Gerao de Energia e Desenvolvimento Sustentvel Boa noite

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável • Boa noite a todos • José Carlos Basilio – josecarlosbasilio@gmail. com • jcbasilio@wordpress. com – Categorias • FSA – Acadêmico – Geral FSA – Gestão de Energia - JCB Out/09 - 1

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Programação • Roteiro – 10/05/10 • Células a Combustível – 17/05/10 • Energia Eólica, Energia Solar, Energia das Marés, Biomassa FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 2

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Célula combustível • Quiz O que você sabe sobre essas miniusinas de eletricidade? • Qual é o tipo de célula a combustível que acabará energizando carros, ônibus e, talvez, até mesmo nossas casas? – Bateria de células a combustível – Célula a combustível com membrana para troca de prótons – Célula a combustível sem membrana para troca de prótons A célula a combustível com membrana para troca de prótons (PEMFC) é uma das tecnologias mais promissoras. A PEMFC faz uso de uma das mais simples reações da célula a combustível. FSA – Gestão de Energia - JCB Out/09 - 3

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Quiz • Qual é uma das metas prioritárias das células a A redução da poluição é uma das metas combustível? prioritárias da célula a combustível. Na – Redução da poluição – Barateamento do custo de produção – Aumento da potência comparação de um carro de célula a combustível com um a gasolina e com um a bateria, é fácil notar como os de células a combustível podem melhorar a eficiência dos automóveis. • Qual a eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva? – 10% – 20% – 30% FSA – Gestão de Energia - JCB A eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva é de 20%. Isto é, cerca de 20% do conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida em trabalho mecânico. Out/09 - 4

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Quiz • Qual a tecnologia de células a combustível usada no programa espacial dos EUA desde a As células a combustível alcalinas década de 1960? (AFC) Estão entre os mais antigos – Células a combustível de óxido sólido – Células a combustível do ácido fosfórico – Células a combustível alcalinas • Qual a tecnologia com potencial para ser empregada em pequenos sistemas estacionários de geração de energia? projetos. Têm sido usadas no programa espacial dos Estados Unidos desde a década de 1960. A AFC é bastante suscetível à contaminação, por isso exige hidrogênio puro e oxigênio. – Células a combustível do ácido fosfórico – Células a combustível de óxido sólido – Células a combustível de carbonato fundido FSA – Gestão de Energia - JCB Células a combustível do ácido Fosfórico (PAFC) poderão ser potencialmente empregada em pequenos sistemas estacionários de geração de energia. Como operam em temperaturas mais altas do que as das células a combustível PEM, exigem mais tempo para se aquecerem. Out/09 - 5

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Quiz • Os carros abastecidos com células a combustível são semelhantes a que tipo de carros? – Carro a gasolina – Carro elétrico – Carro a diesel Os carros abastecidos com células a combustível devem começar a substituir os de gasolina e diesel dentro de alguns anos. Tal carro, bastante semelhante ao carro elétrico, usa a célula a combustível e o reformador ao invés de baterias. • Provavelmente o carro movido à célula a combustível será abastecido com o quê? – Etanol – Propano – Metanol FSA – Gestão de Energia - JCB Muito provavelmente seu carro à célula a combustível será abastecido com metanol, embora algumas companhias estejam desenvolvendo reformadores de gasolina. Out/09 - 6

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Quiz • Sob o ponto de vista técnico, o que é uma célula a combustível? – Aparelho conversor de energia eletroquímica – Aparelho conversor de energia eletroestática – Aparelho conversor de energia eletromagnética Sob o ponto de vista técnico, uma célula a combustível é um aparelho conversor de energia eletroquímica. A célula a combustível converte os elementos químicos hidrogênio e oxigênio em água, e gera eletricidade enquanto faz isso. • Como deveria ser chamada a célula a combustível? – Bateria a combustível – Pilha a combustível – Carregador a combustível FSA – Gestão de Energia - JCB A célula a combustível deveria ser chamada de pilha a combustível, mas o termo célula acabou prevalecendo. Out/09 - 7

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Quiz • A célula a combustível fornece tensão de que tipo? – Corrente alternada – Corrente negativa – Corrente contínua FSA – Gestão de Energia - JCB A célula a combustível fornece tensão em CC (corrente contínua) que pode ser empregada para energizar motores, lâmpadas e outros aparelhos elétricos. Out/09 - 8

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Ca. C – vídeo Ca. C parte 1 Ca. C parte 2 Ca. C parte 3 FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 9

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Contextualização do tema FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 10

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Contextualização do tema FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 11

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Contextualização do tema FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 12

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Eficiência Porque célula a combustível é uma alternativa? • Possui elevada eficiência de conversão*: – elétrica 50%, – com cogeração 80% (calor pode ser usado para aquecer água). • Geração no local, sem poluição química (porque produz somente água) e sem poluição sonora. • Vida útil de 40. 000 horas. *depois de cem anos de existência, a eficiência de um motor a combustão é de apenas 20%! As plantas mais eficientes de geração de energia têm eficiência de 33 a 35% FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 13

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Outras vantagens • A produção de energia sem combustão e sem partes móveis das Ca. Cs as faz até 25% mais eficientes que os motores a combustão interna, reduzindo a emissão de poluentes e de dióxido de carbono. • Mesmo com hidrogênio obtido de fontes fósseis como o petróleo e o gás natural, a emissão de dióxido de carbono (CO 2) cai de 25 a 50%, e a fumaça produzida quando comparada com equipamentos tradicionais como os geradores a diesel, diminui em 99%. • As fontes de energia renováveis são cruciais pois durante o crescimento destes, como a cana-de-açúcar, ocorre o seqüestro de carbono presente na atmosfera (CO 2), além de liberarem o oxigênio. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 14

