Hidrogénio - Células de Combustível

Transcrição

1 Hidrogénio - Células de Combustível Aníbal Traça de Almeida ISR Universidade de Coimbra Dep. Engenharia Electrotécnica 3030 Coimbra, Portugal [email protected]

2 A economia do hidrogénio É uma perspectiva aliciante : - é potencialmente um portador de energia abundante, limpo, seguro e flexível. Questões Fundamentais... -NÃO é uma fonte de energia, mas um portador de energia - Não dispõe ainda de uma rede integrada - Ainda não é competitivo em termos de custos, desempenho ou de fiabilidade face aos combústíveis fósseis - As avaliações mais optimistas situam a economia do hidrogénio a décadas de distância

3 Sistemas Energéticos Baseados no Hidrogénio Centrais de Produção de Hidrogénio H 2 Líquido H 2 Gasoso Propulsão Aeroespacial Motores de CI Células de Combustível Transportes Células de Combustível Energia Eléctrica E Térmica

4 Questões Chave na Utilização do Hidrogénio Produção: Fonte de Energia Utilizada Produção Local vs. Remota Impacto Ambiental Armazenamento, Transporte e Manuseamento: Armazenamento Gasoso, Líquido, e em Solidos Transporte via condutas, Comboios, Camiões Questões de Segurança na Produção, Armazenamento e Transporte -Normas e Códigos Competitividade Económica

5 Tecnologias de Produção Separação com Vapor(SMR) Oxidação Parcial(POX) Gasificação de Carvão Gasificação de Biomassa Electrólise Elect. Convencional (Carvão, Nuclear) Energia Eólica SolarFotovoltaica Elect. Solar Térmica Ciclos Termoquímicos Solar Térmica Nuclear Produção Biológica

6 Hidrogénio derivado do Gás Natural Oxidação Parcial Metano CH 4 (Ar-) Oxigénio O 2 Dióxido de Carbono CO 2 Hidrogénio H 2 Separação com Vapor Metano CH 4 Água H 2 O Dióxido de Carbono CO 2 Hidrogénio H 2

7 Hidrogénio a partir da Biomassa O processo de gasificação/pirólise pode ser usado para gerar hidrogénio. -A biomassa tem de ser sujeita a um processode alta temperatura e pressão. - A decomposição e oxidação parcial da biomassa produz uma mistura de gases rica em hidrogénio

8 Hidrogénio Termoquímico mico Usa uma série de reacções químicas para produzir o hidrogénio final High Temperature Heat Water Chemical Cycle Low Temperature Heat Hydrogen Oxygen

9 Energia Térmica Solar

10 Hidrogénio Biológico Dois principais organismos produtores de hidrogénio: -algas e bactérias utilizam enzimas para gerar hidrogénio em condições anaeróbicas

11 Electrólise lise Electrólise através de Electricidade Convencional Electrólise através de Energias Renováveis Energia Eólica Fotovoltaicas Solar Térmica (Concentradores) Novos Desenvolvimentos (Nano Rectennas)

12 Perdas de energia na produção de hidrogénio por electrólise Electrolizador Rendimento HHV Densidade [A/cm2] Electrolizador

13 Produção de hidrogénio pela electrólise e por separação de gás natural 1. Da água por electrólise H 2 O => H 2 + ½ O energia eléctrica + H 2 O = energia no H 2 + ½ O 286 kj/mol = 286 kj/mol 100% = 100% Na realidade: 125% do input de energia = 100% energia no H % de perdas 2. Do gás natural por separação com vapor de água CH H 2 O=> 4 H 2 + CO 2 energia do metano + calor + H 2 O = energia no H 2 + CO kj/mol kj/mol = (4 x 286 kj/mol =) 1,144 kj/mol 78% + 22% = 100% Na realidade: 110% do input de energia = 100% energia no H % de perdas

14 Custos de Produção de Hidrogénio Custos de Produção de Hidrogénio ($/GJ) Hydrogen Production Cost ($/GJ) Fevereiro (February $US $US 2003) 2003) Grid Electrólise Electrolysis a partir (Fossil da Fuel Rede Based) PV Electrólise Electrolysis em FV Solar Electrólise Based Thermal Térmica Powered através Electrolysis do Sol Solar Conversão Antenna com Power de Conversion uma antena solar Steam Reforma Reforming com vapor of Natural de gás Gas natural Partial Oxidação Oxidation parcial Coal Gasificação Gasification de carvão Ammonia Electrólise Based solar Solar com Powered base na Electrolysis amónia Wind Electrólise Electrolysis eólica Ano Year

