Pilhas de Combustíveis nos Transportes Jorge Esteves Instituto Superior Técnico DEEC / Centro de Automática da UTL estevesj@alfa.ist.utl.pt José Maia Escola Superior de Tecnologia, Instituto Politécnico de Setúbal Centro de Automática da UTL jmaia@est.ips.pt APVE - Associação Portuguesa do Veículo Eléctrico Av. Rovisco Pais, 1, 1049-001 LISBOA Tel.: 21 841 76 71 Fax: 21 841 71 67 veiculo.electrico@apve.pt www.apve.pt
Pilhas de Combustível A pilha de combustível é um dispositivo electroquímico que converte, sem qualquer combustão, energia de um determinado combustível em energia eléctrica. O resultado desta conversão directa apresenta um rendimento elevado e é não poluente; a pilha de combustível produz unicamente electricidade, calor e água. O combustível utilizado é hidrogénio que pode ser fornecido na sua forma pura ou a partir de uma mistura produzida por um processo de reformulação a partir de um hidrocarboneto. A decisão quanto à utilização de hidrogénio puro ou de um sistema reformador no interior do automóvel imputa custos de investimento, problemas de rendimento e de desempenho e não existe consenso sobre a via que virá a ser predominante.
Pilhas de Combustível (2) Inventada em 1839 por Sir Grove Tubos ox contêm oxigénio; tubos hy contêm hidrogénio; os tubos estão imersos em ácido sulfúrico diluído; do; as barras pretas são folhas de platina; a corrente eléctrica circulava na direcção da seta para realizar uma electrólise lise É utilizada em naves aeroespaciais desde os anos 60
Pilhas de Combustível (3) Princípio de funcionamento de uma PC Hidrogénio é ânodo da PC fornecido através s do H 2 Oxigénio (ou ar) entram através s do cátodo. Ânodo (-) Catalisador Encorajado pelo catalisador, o átomo de hidrogénio divide-se num protão e num electrão, que tomam diferentes caminhos para o cátodo. c Fluxo de electrões Electrólito Catalisador Cátodo (+) H 2 O + calor O protão passa pela membrana mas o electrão não consegue. Estes electrões criam uma corrente eléctrica que pode ser utilizada antes do seu retorno ao cátodo. c O 2 No cátodo, c a reunião do hidrogénio e do oxigénio criam uma molécula de água.
Pilhas de Combustível (4) Princípio de funcionamento de uma PC Hidrogénio é ânodo da PC fornecido através s do Oxigénio (ou ar) entram através s do cátodo. Encorajado pelo catalisador, o átomo de hidrogénio divide-se num protão e num electrão, que tomam diferentes caminhos para o cátodo. c O protão passa pela membrana mas o electrão não consegue. Estes electrões criam uma corrente eléctrica que pode ser utilizada antes do seu retorno ao cátodo. c No cátodo, c a reunião do hidrogénio e do oxigénio criam uma molécula de água.
Diversos tipos de Pilhas de Combustível O tipo de electrólito lito utilizado está relacionado com o nome atribuído aos diferentes tipos de PC: AFC alkaline fuel cell pilha de combustível alcalina PAFC phosphoric acid fuel cell pilha de combustível de ácido fosfórico MCFC molten carbonate fuel cell pilha de combustível de carbonato fundido SOFC solid oxide fuel cell pilha de combustível de óxido sólido SPFC solid polymer fuel cell pilha de combustível de polímero sólido Surgem, também, as seguintes designações para as SPFC: SPEFC solid polymer electrolyte fuel cell PEFC proton exchange fuel cell ou polymer electrolyte fuel cell PEMFC proton exchange membrane fuel cell IEMFC ion exchange membrane fuel cell Como excepção à regra anterior, relativa ao nome, surge a: DMFC - direct methanol fuel cell, pilha de combustível em que o combustível utilizado é o metanol.