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Revolução Industrial Século XVII 1698 - Thomas Newcomen, em Staffordshire, na GrãBretanha, instala um motor a vapor para esgotar água em uma mina de carvão. Século XVIII 1709 - Abraham Darby, em Coalbrookdale, Shropshire, na Grã-Bretanha, utiliza o carvão para baratear a produção do ferro. 1765 - James Watt, na Grã-Bretanha, introduz o condensador na máquina de Newcomen, componente que aumenta consideravelmente a eficiência do motor a vapor. 1780 - Edmund Cartwright, de Leicestershire, na Grã-Bretanha, patenteia o primeiro tear a vapor. 1800 - Alessandro Volta, na Itália, inventa a bateria elétrica. Século XIX 1803 - Robert Fulton desenvolveu uma embarcação a vapor na Grã-Bretanha. 1825 - George Stephenson concluiu uma locomotiva a vapor, e inaugura a primeira ferrovia, entre Darlington e Stockton-on-Tees, na Grã-Bretanha. 1830 - A Bélgica e a França iniciaram as respectivas industrializações utilizando como matériaprima o ferro e como força-motriz o motor a vapor. 1885 - Gottlieb Daimler inventou um motor a explosão. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 15

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável ‘Descarbonização’ da energia A economia baseada no hidrogênio como fonte energética representaria o fim da presença do carbono nas fontes de energia. O desenvolvimento da tecnologia das células a combustível, inicialmente para as naves espaciais e, nas últimas duas décadas, para geração de energia elétrica tanto estacionária como em veículos é um fator extremamente importante na tendência para a utilização do hidrogênio como vetor energético. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 16

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Metanol O metanol é um líqüido, inflamável e possui chama invisível. Possui fórmula química CH 4 O A tualmente é obtido pela reação do gás de síntese (produzido a partir de origens fósseis, como o gás natural), uma mistura de H 2 com CO passando sobre um catalisador metálico a altas temperaturas e pressões. Esta reação processa-se à temperatura de cerca de 300°C e pressões de 200 a 300 atm. A equação da reação é: CO + 2 H 2 → H 3 C-OH Ele também pode ser produzido a partir da cana-de-açúcar. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 17

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Um pouco de história FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 18

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Pilha comum, Bateria e Célula a Combustível FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 19

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Funcionamento básico da Ca. C • A estrutura básica de uma célula a combustível consiste de três partes: -ânodo, -cátodo e um -eletrólito. O combustível básico de uma célula a combustível é o hidrogênio, que reage com o oxigênio produzindo água e eletricidade. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 20

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Reação Química • No ânodo 2 H 2 => 4 H+ + 4 e- • No cátodo O 2 + 4 H+ + 4 e- => 2 H 2 O + energia FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 21

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Tipos de Célula a Combustível FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 22

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Ca. C Alcalina - AFC • O eletrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH. • Pilhas AFC utilizadas no programa Apollo da NASA. • Os eletrólitos alcalinos (p. ex. Na. OH e KOH) dissolvem o CO 2 (prejudica a célula!). • O eletrólito apresenta custos reduzidos. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 23

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Ca. C Membrana - PEMFC • Simplicidade de funcionamento. • Problemas de corrosão mínimos. • O catalisador utilizado é a platina. • Os combustíveis utilizados podem ser, por exemplo, metanol, metano, propano, etc. • O metanol (líquido) pode ser facilmente transportado e armazenado. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 24

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Ca. C Ácido Fosfórico - PAFC • As primeiras a serem produzidas. Unidades de 200 k. W instaladas nos Estados Unidos e na Europa. • Sistema de produção de energia elétrica seguro. • Sistemas funcionaram continuamente durante anos sem qualquer manutenção. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 25

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Ca. C Carbonato Fundido - MCFC • Pode-se utilizar o níquel como catalisador no ânodo e óxido de níquel no cátodo (dada a alta temperatura) não sendo necessária a utilização de metais nobres. • Pode utilizar-se diretamente gás natural, não havendo a necessidade da utilização de “reformadores” externos. • Eletrólito corrosivo (lítio, potássio e carbonatos de sódio). FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 26

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Ca. C Óxido Sólido - SOFC • Velocidades de reação elevadas sem a utilização de catalisadores nobres. • Metano pode ser utilizado diretamente, sem unidade de reformação externa. • Os materiais cerâmicos acarretam dificuldades adicionais na sua utilização, envolvendo custos de fabrico elevados e sendo necessários muitos equipamentos extras para que a célula produza energia elétrica. FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 27

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Energia Eólica FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 28

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável • Energia Eólica: – – abundante, renovável, limpa e disponível em muitos lugares. • Aerogeradores, – a força do vento é captada por hélices ligadas a uma turbina que aciona um gerador elétrico. • Potencial de aproveitamento no Brasil: 143. 000 MW FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 29

Geração de Energia e Desenvolvimento Sustentável Legislação • O governo federal criou em abril de 2002 pela Lei no 10. 438 o Programa de Incentivos às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa) – fonte eólica, – biomassa e – PCH FSA – Gestão de Energia - JCB Mai/10 - 30