O HIDROGÊNIO COMO VETOR ENERGÉTICO

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1 XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica CREEM 2005 O HIDROGÊNIO COMO VETOR ENERGÉTICO MSc. Paulo F. P. Ferreira Lab. de Hidrogênio - Unicamp

2 O HIDROGÊNIO COMO VETOR ENERGÉTICO Premissa Fundamental: O hidrogênio tem como principal justificativa para o seu uso energético os problemas ambientais causados pelos combustíveis fósseis, seja nas aplicações estacionárias (gases de efeito estufa), seja nas veiculares (poluição atmosférica nos grandes centros urbanos).

3 O HIDROGÊNIO COMO VETOR ENERGÉTICO Fonte: MARK, J., Reaping the Environmental Benefits of Fuel Cell Vehicles, Union of Concerned Scientists, 1999.

4 Consumo de energia por tipo de veículo: O HIDROGÊNIO COMO VETOR ENERGÉTICO

5 HIDROGÊNIO : VANTAGENS Pode ser obtido de diversas fontes (fósseis ou renováveis) Sua oxidação produz apenas água (menor poluição local) Torna vários processos mais eficientes (dependendo das etapas) Alta densidade de energia por massa (vantagem no uso aeroespacial)

6 HIDROGÊNIO : VANTAGENS Fontes Primárias Processos para produção H 2 Usos Atividades Suporte Hidroelétrica PCH Eólica Solar Fotovoltaica Nuclear Solar Térmica Nuclear Biomassa Etanol, Óleos, Bagaço Energia Eletrólise Elétrica da Água Calor Eletrólise Separação Termoqúimica da Água Líquidos Reforma Gases a Vapor H 2 Separação Veículos a Combustão Interna Geração de Eletricidade Turbogeradores Geração de Calor Células a Combustível Integração Dispositivos Integração Sistemas Armazena/, Transporte, Distribuição Segurança Códigos, Padrões Fósseis GN, Gasolina, Carvão Sólidos Gaseificação Estacionárias En. Elétrica Cogeração Móveis Veicular U.A. Potência Portáteis Eletro- Eletrônicos

7 HIDROGÊNIO : DESVANTAGENS Não é uma fonte primária de energia É um vetor energético assim como a eletricidade Precisa ser extraído, podendo gerar poluição Difícil de ser armazenado em grandes quantidades Baixa densidade de energia por volume Custos mais elevados

8 HIDROGÊNIO : IMPACTOS AMBIENTAIS - IMPACTOS AMBIENTAIS + Eletrólise c/ Energia Solar Fotovoltaica Eletrólise c/ Energia Eólica Eletrólise c/ Energia Hidroelétrica Reforma-Vapor de Etanol Gaseificação de Biomassa Reforma de GN + CUSTO DO HIDROGÊNIO -

9 HIDROGÊNIO : ARMAZENAMENTO H 2 necessita ser armazenado a altas pressões ou liquefeito. Densidade energética por massa (MJ kg -1 ) Densidade energética por volume (10 3 MJ m -3 ) , H2 1 bar Álcool Hidratado Gasolina Tipo C 0 H2 1 bar H2 200 bar H2 Líquido Álcool Hidratado Gasolina Tipo C

10 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL (CaC) Dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química contida em combustíveis diretamente em eletricidade. Princípio de funcionamento (eletrólise inversa): Willian Grove, Aplicações práticas a partir da corrida espacial década de 60. Foto: Intelligent Energy Stacks, 2003.

11 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL (CaC) Fonte: HPower, USA.

12 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL (CaC) Célula / Eletrólito T máx ( o C) Combustível Estágio H 2 / GN / Metanol reforma Comercial Fase inicial Eletrólito Polimérico Metanol direto Protótipos Etanol reforma ou direto P&D Alcalina H 2 Comercial Ácido Fosfórico Carbonato Fundido Óxido Sólido H 2 / GN reforma H 2 / GN reforma interna H 2 / GN reforma interna Comercial 225 em 2002; 100 em 1997 Protótipos Protótipos em desenvolvimento

13 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL : VANTAGENS Alta eficiência (pode ultrapassar 70%); Baixo nível de ruído (não há partes móveis); Instalações modulares ajustam-se à carga e aumentam a confiabilidade (de W a MW); Emissão baixa ou nula de SO X, NO X, CO 2, compostos orgânicos e particulados.

