ESTUDO DA INSERÇÃO DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL INTEGRADA

ESTUDO DA INSERÇÃO DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL INTEGRADA A SISTEMA HÍBRIDO DE GERAÇÃO DE ELETRICIDADE ISOLADO SILVIO BISPO DO VALE (1) UBIRATAN HOLANDA BEZERRA (1) JOÃO TAVARES PINHO (1) EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA (1) (1) UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ/CT/PPGEE/GEDAE, BELÉM, PARÁ, BRASIL RESUMO O presente trabalho apresenta um estudo de caso da inserção de uma célula a combustível (CaC) em um pequeno sistema híbrido de geração de energia do tipo eólico (1 kw), solar (3,2 kw) e diesel (2 kva), realizando simulações para a avaliação da participação de cada uma das fontes de energia envolvidas. Pretende-se contribuir com este trabalho para o estabelecimento de parâmetros de avaliação de viabilidade técnico-econômica do uso desses sistemas híbridos isolados, visando futuramente à aplicação de combinações de modelos de hibridização para a geração de energia em comunidades isoladas na Amazônia, priorizando o uso de recursos energéticos locais. ABSTRACT This paper presents a case study of a fuel cell (FC) insertion in a small hybrid system for energy generation composed by wind (1 kw), photovoltaic (3,2 kw) and diesel (2 kva) generations, making computer simulations in order to evaluate the contribution of each one of the energy-supply systems involved. This paper intends to contribute for the establishment of parameters to measure the technical and economic viability for using such isolated hybrid systems, trying in the future several combinations of models to hybridize the energy generation in Amazon isolated villages, making easier the use of local energy resources. PALAVRAS-CHAVE Célula a Combustível, Gaseificação, Geração de Energia, Sistema Híbrido, Sistema Isolado. 1

1. INTRODUÇÃO Nos tempos atuais, a eletricidade é um bem primordial na sociedade, seja atendendo a zona urbana ou a zona rural. Com o objetivo de levar energia elétrica a quase 12 milhões de habitantes sem atendimento elétrico, dos quais 1 milhões residentes na área rural, o governo federal brasileiro propôs-se, até 215 [1], atender toda essa demanda com a universalização dos serviços de eletricidade, amparada pela Lei 1.438, estabelecendo os incentivos à utilização das fontes renováveis de energia - biomassa, centrais hidrelétricas e eólica. As energias renováveis vêm sendo pesquisadas como formas alternativas para substituição, ainda que parcial, da geração através da queima de combustíveis fósseis. Assim, a tecnologia de células a combustível apresenta-se como uma alternativa viável para a geração distribuída ou agregada a outras fontes de geração, como os sistemas híbridos empregados em locais de difícil acesso para a rede convencional de distribuição de energia. Hoje é fato bastante conhecido que as células a combustível apresentam um grande e eficaz potencial de geração de eletricidade. As CC produzem eletricidade eletroquimicamente a partir da combinação de hidrogênio e oxigênio. Dentre as tecnologias de CaC s, aquelas dos tipos carbonato fundido (Molten Carbonate Fuel Cells MCFC), as de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cells SOFC), as de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cells PAFC), disponíveis comercialmente desde 1994, e as de polímero sólido (Proton Exchange Membran Fuel Cells PEMFC) são as mais adequadas para as aplicações em geração de energia elétrica. Para aplicação residencial, as PEMFC e as SOFC demonstram ser mais atraentes pelo seu baixo custo e também por serem desenvolvidas para uso em baixas potências. A CaC pode ser integrada com um gaseificador de biomassa, produzindo calor e eletricidade para comunidades