Sistemas Híbridos

visível que as células de combustível ocupam uma pequena parte do espaço total.

FONTE: http://www.eva.wsr.ac.at/publ/pdf/fuelcell_gas2.pdf

Para todas as pilhas de células de combustível com excepção das de menores potências é necessário um sistema de arrefecimento. No caso de sistemas combinados de produção de calor e energia, são normalmente usados os permutadores de calor, que permitem o uso do calor num outro lugar do processo. Às vezes, no caso das pilhas de células de combustível de temperatura mais altas, algum do calor gerado na pilha de células de combustível é usado em pré- aquecimento do combustível e/ou ar.

3.8 Sistemas Híbridos

3.8.1 Pilha de Células de Combustível + Micro-turbina

Um sistema híbrido pode definir-se como qualquer sistema de produção de electricidade que englobe mais do que um tipo de tecnologia. Dentro desta categoria de sistemas, os sistemas pilha de combustível / (Micro)turbina de gás têm sido alvo de atenção por parte de grandes fabricantes de equipamento para produção de electricidade.

As (micro)turbinas a gás apresentam a vantagem de produzir electricidade a baixo custo e com baixas emissões, mas o seu rendimento está termodinamicamente limitado pelo processo de combustão.

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As pilhas de células de combustível apresentam baixas emissões e elevados rendimentos a escalas relativamente pequenas, mas são ainda muito dispendiosas para a maioria das aplicações correntes.

Conjugando uma pilha de células de combustível (DFC) de alta temperatura (T>600ºC) com uma (micro)turbina a gás é possível produzir energia eléctrica com um redimento superior ao que seria obtido com qualquer uma das tecnologias isoladamente e a um custo que poderá ser intermédio.

Figura 3.24 - Rendimento dos sistemas híbridos (PC SOFC-Turbina gás) face a outras tecnologias

FONTE: www.siemmens.com

Os sistemas híbridos pilha de combustível / turbina de gás podem apresentar várias configurações consoante o tipo de pillha de células de combustível envolvida.

Devido ao facto de as pilhas de células de combustível do tipo SOFC atingirem uma temperatura de cerca de 1000ºC, podem funcionar no modo “topping”, ou seja, podem ser colocadas no ponto de temperatura máxima do ciclo.

Relativamente às pilhas de células combustível do tipo MCFC atingem temperaturas na ordem dos 600ºC e funcionam no modo “bottoming” sendo colocadas no ponto de temperatura mínima do ciclo. Na figura seguinte mostram-se uma das configurações possíveis, embora possam ser possíveis mais.

Figura 3.25 – Configuração de um sistema híbrido: pilha de células de combustível / micro-turbina

FONTE: www.siemmens.com

O quadro que se segue resume as características gerais de funcionamento de sistemas híbridos: pilha de células de combustível / turbina de gás.

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Tabela 3.3 - Características técnicas dos sistemas híbridos: pilha de células de combustível / turbina de gás. Fonte: “Opportunities for Micropower and Fuel Cell / Gas Turbine Hybrid Systems in Industrial Applications”, Arthur D. Little Inc

Rendimento eléctrico [%] 65 – 75

Vida útil [anos] 20 – 30 (estimada)

Emissões [g/kWh] CO2 (c/ gás natural) SO2 NOx CO UHC 270 – 310 desprezável <0.009 <0.027 <0.015

Ciclo de operação -Tipicamente deve ter elevadas taxas de utilização (65%) devido aos

elevados custos de fabrico e características de arranque / paragem - As pilhas de combustível de alta temperatura são apropriadas para funcionar em cogeração

- O potencial para a cogeração está limitado pelo rácio calor/electricidade do sistema

Dimensão típica dos sistemas - Híbridos com micro-turbina: 200 – 500kW - Outros sistemas: até 25MW

Manutenção - Inspecção / manutenção preventiva de rotina (trimestral/anual)

- Substituição das pilhas de combustível (5 – 10 anos)

3.8.2 Pilhas de Células de Combustível de Diferentes Tipos de Tecnologias Combinadas

Nos sistemas de pilhas de células de combustível nomeadamente nas de maior potência existem muitas oportunidades para o projecto em sistemas modernos, existindo um vasto campo de criatividade para os engenheiros especialistas nesta actividade. Um conceito bastante recente e que promete no futuro são os sistemas híbridos que consistem na combinação de diferentes tipos de pilhas de células de combustível. Com este tipo de combinação obtêm-se vantagens que permitem aumentar os benefícios de cada tipo de tecnologia de pilhas de células de combustível em relação a sua implementação individual (separada).

Um dos exemplos possíveis é a combinação da tecnologia SOFC com a PEMFC. Na parte do tipo de tecnologia SOFC o processamento interno directo dá- se sob condições que levam a uma fraca utilização do combustível produzido (parte do combustível não é usado pela SOFC). Isto faz com que exista uma saída de potência elevada do processamento, para um valor relativamente baixo da potência produzida pela pilha de célula de combustível SOFC. O combustível não utilisado aparece à saída do ânodo, onde vai sofrer uma reacção de troca ao combinar-se

com a água para gerar dióxido de carbono (sai para a atmosfera) e hidrogénio que passa a próxima étapa. Segue-se um estado de processo onde os vestigios de monóxido de carbono são removidos através da oxidação selectiva do gás rico em hidrogénio. Este gás uma vez arrefecido é suscepetível de ser usado como combustível numa PEMFC. Assim, o uso de dois tipos diferentes de pilhas de células de combustível para a produção de energia resulta num alto rendimento do sistema. Estes sistemas analisados do ponto de vista económico são bastante atraentes, uma vez que os estudos mostram, um custo de construção para a mesma potência maior só com a utilização das SOFC, porque os custos que se antecipam para as PEMFC são relativamente baixos em relação ao sistema (SOFC-PEMFC) [James,00]. Além disso esta associação pode permitir dispensar o processador de combustível externo da tecnologia PEMFC (normalmente para o gás natural) que é complexo, caro e grande. Este processamento do combustível é assim feito directamente sobre os eléctrodos da SOFC, sendo assim processado internamente neste tipo de pilha de células de combustível.

Figura 3.26 – Sistema de tecnologia híbrido SOFC-PEMFC

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Tabela 3.4 - Resumo das potências de saída do sistema híbrido mostrado na figura 3.26 Potência da pilha de células de combustível SOFC 369,3 kW Potência da pilha de células de combustível PEMFC 146,7 kW

Potência da turbina 100,3 kW

Potência do compressor -100,8 kW

Potência total de saída do sistema 515,5 kW

Potência eléctrica de saída do sistema 489,7 kW

Eficiência Global 61 %