14 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL : DESVANTAGENS Alto custo (uso de platina e/ou cerâmicas especiais, montagem, etc.); Vida útil limitada e baixo nível de reciclagem; Principais desafios a serem vencidos: o processo de fabricação ainda é manual, gerenciamento de líquido + gás + calor dentro das células Infra-estrutura de produção / distribuição de hidrogênio.

15 BALANÇO ENERGÉTICO GLOBAL Extração Processamento da Gasolina/ Distribuição Reforma Autotérmica (produz H 2 ) Célula a Combustível Eficiência Global 75% 50% 24% Motor Elétrico/ 80% 55% 31% Controles/ Acessórios Veículo Híbrido Combustão Interna de Gasolina (Motor Estacionário Otimizado) Eficiência Global 40% 75% 25% 42% 84% 30% 96% 88% Veículo a Combustão Interna à Gasolina (Situação atual) 18% Eficiência Global 15%

16 CaC: EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA

17 Principais arranjos: CaC: CONFIGURAÇÕES EM VEÍCULOS

18 CaC: CONFIGURAÇÕES EM VEÍCULOS VEÍCULO COM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEL MOTOR DE COMBUSTÃO CAIXA DE MARCHAS TRANSMISSÃO RODAS VEÍCULO UTILIZANDO CÉLULAS A COMBUSTÍVEL INVERSOR RODAS ARMAZENAMENTO DE COMBUSTÍVEL CÉLULAS A COMBUSTÍVEL BANCO DE BATERIAS MOTOR ELÉTRICO TRANSMISSÃO CHOPPER CAIXA DE CAMBIO

19 CaC: VEÍCULOS Célula a Combustível: PEM - Ballard (78 kw) Honda Ultra Capacitor Motor AC síncrono Pot. máxima: 80 hp (60 kw) Combustível: Hidrogênio gasoso Tanque: 157 L, 345 bar Velocidade Máx.: 150 km/h Autonomia: 355 km Capacidade: 4 adultos

20 CaC: VEÍCULOS Célula a Combustível: Polímero Sólido Ballard (75 kw) Combustível: Metanol Reformador inserido no piso duplo: 50% menor, 300 kg a menos Velocidade Máx.: 150 km/h Capacidade: 4 adultos Teste (2002): km em 12 dias Velocidade média: 62 km/h Reparos: filtro de combustível, correias e reservatório de água.

21 CaC: VEÍCULOS Protótipos já construídos e em testes

22 CaC: VEÍCULOS Protótipo de ônibus com Célula a Combustível - Alemanha Potência de 250 kw (10 células hp) Espaço ocupado pelo sistema das células é o mesmo do motor e câmbio originais. As células operam com hidrogênio e oxigênio do ar

23 ÁREAS DE ATUAÇÃO DO LH2 - UNICAMP Produção de Hidrogênio Produção eletrolítica de hidrogênio Reforma de hidrocarbonetos (gás natural e etanol) Utilização do Hidrogênio Estacionária Veicular

24 PRODUÇÃO ELETROLÍTICA DE HIDROGÊNIO Planta de eletrólise alcalina da água para a produção de H 2 ; Operou de 1982 a 2000; 2 eletrolisadores monopolares: 70 o C; 30% KOH aq ; 1,5 m 3 h -1 Produção entre 500 e m 3 por mês de hidrogênio ultrapuro ( % ou 5.5);

25 REFORMA DE HIDROCARBONETOS - ETANOL O LH2-UNICAMP e muitos grupos no Brasil estão muito interessados em desenvolver a tecnologia de reformadores de etanol para a produção de H 2. Vantagens do etanol: Combustível renovável; Preço ao consumidor é competitivo com gasolina (50 a 75%); O balanço de emissões de CO 2 é quase zero.