isoladas. Esse tipo de atendimento é interessante quando aliado a outros tipos de geração, como solar, eólica, e diesel, formando sistemas híbridos isolados de geração de energia. Assim, a integração de diversas tecnologias de energias renováveis apresenta-se como alternativa bastante atrativa no atendimento de pequenas cargas em localidades isoladas. A localidade considerada neste estudo dispõe de um sistema híbrido de geração de energia, composto das seguintes fontes: eólica (1 kw), solar fotovoltaica (3,2 kwp) e diesel-elétrica (2 kva). Pretende-se estudar a inserção da célula a combustível na geração já existente e, analisar através de dados a sua contribuição, o impacto e as perspectivas futuras para o uso dessa nova tecnologia em sistemas híbridos de geração de energia. 2. SISTEMA HÍBRIDO DE GERAÇÃO A comunidade considerada neste trabalho está localizada no nordeste paraense, distante cerca de 18 km da capital do Estado, Belém. A localidade possui cerca de 24 habitantes, 4 famílias, e tem na pesca sua principal atividade econômica. [2] Como parte do sistema de geração de energia, os módulos fotovoltaicos integram o conjunto gerador composto por 4 módulos fotovoltaicos de 8 Wp cada, dispostos em um arranjo série de 12 Vcc, totalizando uma potência de 3,2 kwp. A energia gerada pelo painel fotovoltaico é então armazenada em um banco de baterias automotivas. O sistema híbrido é complementado na sua geração com uma turbina eólica de 1 kw a 3 metros de altura. A energia gerada é processada por um retificador (VCS1) e em seguida é entregue ao banco de baterias. Complementando a geração de energia, o grupo gerador a diesel funciona, em geral, 4 horas por dia e tem a finalidade de servir como backup para o sistema. 2

O sistema de armazenamento de energia é composto por 4 baterias automotivas de 15 Ah/12 Vcc, totalizando 72 kva, e que estão dispostas em um conjunto série/paralelo de 12 Vcc. O sistema de geração é monitorado por sensores dispostos em locais específicos, de modo a adquirir os dados de tensão e corrente de todas as fontes geradoras. O diagrama de blocos, mostrado na figura 1, ilustra esta situação, sendo os pontos de medição designados por S1 a S25. CENTRO DE CONTROLE (SENSORES) Figura 1 Diagrama do sistema híbrido com os pontos de coleta de dados. Ainda fazendo parte desse sistema, dispõe-se de uma torre tubular de 3 metros de altura composta de dois sensores de velocidade de vento, a 1 e 3 m respectivamente; um sensor de direção de vento a 3 m; um sensor de radiação solar a 5 m; e um sensor de temperatura a 5 m. Os dados são coletados e armazenados em um data logger e depois transferidos para um computador para posterior análise. As figuras 2 e 3 apresentam os dados de um período de um ano coletados pela estação. As velocidades médias mostram-se um pouco baixas para a geração eólica figura 2. A radiação solar apresenta-se promissora para a geração solar fotovoltaica conforme a simulação dos dados mostrados na figura 3. 6 Velocidades no Período 5 V (m/s ) 4 3 2 1 3 m 1 m M édia 3 m Média 1 m dez/2 jan/3 fev/3 mar/3 abr/3 mai/3 jun/3 Mês jul/3 ago/3 set/3 out/3 nov/3 Figura 2 Representação dos dados eólicos coletados. 3

6 Radiação no Período 5 4 W/m 2 3 2 1 Radiação Média dez/2 jan/3 fev/3 mar/3 abr/3 mai/3 jun/3 jul/3 ago/3 set/3 out/3 nov/3 Mês Figura 3 Representação dos dados de radiação solar coletados. As figuras 4 e 5 apresentam, respectivamente, a curva de carga diária por fase e a contribuição para a geração de energia dos sistemas eólico e solar fotovoltaico. Ainda na figura 5 é mostrado o comportamento da demanda de energia na localidade. VA 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Curva de Carga Fase A (VA) Fase B (VA) Fase C (VA) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11112131415161718192212223 Horas Figura 4 Curva de carga diária. Wh 5 4 3 2 1 Geração Consumo Eólico Solar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 Horas Figura 5 Curvas de geração e consumo de energia. (médias horárias) 3. PROPOSTA PARA INSERÇÃO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL Apresenta-se neste trabalho um estudo preliminar da integração gaseificador/célula a combustível no sistema híbrido descrito, considerando fatores técnicos e econômicos relativos à sua inserção. 4