15 Opções de distribuição de energia Electricidade de Fontes renováveis Electrólise Rede Eléctrica Hidrogénio H 2 Células de Combustível Electricidade para o utilizador

16 Compressão de Hidrogénio Perdas de energia por HHV de Hidrogénio Adiabática Isotérmica Pressão Final [bar]

17 Liquefacção de Hidrogénio Energia de Liquefacção por HHV de Hidrogénio Obsoleta Standard Avançada Capacidade de liquefacção de uma Central [kg/h]

18 Transporte Rodoviário de Hidrogénio H 2, 200bar H 2, líquido Gasolina, etc... Distância de Entrega só ida [km] Energia consumida por entrega de combustível [MJ/kg]

19 Transporte de hidrogénio a longa distância através de condutas Energia de bombagem por HHV de gás entregue Hidrogénio Metano Distância da origem da conduta [km]

20 Transporte de electricidade renovável pela rede e hidrogénio Fonte de Energia Renovável Rede eléctrica consumidor hidrogénio Electricidade CA renovável Electricidade CC electrolizador Gás Hidrogénio Compressão Transporte Distribuição Armazeneno CC CA Célula de combustível Hidrogénio gasoso Hidrogénio líquido

21 Célula de Combustível Processo inverso da electrólise. Energia eléctrica O 2 H 2 Célula de Combustível H 2 O calor

22 Células de combustível Diagrama de uma célula c de combustível com capacidade para separar o hidrogénio do combustível de entrada Combustível Processador de Combustível Entrada de Hidrogénio Pilha de Células de Combustível Condicionamen to de Potência Electricidade Gestão da Água Saída de Água Entrada de Ar Exaustão Saída de Calor Calor Sistema de Ar Gestão Térmica Exaustão

23 Células de combustível Rendimento comparativo entre as diversas tecnologias de células c de combustível e outras tecnologias convencionais

24 Emissões Relativas de Poluentes (Kilogramas de emissão por 1000 kwh NOx, CO, SOx, Hidrocarbono, Partículas) Central de Energia Fóssil 0.54 Microturbina 0.27 Ciclo combinado a gás 0.02 Células de Combustível

25 Potenciais benefícios das células de combustível para a produção distribuída Decréscimo do uso de combustíveis fósseis importados Redução das emissões de dióxido de carbono e de outros poluentes Melhoria da fiabilidade Mitigação da necessidade de expansão da capacidade de produção bem como da transmissão e distribuição Redução das perdas T&D (10% de toda a electricidade) Integração de fontes intermitentes

26 Fuel cell applications

27 Fuel cells capital cost Fuel cell Capital costs, /kw technology Projected (2010) Present PEMFC PAFC SOFC MCFC

28 Aplicações Estacionárias Energia de Qualidade Energia de Reserva Cogeração Geração Distribuida Locais Remotos

29 Fuel Cells and Emergency Preparedness Emergency services (9/11) Water systems Medical facilities Airports Research laboratories Food service Industry Prisons Senior citizen housing Computer centers

30 Long Interruptions (2003) Place and Date, Number of Affected Consumers, Restoration Time, Demand (GW) Canada and USA ( ) hours GW Birmingham(5-9-03) minutes 253 GW London( ) minutes 720 GW South of Sueden and East of Denmark ( ) hours GW Italy,except Sardinia ( ) hours GW

31 Célula de Combustível numa Casa (Japão) Rede Eléctrica Energia Eléctrica Dados Envio de dados Rede de gás natural CC Tanque de água quente Dados Água quente para banhos, aquecimento

32 Padrão de mobilidade em Pessoa-km, por pessoa e por ano, de entre os anos 1850 e 1990

33 Estratégias de lançamento de veículos a H2

34 Ensaios GM

35 Protótipo GM

36 Autocarro com tracção eléctrica na cidade do Porto, com células c de combustível alimentadas a hidrogénio

37 Aplicação em Veículos submarinos -Autonomia e segurança

38 Aplicação em Aviões -Redução drástica de emissões e de ruído