26 REFORMA DE HIDROCARBONETOS - ETANOL Reformador Alotérmico a vapor Catalisador de Cu/Ni suportado em alumina; Produção de hidrogênio: 0,5 m 3 h -1, suficiente para uma célula PEM de 500 W; Sistema de purificação do tipo peneira molecular: Antes da purificação : [H 2 ] = 68% Após a purificação : [H 2 ] > 99% [CO] < 35 ppm; [CH 4 ] e [CO 2 ] não observados.

27 REFORMA DE HIDROCARBONETOS - ETANOL Reforma de etanol ainda necessita pesquisa: UNICAMP, UEM, INT, IPEN/USP, UFSCAR. Estudo de catalisadores baratos e mais eficientes. Design do reformador. Sistemas de purificação do gás. Foto: Laboratório de Hidrogênio - UNICAMP

28 REFORMA DE HIDROCARBONETOS GÁS NATURAL Projeto desenvolvido em conjunto com a CPFL Implementação e operação de um sistema de geração distribuída no hospital das clínicas da UNICAMP O sistema de GD consiste de: Uma célula PEM de 10 kw a hidrogênio obtido através da reforma do gás natural;

29 UTILIZAÇÃO ESTACIONÁRIA DO HIDROGÊNIO Projeto financiado pela geradora AES Tietê Geração e utilização de H 2 em hidroelétricas O sistema gera hidrogênio nos horários de baixa demanda e o converte em energia elétrica nos horários de grande demanda (horário de pico) O sistema é composto de: Eletrolisador bipolar alcalino, 1 m 3 /h Armazenamento: H 2 comprimido, 4 bar PEMFC: HPower, 2 x 500 W Sistema de potência

30 UTILIZAÇÃO VEICULAR DO HIDROGÊNIO Plataforma de testes para sistemas de potência para veículos elétricos híbridos VEGA I: Moto-gerador a H 2 + Baterias + PV (1996) VEGA II: PEMFC Hidrogênio + Baterias (2003) VEGA III: Reformador de Etanol + H 2 PEMFC + Baterias (2005) VEGA I em Brasília VEGA I em Brasília

31 VEGA II em testes na UNICAMP PROJETO VEGA

32 PROJETO VEGA VEGA I Sistema de Potência Motor- Gerador Motor Elétrico Bateria s 10 2,5 kw 15 kw x 100 Ah Fonte de Hidrogêni o 2 cilindros 12 m bar Veloc. Máx. 50 km h -1 Autonomi a 50 km VEGA II PEMFC 7,5 20 kw 25 kw x 50 Ah 2 cilindros 12 m bar 70 km h km VEGA III PEMFC 7,5 20 kw 25 kw x 50 Ah Reforma de Etanol (5kW) 5 m 3 h

33 CONSIDERAÇÕES FINAIS Muitas notícias sobre células a combustível deixam transparecer que a tecnologia está totalmente pronta e que equipamentos comerciais podem ser facilmente adquiridos no mercado. Ainda há poucos modelos disponíveis comercialmente. Custos ainda são elevados. Podem ocorrer dificuldades na obtenção de materiais: elevação custos, escassez ou motivos estratégicos.

34 CONSIDERAÇÕES FINAIS O uso de fontes renováveis de energia se torna cada vez mais importante, num futuro cada vez mais próximo, e a tecnologia do H 2 contribui para uma utilização melhor e mais versátil dessas fontes. O domínio dessas tecnologias é de fundamental importância para redução das emissões de gases de efeito estufa e poluentes atmosféricos, visando a preservação do meio ambiente e das as formas de vida na Terra. Para que a comparação econômica entre as fontes fósseis e as renováveis seja justa, é necessário avaliar, em toda a sua extensão, os custos ambientais e à saúde pública associados ao uso dos combustíveis fósseis. Quando isso ocorrer, talvez possamos verificar que os custos das energias renováveis são bastante competitivos.

35 OBRIGADO