eletrólise cepel

1. Encontro Brasileiro de Energia do Hidrognio, So Paulo | AGO 2006


Clulas a Combustvel:

Atividades do CEPEL

1. Encontro Nacional do

Hidrognio

IPEN, Agosto 2006

Eduardo T. Serra Jos Geraldo de M. FurtadoD I R E T O RIA D E P&D DEPTO. DE TECNOLOGIAS ESPECIAIS


Roteiro da Apresentao

< Introduo

< Clulas a Combustvel

< Aspectos Bsicos

< Aplicaes

< Insero no Mercado

< Aspectos Crticos

< Anlise Tcnico-econmica

< Atividades do CEPEL

< Unidade de Demonstrao (5kW)

< Reforma de Etanol

< Desenvolvimento de Componentes

< Modelagem - Aproveitamento do rejeitotrmico

< Anlise tcnico-econmica

< Concluses

Unidade Ilha do Fundo

Unidade Adrianpolis


Originalmente concebidas em 1839 por William Grove, como o processo inverso da eletrlise da gua;

So dispositivos eletroqumicos que convertem a energiaqumica de uma reao diretamente em energia eltrica.

Clula a CombustvelAspectos Bsicos


Anodo: H2 2H+ + 2e-Catodo: O2+2e-+ 2H+ H2

Oxidante

Sada gases

H2 Ar + CO2

Ar + CO2 (exc)

2H2H++

ee--

Anodo Catodo

EletrEletrlitolito

CO32-

HH++

OO22

Ar

ArAr (exc(exc.)

HH22OO

ee--

+ calor

HH++



Reformador COMB

H2

Produtos da reao reao

Circu

ito d

o A

no

do

AN

OD

O

Circu

ito d

o C

ato

do

CA

TO

DO

Carga Eltrica

Circuito Eltrico

Circuito de Refrig.

Circuito de Hidratao

Produtos da reao

O2 ou Ar



VantagensVantagens::

< Perspectiva de altaeficincia e confiabilidade;

< Excelente desempenho em cargas parciais;

< Ausncia ou baixasemisses;

< Expectativa de intervaloselevados entre falhas;

< Silenciosas pela ausnciade partes mveis;

< Modularidade e operaoremota;

< Flexibilidade de utilizaode combustveis

DesvantagensDesvantagens::

< Vida til limitada (vida til real desconhecida);

< Eficincia eltrica decrescenteao longo da vida;

< Investimento inicial aindamuito elevado;

< Poucas unidades de demonstrao;

< Poucos provedores datecnologia;

< Tecnologia pouco divulgadapara gerao estacionria;



Clula a CombustvelProduo de Hidrognio

Fonte: European Commission- High Level Group for Hydrogen and Fuel Cells


Distribuda

Clula a CombustvelAplicaes Gerao Estacionria

Centralizada


CentralizadaCentralizada X X DistribuDistribudada



Insero no MercadoFatores Crticos

< Custo (produo, instalao e manuteno);

< Escala de produo (unidades por ano);

< Nmero de fabricantes de componentes e unidades;

< Receptividade da sociedade (segurana, normas, padres);

< Concorrncia entre mercados de energia eltrica e insumos (GN, hidrognio, etanol, metanol, etc);

< Eficincia e durabilidade;

< Competio entre tecnologias de GD e entre tecnologias de CaC;

< Evoluo tecnolgica (tolerncia a contaminantes, materiais e engenharia dos componentes e engenharia de operao/controle).


Componente Eficincia Custo Relativo

Reformador (Processador de combustvel) 79% 40%

Empilhamento de CaC (Fuel Cell Stack) 57% 27%

Condicionamento de Potncia 95% 18%

Controle e Instrumentao 90% 15%

Total 39% 100%

Eficincia e Custo Relativo dos Componentes



36%

15%19%

6%

15%

5% 4% Catalisadores - Matria-prima (Pt/Ru)

Fabricao dos Catalisadores

Membranas

Placas difusoras de gases

Placas bipolares

Sistemas de vedao

Outros


Custo Relativo para Preparao de MEAs


Mercado Parmetros

Domstico Comercial Industrial

Gs natural (US$/kWh) 0,02 0,04 0,02 0,04 0,01 0,03

Energia Eltrica (US$/kWh) 0,08 0,16 0,08 0,16 0,04 0,12

Vida til da CaC (Anos) 5 12 5 12 5 12

Investimento aceitvel (US$/kW) 600 1400 400 1800 500 800

Unidade PEMFC

tamanho (kW)

Baixo Volume de Produo

(10.000 unid/ano)

Alto Volume de Produo

(100.000 unid/ano)