Tipos de Pilhas de Combustível Temperatura de operação [ o C] Combustível* Electrólito Aplicação AFC 80 H 2 KOH (hidróxido de potássio) transporte aeroespacial SPFC 40-80 H 2 (/CO 2 ) polímero transporte, produção de electricidade (rede e baterias), cogeração DMFC 60-130 metanol polímero produção de electricidade (baterias), transporte (?) PAFC 200 H 2 (/CO 2 ) ácido fosfórico produção de electricidade (rede), co-geração** MCFC 650 H 2, CO carbonato fundido produção de electricidade (rede), co-geração** SOFC 1000 H 2, CO óxido sólido produção de electricidade (rede), co-geração** Nota: * Pilhas de combustível que aceitem misturas de H 2 CO 2 podem, em combinação com reformador, utilizar alguns hidrocarbonetos; ** co-geração: produção de energia eléctrica e energia térmica. (fonte: página internet da AMERLIS: http://www.terravista.pt/aguaalto/2295/ )
Tipos de Pilhas de Combustível (2) Central de 1000 kw com PAFC Reformulador a partir de gás g s natural e Módulo de 1kW de PEFC Pilha de combustível PAFC (ácido( fosfórico) Vista em corte de uma central de 1000 kw Módulo tubular de 1 kw para SOFC Pilha de combustível MCFC (carbonato fundido) Pilha de combustível SOFC (óxido( sólido) s
Funcionamento das Pilhas de Combustível (fonte: a partir da página internet da AMERLIS: http://www.terravista.pt/aguaalto/2295/ )
Funcionamento da PEFC Rendimento da PEFC
Componentes auxiliares para o funcionamento das PC Estes componentes asseguram a: alimentação permanente de ar e de hidrogénio; remoção do calor produzido pela PC Estes componentes são: Compressor ou ventilador para fornecer ar ao cátodoc todo; Reformador, caso o combustível utilizado seja um hidrocarboneto; Circuito de refrigeração ão; Separador para remoção de água contida nos gases saídos do cátodo; ; Bomba para recirculação dos gases rejeitados pelo ânodo; Controlador do sistema; Sistema de combustível vel. alimentação de
Aplicações de PC nos transportes Uma célula c de uma pilha de combustível apresenta uma diferença a de potencial de 0,7V e pode fornecer 350W (dimensão de um tapete de rato de computador e 0,5 a 0,7 cm de espessura) Para permitir que um veículo tenha os valores adequados de aceleração e de velocidade de ponta, é necessário uma potência de pico da ordem dos 50-70kW. Isto implica que 150-200 células c sejam empilhadas em conjunto. Estas pilhas têm que ser muito compactas não podendo ultrapassar um volume de 50 litros, para a sua aplicação em automóveis.
Pilhas de Combustível na propulsão automóvel Todos os principais fabricantes automóveis investiram em protótipos tipos de veículos com PC. Alguns exemplos conhecidos:
TOYOTA RAV 4 Pilha de Combustível
Dois outros exemplos de referência NECAR - New Electric CAR DaimlerChrysler Autocarros com PC 2ª geração Chicago Necar 3 - metanol como combustível (Setembro 1997) 400Km de autonomia com 38 litros de combustível (metanol) Necar 4 - hidrogénio como combustível; 145Km/h; 450Km de autonomia
Evolução dos veículos com PC da Daimler Chrysler
NECAR 4
A 1ª 1 aplicação comercial (conhecida) Unidade auxiliar de energia Volume de uma bateria convencional de ácido-chumbo, chumbo, apresentando maior durabilidade e desempenho
Considerações sobre produção e utilização sustentável de energia Energia de elevada qualidade e elevada concentração ão com uma elevada mais-valia Energia química (petróleo, gás g s natural, carvão) Energia potencial (barragem) Energia Eléctrica
Considerações sobre produção e utilização sustentável de energia (2) Energia dispersa de baixa densidade e difícil de utilizar Energia da luz (solar) Energia do vento Energia da biomassa Água quente / Desperdício de água quente e de calor Restantes formas de energia renováveis veis disponíveis na natureza Nesta perspectiva, não esquecer que cada kwh poupado vale tanto (ou mais) como cada kwh produzido por uma fonte de energia renovável vel
Considerações sobre produção e utilização sustentável de energia (3) Uma estratégia de conservação de energia passa por: conservar a energia de elevada qualidade o mais possível utilizar apropriadamente a energia diluída da e difícil de utilizar, as energias renováveis veis O verdadeiro interesse das Pilhas de Combustível surge enquadrado nesta estratégia de produção e de utilização sustentável de energia