3.1. Célula a Combustível Existem diversos tipos de tecnologias de células a combustível em desenvolvimento no mundo e a única em estado comercial é de ácido fosfórico PAFC. Esta, porém, é disponibilizada para potências acima de 7 kw. Opta-se aqui pela célula a combustível polimérica, figura 6, como alvo de estudo e posterior aquisição, pelo fato de ser desenvolvida para potências na faixa de 1 a 25 kw [3,4], operar em temperatura compreendida entre 6 11ºC, apresentar eficiência entre 4 e 5%, utilizar um eletrólito de membrana polimérica que permite a troca de prótons de hidrogênio e já encontrar-se em estágio pré-comercial. Figura 6 Esquema de uma célula a combustível PEM. O atual nível de desenvolvimento desse tipo de célula já atingiu um relativo grau de maturidade, mostrando-se promissora para aplicações estacionárias (geração de energia). Quando é aproveitado o calor gerado, pode-se alcançar um rendimento superior a 7%. [3] Sugere-se, portanto, a gaseificação da biomassa, seguida de reforma e purificação do gás. Isto favorece a utilização dos recursos de biomassa local e promove a geração de renda à comunidade através da comercialização da própria biomassa. Sabe-se, entretanto, que muitos ajustes terão que ser realizados, tanto em nível de estudos teóricos quanto em nível prático, quando da aquisição do equipamento. Vale ressaltar que após a gaseificação, o gás será limpo em um filtro (purificador), de modo a obter-se um gás livre de monóxido de carbono (CO), o qual poderá, caso não seja eliminado, envenenar o catalisador da célula a combustível polimérica PEMFC. A tabela 1 apresenta o custo do combustível para alguns tipos de célula. Tabela 1 Custo do combustível. [5] COMBUSTÍVEL HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO GÁS NATURAL ETANOL ANIDRO Tecnologia AFC MCFC DMFC Custo 4,12 R$/m 3,2 R$/m 3 36, R$/m 3 Neste trabalho, o valor do custo do hidrogênio produzido no gaseificador é considerado para efeito de cálculo, da ordem de R$ 1,/m 3, pois propõe-se a utilização de biomassa local mamona, casca de coco, dendê ou outras disponíveis. Por não se ter o valor real dos custos de produção do volume de gás é que se atribuiu de R$ 1,/m 3, já que este é possível dada a abundância de matéria-prima no local. Posteriormente poderá ser levantado um valor mais preciso com a instalação do conjunto gaseificador/célula a combustível. Para se obter a quantidade e o custo do hidrogênio necessário à operação da CaC pode-se utilizar o procedimento abaixo. [5] A vazão do hidrogênio pode ser expressa conforme a equação 1. 5

1 Q = η P PCI (1) onde: Q: vazão máxima (m 3 /h); P: potência instalada (kw); PCI: poder calorífico inferior do hidrogênio (kj/m 3 ); η: rendimento da célula a combustível. Calculada a vazão máxima, determina-se a vazão média do hidrogênio necessária. Q m = Q F (2) onde: Q m : vazão média (m 3 /h); F: fator de carga. Em seguida estima-se a vazão média anual. QmA = Qm 876 (3) onde: Q ma : vazão média anual (m 3 /h); 876: número de horas no ano. O custo real do combustível pode ser expresso através da equação 4. 