Preo (US$/unid.) US$/kW Preo (US$/unid.) US$/kW

10 kW 16.000 1.600 5.000 500

25 kW 25.000 1.000 7.500 300

50 kW 40.000 800 12.000 240



(*) Preos: base junho/2003(**) Metanol: Preo virtual

Combustvel PCI por

unidade de massa

PCI por unidade de

volume

Massa especfica

Referncia R$(*)

R$/GJ

Hidrognio 119.600 kJ/kg 9.967 kJ/m3 0,083 kg/m3 3/m3 a

18/m3 300 a 1.800

Gs natural 49.694 kJ/kg 35.780 kJ/m3 0,72 kg/m3 0,50/m3 a 1,60/m3 14 a 45

GLP 46.044 kJ/kg 100.836 kJ/m3 2,19 kg/m3 29/butijo de 13kg 48

Etanol hidratado 26.378 kJ/kg 21.334 kJ/L 0,809 kg/L 1,57/L 74

Metanol 19.900 kJ/kg 15.820 kJ/L 0,795 kg/L 1,06/L(**) 67(**)

Gasolina 44.173 kJ/kg 32.776 kJ/L 0,742 kg/L 2,20/L 67

Diesel 43.335 kJ/kg 36.922 kJ/L 0,852 kg/L 1,54/L 42



< Especificao de sistemas, desenvolvimento e avaliao de desempenho de componentes de sistemas de CaC(PEMFC e SOFC);

< Desenvolvimento de reformador de etanol em parceria com outras instituies (INT e IPEN)

< Simulao e controle de sistemas de gerao, base de CaC, no mbito da GD;

< Modelagem de sistemas de gerao para otimizao operacional e aproveitamento do rejeito trmico das CaCe do reformador de combustvel;

< Avaliao tcnica e econmica de sistemas base de CaC.

Atividades do CEPEL


Atividades do CEPELUnidade de Demonstrao


Atividades do CEPELReforma de Etanol

q Projetos do Fundo Setorial CT-Energ e CHESF/ANEEL

qParceria CEPEL/INT/IPEN

q Objetivos

q Estudar a cintica das reaes de reforma do etanol

q Projetar os reatores para a reforma do etanol e para as reaes de shift e de oxidao do CO

q Estudar uma rota alternativa de purificao do gs de reforma, atravs de permeao em membrana de paldio

q Construir o sistema de produo de hidrognio a partir do etanol e avaliar o desempenho (eficincia e pureza do H2)

q Integrar o reformador CaC existente no CEPEL.


Desenvolvimento de placas separadoras metlicas revestidasRede PEM/MCT CEPEL- Mestrado COPPE/UFRJ F.Rodrigues

Atividades do CEPELDesenvolvimento de Componentes


Placas Bipolares

Determinao da RCI de amostras de ao inox com e sem revestimento


Placas Bipolares

Curva RCI X Presso (amostra B4)

20

40

60

80

100

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Corrente aplicada = 1 ATa = 23 2 C

Amostra de Ao Inox AISI 316 + Revestimento B

Presso (N/cm2)

RC

I (

m?

*cm

2)


Presso = 220N/cm

RCI de amostras com e sem revestimentos

A = TiNB = CrNC = N(inica)D = DLC

Placas Bipolares

Presso = 220 N/cm Corrente aplicada 1 A

Tamb. 23 2 C

79

7 13

199

577

20

100

200

300

400

500

600

S/Rev. A B C D Grafite

Revestimento

RC

I (m

oh

ms.

cm)

RC

I (m

?.c

m2 )

Revestimento


Atividades do CEPELModelagem

Diagrama de Blocos do Projeto de Modelagem do SistemaOtimizao Operacional e Aproveitamento do Rejeito Trmico

Rede PEM/MCT CEPEL Mestrado COPPE/UFRJ, Diana A. Siqueira


Atividades do CEPELModelagem

Diagrama de Blocos do Projeto de Modelagem do Sistema


Atividades do CEPELAnlise Tcnico-econmica


y = 0.61x + 0.46

y = 0.38x + 0.29

y = 0.52x + 0.052

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Custo do gs natural - US$/Nm3

Hid

rog

nio

- U

S$/

Nm

3

100Nm3/h 200Nm3/h 2000Nm3/h



US$/kg US$/Nm3

ELETRLISE 3,50 0,32

REFORMA GN 1,50 0,14

GASEIFICAO BIOMASSA 2,60 0,23

PIRLISE BIOMASSA 2,90 0,23

PROJEAO DO CUSTO - 2010

Fonte: Devlin, P., Milliken, J., Petrovic, J., Read, C. and Satyapal, S. Hydrogen Production and Storage R&D,Proceedings: Fuel Cell Seminar 2003, Miami

US$3,50/kg = US$29,30/GJ (Eletrlise)

