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Boa noite a todos José Carlos Basilio josecarlosbasilio@gmail.com jcbasilio@wordpress.com Categorias FSA Acadêmico Geral. Programação. Roteiro 10/05/10 Células a Combustível 17/05/10 Energia Eólica, Energia Solar, Energia das Marés, Biomassa. Célula combustível. Quiz
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Boa noite a todos • José Carlos Basilio • josecarlosbasilio@gmail.com • jcbasilio@wordpress.com • Categorias • FSA • Acadêmico • Geral
Programação • Roteiro • 10/05/10 • Células a Combustível • 17/05/10 • Energia Eólica, Energia Solar, Energia das Marés, Biomassa
Célula combustível • Quiz • 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 O que você sabe sobre essas miniusinas de eletricidade? 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.
Quiz • Qual é uma das metas prioritárias das células a combustível? • Redução da poluição • Barateamento do custo de produção • Aumento da potência • Qual a eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva? • 10% • 20% • 30% A redução da poluição é uma das metas prioritárias da célula a combustível. Na 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. 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.
Quiz • Qual a tecnologia de células a combustível usada no programa espacial dos EUA desde a década de 1960? • 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? • Células a combustível do ácido fosfórico • Células a combustível de óxido sólido • Células a combustível de carbonato fundido As células a combustível alcalinas (AFC) Estão entre os mais antigos 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 (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.
Quiz • Os carros abastecidos com células a combustível são semelhantes a que tipo de carros? • Carro a gasolina • Carro elétrico • Carro a diesel • Provavelmente o carro movido à célula a combustível será abastecido com o quê? • Etanol • Propano • Metanol 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. Muito provavelmente seu carro à célula a combustível será abastecido com metanol, embora algumas companhias estejam desenvolvendo reformadores de gasolina.
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 • Como deveria ser chamada a célula a combustível? • Bateria a combustível • Pilha a combustível • Carregador a combustível 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. A célula a combustível deveria ser chamada de pilha a combustível, mas o termo célula acabou prevalecendo.
Quiz • A célula a combustível fornece tensão de que tipo? • Corrente alternada • Corrente negativa • Corrente contínua A célula a combustível fornece tensão em CC (corrente contínua) que pode ser empregada para energizar motores, lâmpadas e outros aparelhos elétricos.
CaC – vídeo CaC parte 1 CaC parte 2 CaC parte 3
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%
Outras vantagens • A produção de energia sem combustão e sem partes móveis das CaCs 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 (CO2) 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 (CO2), além de liberarem o oxigênio.
Revolução Industrial Século XVII 1698 - Thomas Newcomen, em Staffordshire, na Grã-Bretanha, 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 matéria-prima o ferro e como força-motriz o motor a vapor. 1885 - Gottlieb Daimler inventou um motor a explosão.
‘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.
Metanol O metanol é um líqüido, inflamável e possui chama invisível. Possui fórmula química CH4O A tualmente é obtido pela reação do gás de síntese (produzido a partir de origens fósseis, como o gás natural), uma mistura de H2 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 H2 → H3C-OH Ele também pode ser produzido a partir da cana-de-açúcar.
Funcionamento básico da CaC • 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.
Reação Química • No ânodo 2 H2 => 4 H+ + 4 e- • No cátodo O2 + 4 H+ + 4 e- => 2 H2O + energia
CaC Alcalina - AFC • O eletrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH . • Pilhas AFC utilizadas no programa Apollo da NASA. • Os eletrólitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH) dissolvem o CO2 (prejudica a célula!). • O eletrólito apresenta custos reduzidos.
CaC Membrana - PEMFC • Simplicidade de funcionamento. • Problemas de corrosão são mínimos. • O catalisador utilizado é a platina. • Os combustíveis utilizados podem ser, por exemplo, metanol, etanol, metano, propano, etc. • O metanol (líquido) pode ser facilmente transportado e armazenado.
CaC Ácido Fosfórico - PAFC • As primeiras a serem produzidas.Unidades de 200 kW instaladas nos Estados Unidos e na Europa. • Sistema de produção de energia elétrica seguro. • Sistemas funcionaram continuamente durante anos sem qualquer manutenção.
CaC 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).
CaC 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.
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: 143.000MW
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