1 C H CC = (4) η PCI onde: C C : custo do combustível (); C H : custo do hidrogênio (R$/m 3 ). A partir das equações (1) a (4) encontra-se os seguintes valores: Vazão Máxima (m 3 /h) = 3,35 Vazão Média (m 3 /h) = 3,35 Vazão Média Anual (m 3 /h) = 29.356,2 Custo do Combustível () =,67 A potência da célula a combustível proposta é de 5 kw, custo de R$ 3.,/kW, rendimento de 5%, fator de carga de 1%, e um período de funcionamento de 24 horas/dia, já que a operação otimizada do gaseificador sugere funcionamento ininterrupto. 3.2. Análise dos Dados A figura 7 apresenta o fator de utilização (FU) e o custo de produção da energia para cada uma das fontes envolvidas. Em todos os casos utilizou-se um fator de recuperação de capital de,11. O sistema diesel, apesar de ser o de maior potência, apresenta um baixo fator de utilização, pois opera apenas por quatro horas/dia. A célula a combustível tem o melhor fator de utilização, 1%, operando por 24 horas/dia. O sistema solar, apesar de ser o de menor capacidade instalada (3,2 kwp), apresenta o menor custo da energia gerada, onde os valores apresentados consideram 4 6

horas de sol pleno (HSP) por dia. Na realidade, em determinadas épocas do ano pode-se chegar a 5 HSP por dia, o que melhoraria o desempenho desse sistema frente aos demais. O sistema eólico é o mais oneroso dentre todos os sistemas, apresentando o maior custo de produção de energia, função de um menor fator de utilização. Esta situação poderia ser melhorada caso na região fosse verificada médias anuais de vento da ordem de 1 m/s. Neste caso encontraria-se FU de aproximadamente 6% e um custo da energia de R$ 3,8/kWh. Verifica-se que o custo de produção da energia pela célula a combustível é elevado, devendo-se fundamentalmente ao custo de investimento, da ordem de R$ 3.,/kW. 1, 8, 6, 4, 2,, Eólico (5m/s) Solar (4HSP) Diesel (4h/dia) Célula FU (%),75 16,67 3,33 1, 3,39 2,58 5,72 6,5 Figura 7 Fator de utilização e Custo de produção. A figura 8 mostra a excelente produção anual da célula combustível, quando comparada com as demais fontes. As condições de operação dos sistemas são as mesmas adotadas na figura anterior. 44. 4. 36. 32. 28. 24. 2. 16. 12. 8. 4. - Geração 43.8, kwh/ano 4.672, 4.672, 658,11 Eólico (1 kw) Solar (3,2 kwp) Diesel (2 kva) Célula (5kW) Figura 8 Geração anual de energia. O cálculo do Tempo de Retorno Simples (TRS) [6,7] foi realizado considerando-se o investimento inicial de cada sistema, o custo do kwh gerado e a tarifa cobrada, além de uma taxa de juros (i) de 1%aa. Em todos os casos a tarifa utilizada foi normalizada no valor de R$ 1,/kWh. A expressão utilizada para cálculo de TRS anual é: Investimento Inicial TRS = (5) Consumo Anualde Energia x Tarifa 7

Tempo de Retorno Simples - TRS (Anos) 16 12 8 4-159,55 Solar (5HSP) 11,84 TRS (i=1%) 11,54 9,86 Solar (6HSP) 3,42 Diesel (4h) 3,85 Figura 9 Tempo de Retorno Simples (TRS). Observa-se na figura 9 que o tempo de retorno do investimento é menor na célula a combustível. Se houver uma melhor condição de vento e radiação solar, 5 e 12 m/s e 5 e 6 HSP, o TRS dos sistema eólico e solar ficará mais atrativo quando comparado com o sistema diesel. Como o diesel opera por 4 horas/dia, o gasto anual apenas com óleo combustível é da ordem de R$ 6.226,9, supondo-se o diesel a R$ 2,/litro. Esta aparente vantagem do sistema diesel é eliminada quando leva-se em conta o acesso ao local de geração, em geral bastante difícil nas localidades isoladas da Amazônia. As figuras 1 a 13 mostram o comportamento do fator de utilização e do custo da energia gerada para cada um dos sistemas envolvidos. Em todos os casos foi novamente considerada uma taxa de juros de 1%aa. O custo da energia gerada pela célula a combustível, nas condições atuais de mercado, chega a R$ 6,5/kWh. É um valor alto, comparando-se com o sistema solar (R$ 2,57 com 4 HSP) ou com o diesel (R$ 5,72 com apenas 4 horas/dia de operação). Se o grupo