US$1,50/kg = US$12,54/GJ (Gs Natural)



Processo Fonte US$/kmol H2 US$/kg H2 US$/m3 H2US$/m3 H2 + Custos de

Capital e O&M

Energia Nuclear - US$19/MWh 1,503 0,752 0,068 0,238Energia Nuclear - US$50/MWh 3,955 1,978 0,178 0,348Hidreltrica US$40/MWh 3,164 1,582 0,142 0,312Hidreltrica US$15/MWh 1,186 0,593 0,053 0,223Hidreltrica US$5/MWh 0,396 0,198 0,018 0,188Termeltrica a gs natural US$40/MWh 3,164 1,582 0,142 0,312Energia elica US$75/MWh 5,932 2,966 0,267 0,437Solar fotovoltaica US$300/MWh 23,727 11,864 1,067 1,237

US$ 0,00/MWh 0,170

US$ 5/MWh 0,193

US$ 40/MWh 0,350

US$ 50/MWh 0,395

US$ 75/MWh 0,508

US$ 300/MWh 1,520

Gas natural US$ 0,031842/m3, Nigro IPEN, 2004 0,243 0,122 0,011 0,471

Gas natural US$ 0,12/m3, seg. Simader, G. 0,600

Gas natural US$ 0,74/m3, seg. Simader, G. 0,910

Gas Natural US$ 0,031842/m3, seg. Simader, G. 0,479

Gas Natural US$ 0,00/m3, seg. Simader, G. 0,460

Gasolina US$ 0,34/L 2,700 1,350 0,121Metanol US$ 0,145/L 2,387 1,194 0,107Biogs US$ 0,29/m3 3,427 1,714 0,154Etanol - US$ 0,40/L (reforma com etanol) 3,904 1,952 0,175Etanol - US$ 0,40/L (reforma com GN) 2,911 1,456 0,131

Reforma - Combustveis Renovveis

Instalao para produo de 100 Nm3/horaReforma - Combustveis Fsseis

Simader, G. - Fuel Cell Technologies for Hydrogen (Part I: Basic Principles), Lisboa,15-19 April 2002.

Instalao para produo de 100 Nm3/h

CUSTO

Eletrlise, Nigro, IPEN, 2004



Parcela do custo de gerao devido ao combustvel, em funo do preo especfico do combustvel e da eficincia eltrica considerada.



Parcela do custo de gerao devido aos investimentos e ao tempo de amortizao do investimento. A parcela de O & M j est somada nas curvas apresentadas.



100 200 300 350 400 500 600 700 800 900

15%aa, 10anos, ef. = 35%

Preo do combustvel, R$/GJ

Pre

o d

o eq

uipa

men

to, R

$/K

W

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 10 20 30 40 50 60 70

Custo daeletricidade

gerada,R$/MWh:



Caso Base da Anlise de Sensibilidade



Anlise de sensibilidade monoparamtrica



Anlise de sensibilidade biparamtrica

Atividades do CEPELAnlise Tcnico- econmica


0

50

100

150

200

250

0:00 1:30 3:00 4:30 6:00 7:30 9:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 0:00

HORR I O ( H H : M M )

Pot.Mdia Semana (kW)

Pot. CaC (kW)

Edifcio residencial de classe mdia com 116 unidades



DADOS DE SADA I. Energia Associada CaC I.1. Energia Eltrica Produzida 701,620 kWh/anoI.2. Energia Trmica Produzida 3,247.8 GJ/anoI.3. Energia Requerida do Combustvel 7,216.7 GJ/anoI.4. Combustvel Cons. (Volume) GN Acomp. Carga 183,369 Nm3/anoII. Energia Deslocada pela CaC II.1. Reduo na Demanda Anual com Acomp.de Carga 80.1 kW.anoII.1a. Reduo na Demanda Anual com CaC na Base 80.1 kW.anoII.2. Eletricidade Consumida no Imvel 701,620 kWh/anoII.3. Eletricidade Vendida Concessionria 0 kWh/anoII.4. Energia Trmica Aproveitada 3,247.5 GJ/anoIII. Economia Energtica Anual (Consumidor) III.1. Eletricidade 221,712.04 R$/anoIII.2. Energia Trmica 72,137.22 R$/anoIII.3. Receita de Venda de Eletricidade 0.00 R$/anoIV. Despesas Anuais (Consumidor) IV.1. Combustvel 160,307.20 R$/anoIV.2. Manuteno 28,099.90 R$/anoIV.3. Amortizao do Investimento 105,442.16 R$/anoV. Incentivos/Subsdios V.1. Incentivo Anual Concedido pela Concessionria 0.00 R$/anoV.2. Desconto na tarifa de Gs 0.00 R$/anoVI. Balanos Econmicos VI.I. CONSUMIDOR VI.I.a. Economias e Receitas Anuais 293,849.26 R$/anoVI.I.b. Despesas Anuais 293,849.26 R$/anoVI.I.c. Incentivos e Subsdios 0.00 R$/ano

