vez que ambos os critérios têm praticamente a mesma imensão, poe-se utilizar uma característica integral aproximaa, criaa como o prouto e ois critérios particulares: ψ GTS U F. Desta forma, o problema inicial foi transformao em um problema e um único critério: ψ min. O algoritmo usao inclui os seguintes passos: 1) partino a curva original, calcular S V N P ), FON P Q e ψn P ) que são os fatores a curva original ) escolher o incremento W a capaciae a FC 3) o imensionamento o eletrolisaor, W X Y é calculao pela equação (5) 4) W é subtraío a maior emana e potência (Z\[ ] ^ ) e W X é aicionao a menor emana N Z\[ _` ) 5) efinir, em caa iteração, as novas orenaas máximas (Z\[ ] ^ ) e mínima (Z\[ _` ) 6) os novos valores S V N RQ, FON RQ e ψ N RQ são calculaos para a nova curva e carga ) se ψn RQ iminuir, voltar para o passo 3 o processo continua até que ψn RQ comece a aumentar 8) os aos obtios nesta última iteração vão compor a curva e carga final e poem eterminar os parâmetros: a potência a FC, (Zba c ) e o eletrolisaor (ZX ): o p jlk m e 1, wlx y q r { 1, t,..., n } ~O OƒA \ l l 4 Para avaliar a metoologia proposta, foram realizaos cálculos para curvas e carga istintas. Em toos os casos, as potências a pilha e o eletrolisaor foram calculaas consierano operação com potência constante (P. C.) e variável (P. V.) ao longo e períoos préestabelecios para caa curva. As curvas e carga são apresentaas nas Figuras 3, 4, 5 e 6 e os parâmetros assim calculaos são apresentaos na Tabela 1. «ª Ÿ Daos Originais Daos Alteraos ˆ Š Œ Ž ) Œ b b Œ Š \ )ˆ š œ ž

6 Os resultaos foram obtios consierano que as pilhas, com V c,6 e η 45%, operam urante 3 horas. A operação o eletrolisaor, com η 8% e V Ele,85 V, ocorre urante horas. )( '& % # $#"! ˆ Š Œ ) Œ b b Œ Š )ˆ š œ Œ / ˆ Š Œ ) Œ b b Œ Š Ž )ˆ š œ ž GF ED C A BA@ >? ˆ Š Œ ) Œ b b Œ Š )ˆ š œ Œ Consumo original b ž ž Œ à ž Curva 1 Curva 949,9 kwh/ia 633,8 kwh/ia k f original 1,6 1,49 Parâmetros P. C. P. V. P. C. P. V. Cons.iário (kwh) Daos Originais Daos Alteraos Daos originais Daos alteraos *, -. Daos originais Daos alteraos : < 114,35 18,95 883,13 6,4 P FC (kw) 1,5 48,81,63 39,1 } ƒa l A célula e combustível mostra-se como uma perspectiva inovaora para geração e energia no horário e ponta. Porém, novos algoritmos e operação evem ser estabelecios para que se tenha o máximo proveito esta geração. Os algoritmos apresentaos neste trabalho permitem a eterminação os parâmetros e sistemas e geração e armazenamento e energia com base em objetivos efinios pela companhia e energia ou pelo consumior e e acoro com o tipo e gerenciamento e carga escolhio. Como o sistema proposto é altamente epenente a eficiência a FC e o eletrolisaor, é funamental ispor-se e um rigoroso controle e monitoramento e too processo para a manutenção o renimento entro e níveis aceitáveis. A localização ótima o sistema epenerá e uma análise multicriterial que everá levar em conta características tais como a manutenção os níveis e tensão, reução e peras, confiabiliae e custos, aliaos à experiência e especialistas, para a correta tomaa e ecisão. ~ l O l ) 4 Os autores são muito gratos a CAPES, ao CNPq e a FAPERGS por seu apoio financeiro. Da mesma forma, um agraecimento especial às empresas AES Sul Distribuiora e Energia e Avance Machines Co. (AMC) bem como à Universiae Feeral e Santa Maria por permitirem o esenvolvimento os testes práticos em seus laboratórios. } ƒ ~ [1] CORRÊA, J. M. FARRET, F. A. an CANHA, L N. Evaluation of the Dynamic Characteristics of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Generation Systems 6 o Brazilian Congress on Power Electronics, Vol., Nov/1, pp [] Laurencelle, F. Chahine, R. Hamelin, J. Agbossou, K. Furnier, M. Bose, T. K. Laperrière, A. Characterization of a Ballar MK5-E Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack Fuel cells 1, 1, No. 1, pp [3] CANHA, L. N. POPOV, V. FARRET, F. A., Determination of the Optimal Parameters of Fuel Cells for Loa Curve Management V INDUSCON, Jul/, paper coe. [4] LARMINIE, J. an DICKS, A., "Fuel Cell Systems Explaine", John Wiley an Sons Publishers, Chichester, Englan,, 38p. [5] SILVA, E. P. Introução à Tecnologia e Economia o Hirogênio Unicamp Publisher, 1991, 4p. P Ele (kw) 9,85 5,3 48,8 31,4 k f (alterao) 1,39 1,3 1,114 1,591 E. T. Útil (kwh) 9,5 8,3 4,3 46,85 Alteração total no consumo 16,6% 8,3% 39,45%,8%