gerador a diesel operasse 24 horas/dia, excetuando-se períodos para manutenção, o gasto anual apenas com óleo combustível seria da ordem de R$ 37.383,3, considerando-se um fator de carga de 2%. O sistema eólico mostrou falta de competitividade na situação apresentada devido às inadequadas condições de vento consideradas, 5m/s. Os dados utilizados são provenientes de um aerogerador importado com perfil apropriado para velocidade nominal de 12 m/s, o que não é observado na região do nordeste paraense. Em todos os casos, com o aumento do fator de utilização tem-se uma diminuição do custo da energia renovável gerada. Assim, as fontes renováveis, que espera-se estejam com custos de implantação menores em poucos anos, apresentam tendência de aumento do fator de utilização e conseqüente redução no valor da energia gerada. FU (%) 3 25 2 15 1 5 i = 1% Eólico FU 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, FU (%) 3 25 2 15 1 5 Solar i = 1% FU 3 4 5 6 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, V (m/s) Horas de Sol Pleno (HSP) Figura 1 Fator de utilização e Custo da energia - Eólico. Figura 11 Fator de utilização e Custo da energia - Solar. 8

FU (%) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Diesel FU(4h) (4h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Fator de Carga (%) 12, 1, 8, 6, 4, 2,, Figura 12 Fator de utilização e Custo da energia - Diesel. FU(%) 12 1 8 6 4 2 1 3 i = 1% 5 7 9 11 Célula 13 15 Horas/dia FU (%) 17 19 21 23 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, Figura 13 Fator de utilização e Custo da energia - Célula. 4. CONCLUSÕES As tecnologias de geração de energia renovável estão se difundindo cada vez mais, inclusive nos países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil. Percebe-se que essas tecnologias ainda apresentam um alto custo de aquisição, principalmente no que diz respeito à célula a combustível, por se tratar de uma fonte relativamente nova, se comparada com outras fontes, como o grupo gerador a diesel, a solar fotovoltaica e a eólica. No entanto, segundo as tendências de mercado, até o ano de 21 o custo da tecnologia de célula a combustível estará na ordem de 4 a 1.8 US$/kW, em tamanho comercial de 2 kw, devendo diminuir o valor conforme aumente a potência [8]. De qualquer modo, a inserção de células a combustível em sistemas híbridos de localidades de difícil acesso é, como mostram as simulações, uma possibilidade real de substituição parcial ou total dos grupos geradores a diesel, e que portanto, precisa ser considerada nos projetos futuros e nos já existentes. Por outro lado, o custo dos sistemas eólico e solar também devem diminuir com o tempo, tornando-os mais competitivos frente aos grupos geradores a diesel, utilizados em pequenas comunidades isoladas do Brasil, o que favorecerá a substituição, ainda que parcial, do diesel e difusão do uso dos sistemas híbridos de geração de energia. O grupo gerador a diesel, comparado com as demais tecnologias, mostrou-se atrativo com relação ao investimento inicial. Entretanto, o uso continuado dos recursos energéticos, na condição de elevado fator de carga, torna as fontes renováveis de energia competitivas, pois o diesel apresenta um substancial gasto com operação e manutenção. A utilização de sistemas híbridos, ao eliminar ou diminuir a participação do diesel na geração de energia, concorre para a preservação do meio ambiente e para a geração de renda em localidades isoladas. Em geral, essas localidades padecem pela falta de infra-estrutura para crescer e produzir. A energia gerada pode ser aproveitada para beneficiamento e conseqüente aumento do valor agregado de seus produtos e da renda per capita da comunidade. Diferentemente do grupo gerador a diesel os sistemas renováveis