GANHO (PERDA) PARA O CONSUMIDOR 0.00 R$/ano

VI.II. CONCESSIONRIA VI.II.a. Postergao de Investimentos (Demanda) 7,250.72 R$/anoVI.II.b. Energia Disponibilizada (Venda Tarifa Mdia) 104,763.15 R$/anoVI.II.c. Energia Residencial no Vendida aps CaC 221,712.04 R$/ano

GANHO (PERDA) PARA A CONCESSIONRIA (109,698.17) R$/ano

DADOS DE ENTRADA I. Carga Eltrica Demanda de Pico 173.0 kWConsumo Anual de Eletricidade 1,158,728 kWh/anoDemanda Mnima 106.6 kWDemanda Mdia 132.3 kWII. Carga Trmica Demanda Trmica Anual 2,760.3 GJ/anoForma de Aquecimento de gua 2 Chuv=1 Gas=2Deslocamento % Anual da Carga Trmica 100% %Deslocamento Anual do Consumo de Gs 2,760.3 GJ/anoTemperatura Requerida 60 oCEficincia do Sistema de Aquecimento 85% %Energia Trmica Requerida 3,247.5 III. Clula a Combustvel Potncia 80.1 kWFator de Carga sem Venda de EE para a Concessionria 100% %

Fator de Carga com Venda de EE para a Concessionria 100% %

Meses de Operao por Ano 12 ms/anoPotncia Mdia de Operao 80.1 KWEficincia Eltrica 35% %Eficincia Trmica 45% %Venda de Energia para a Concessionria? 1 S=1/N=2Preo de Venda 0.082 R$/kWhCusto Unitrio de Instalao da CaC 2,201.41 US$/kWCusto de Instalao da CaC 470,686.46 R$ IV. Custos da Energia Demanda 0.00 R$/kW/msEletricidade (Mdia Residencial Light) 0.316 R$/kWhEletricidade (Mdia Light) 0.216 R$/kWhCombustvel (Gs Natural Industrial) 22.21 R$/GJCusto Marginal de Capacidade Instalada 131.20 R$/kWanoIncentivo/Benefcio Concedido pela Concessionria EE 30.00% %

Desconto na tarifa de GN 0% %Manuteno varivel 0.040 R$/kWhManuteno fixa 27,065.13 R$Forma de Cobrana da Manuteno 1 Var=1 Fixa=2V. Fatores Econmicos Taxa de Juros 15% %aaVida til 10 anoFator de Anualizao do Investimento 0.2240 VI. Forma de Operao Acompanhamento de Carga ou Potncia Fixa 1 Acomp=1 Fixa=2A CaC Posterga Investimentos para a Concessionria? 1 S=1/N=2

Fator de Carga Mdio da Concessionria 69% %




Livro publicado pelo CEPEL

Introduo Clulas a Combustvel O Combustvel das Clulas a Combustvel Custos Futuros Cenrios de Progresso Tecnolgica Mercado Impactos da Insero das Clulasa Combustvel no Mercado dasConcessionrias de Energia Eltrica


Concluses

q O sistema eltrico brasileiro difere substancialmente da

maioria dos pases desenvolvidos, pela predominncia da

gerao hidrulica de energia eltrica;

q Fatores ambientais ainda no pressionam o emprego de

clulas a combustvel na gerao estacionria;

q Existem nichos de mercado para as clulas a

combustvel, relacionados qualidade e confiabilidade da

energia eltrica gerada;


Concluses

q A competio entre o custo da energia eltrica e o dos

insumos energticos pode criar um mercado para clulas a

combustvel (residencial e comercial), desde que haja uma

reduo de custo das mesmas (US$/kW);

q O atendimento de comunidades isoladas atravs de

clulas a combustvel pode ser atrativo pela diversidade de

combustveis.


Concluses

q H necessidade de aperfeioamento da tecnologia de

CaC (aumento da eficincia e reduo dos custos de

investimento);

q As CaC podem se beneficiar de subsdios em um cenrio

de incentivos a implementao de tecnologias eficientes e

limpas;

q O aproveitamento e a contabilizao do rejeito trmico

(co-gerao - aquecimento ou refrigerao) implica em

aumentar a eficincia de utilizao do combustvel.


ObrigadoObrigado

Contato: Eduardo T. SerraContato: Eduardo T. SerraPesquisador ConsultorPesquisador ConsultorDiretoria de P&DDiretoria de P&[email protected]@cepel.br(21) 2598 6163(21) 2598 6163

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