Aplicações previstas para as Pilhas de Combustível Sistema urbano de geração eléctrica com fornecimento de calor Sistema industrial de co-gera geração Sistema urbano e descentralizado de geração eléctrica Sistema de PC para veículos, etc. Sistema de geração eléctrica a partir de carvão gaseificado Sistema de geração eléctrica utilizando desperdícios agrícolas Sistema de geração eléctrica transportável para estaleiros Sistema de geração a partir de biogás Sistema de co-gera geração residencial (electricidade e água quente)
Características das Pilhas de Combustível As Pilhas de Combustível vão passar a fazer parte do nosso dia-a-dia As grandes vantagens da PC são: Adaptação para uma instalação e utilização nas cidades, devido ao ruído e vibração reduzidos e nível n desprezável de emissões de NOx e fuligem ; Elevado rendimento de geração de energia eléctrica (mesmo em pequenas unidades) e rendimento global também m elevado (pode atingir 80% se incluirmos o aproveitamento do calor libertado); para mais s nas MSFC e SOFC pode ser obtido vapor de elevada temperatura (energia de elevada mais-valia). A grande desvantagem actual é o seu preço. Enquadrando as aplicações nos transportes com o mercado das aplicações estacionárias poderá fazer surgir a grande oportunidade de uma introdução em larga escala, permitindo reduzir os custos de produção.
Transição para uma produção e utilização sustentável da energia Fonte: Christian Beckervordersandforth, The Role of Natural Gas in Sustainable Energy Management Brinding the Gap to Hydrogen em On the Energies-of of-change The Hydrogen Solution,, editado por Carl- Jochen Winter, Gerling Akademie Verlag,, 2000, ISBN 3-9324253 932425-31-6 Nos últimos 150 anos, viveu-se uma transição dos combustíveis com alto teor de carbono para os de baixo teor de carbono Nos próximos 150 anos, viver-se se-á a continuação desse esforço o rumo à era do hidrogénio, em que o gás g s natural poderá assegurar a ponte entre estas duas realidades.
Transição para uma produção e utilização sustentável sustentável da energia (2) As alterações na cadeia de utilização dos combustíveis é sempre lenta (várias gerações), o que impõe que novas infra-estruturas para estarem no seu lugar daqui a 30-50 anos tem de ser consideradas e iniciadas hoje. O hidrogénio surge como a solução para uma sociedade sustentável de médio m prazo mas não corresponde a uma fonte de energia primária; ria; de momento, surge sempre como um produto manufacturado cuja produção tem um determinado impacto ambiental. O gás g s natural é a solução que parece mais óbvia (no curto prazo) para a produção de hidrogénio. A electrólise lise da água é uma outra solução de interesse para a produção do hidrogénio. Diversos países posicionam-se se na perspectiva de virem a produzir hidrogénio, para ser utilizado como combustível para as pilhas de combustível, através s da electrólise lise da água e utilizando energia eléctrica produzida a partir de fontes de renováveis veis de energia.
Transição para uma produção e utilização sustentável sustentável da energia (3) Deste modo, será possível produzir o hidrogénio a partir da electrólise lise da água, em locais onde seja possível produzir a electricidade necessária a partir de de uma fonte renovável vel de energia (impacto ambiental reduzido e níveis n nulos de emissões gasosas). O hidrogénio, depois de transportado do seu local de produção para o local final de utilização, é utilizado como combustível das pilhas de combustível na produção de electricidade (nível de emissões nulas). A energia eléctrica é a única forma de energia cuja utilização é verdadeiramente limpa. As pilhas de combustível poderão ser o elo que falta para a viabilização da produção de electricidade a partir das energias renováveis. veis.
Veículos Eléctricos Rodoviários e Energias Renováveis veis O hidrogénio é o combustível para as pilhas de combustível; A utilização das pilhas de combustível viabiliza veículos eléctricos com o desempenho e a autonomia desejada Veículos eléctricos sem limitações de desempenho e de autonomia podem contribuir para a redução do impacto ambiental do sector dos transportes. Utopia? ou Perspectiva de médio/longo prazo?