apresentam baixo custo e freqüência de manutenção, o que é um fator determinante para localidades de difícil acesso. A despeito do elevado custo das tecnologias para aproveitamento das fontes renováveis de energia, é interessante considerá-las, pois com a universalização dos serviços de eletricidade, uma grande parte do atendimento de energia às comunidades da região Norte irá depender de geração com sistemas híbridos. A utilização do conjunto gaseificador/célula a combustível como elemento contribuinte para a geração apresenta-se como uma possível solução para esse tipo de atendimento. A opção pelas tecnologias de fontes renováveis de energia nos sistemas híbridos deve ser feita de modo criterioso, considerando-se não apenas sua viabilidade técnica, o que em geral é favorável, mas também os impactos ambientais, onde estas apresentam grandes vantagens em relação à geração por combustíveis fósseis e, particularmente, os aspectos econômicos, que aparentemente mostram-se desfavoráveis ao uso dessas tecnologias, principalmente quando o enfoque restringese apenas ao custo inicial para implantação do sistema. 9

Claro deve estar o fato da facilidade de integração dos diversos tipos de fontes renováveis de energia, onde cada uma delas atende uma parcela da demanda da comunidade. Não se faz necessário, portanto, a utilização de uma única fonte de energia para atendimento da carga, mas um estudo preliminar para identificar as potencialidades dos recursos energéticos locais e a posterior escolha das fontes renováveis a serem integradas ao sistema híbrido. Em geral, pode-se estabelecer algumas condições gerais para a utilização dos diversos tipos de geração de energia em localidades isoladas: Sistema Eólico o Velocidades médias anuais de vento da ordem de 8 m/s; o Aerogerador com característica nominal de operação em velocidades compatíveis com o local escolhido. Sistema Solar o Radiação solar média pelo menos de 4, HSP. Célula a Combustível o Oferta local abundante de combustível; Em todos os casos, o custo do investimento inicial precisa diminuir, o que é uma tendência de mercado, para que as vantagens do uso das tecnologias renováveis em localidades isoladas tornem-se maiores. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] www.mme.gov.br/noticias/23/novembro/11.11.23/htm, Energia Elétrica para Todos os Brasileiros até 28, acessada em 2/12/23. [2] BARBOSA, CLAUDIOMIRO FÁBIO DE OLIVEIRA, Montagem, Comissionamento e Telesupervisão de um Sistema Híbrido Solar-Eólico-Diesel para Geração de Eletricidade, Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade Federal do Pará, Curso de Engenharia Elétrica, 23. [3] BÜHL, GISELA, Tecnologías con Futuro: Pilas de Combustible la Revolución Silenciosa, www.energetica21.com, acessada em 1/1/23. [4] WENDT, HARTMUT; LINARDI, MARCELO e ARICÓ, ELIANA M., Células a Combustível de Baixa Potência para Aplicações Estacionárias, Química Nova, Vol. 25, N 3, pág. 47-476, 22. [5] BURANI, GERALDO FRANCISCO; MARUYAMA, FLÁVIO MINORU; GALVÃO, LUIZ CLAUDIO RIBEIRO e UDAETA, MIGUEL EDGAR MORALES, Introdução da Produção Energética Através de Células de Combustível no Planejamento Energético, 5 th Latin-American Congress Eletricity Generation and Transmission, São Pedro São Paulo - Brasil, novembro de 23. [6] SANTOS, CÁSSIO BORRÁS e SAUER, ILDO LUIS, Estudo de Planejamento Integrado da Recursos para o Sistema Elétrico da Boa Vista RR, Universidade de São Paulo Instituto de Eletrotécnica e Energia, pág. 29, São Paulo, 1999. [7] MONTENEGRO, J. L. de A., Engenharia Econômica, 2 a ed., Editora Vozes, Petrópolis, 1983. [8] www.cgce.org.br/arquivos/pro1_doc_ref.pdf, Estado da Arte e Tendências das Tecnologias para Energia, Secretaria Técnica do Fundo Setorial de Energia CTEnerg, janeiro de 23. 1