PRODUÇÃO DE HIDROGÉNIO, ASSISTIDO POR ENERGIA EÓLICA

(1)

ENERGIA EÓLICA

Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e

Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Ricardo Emanuel Afonso Dias de Almeida

(2)

Demonstrar a viabilidade da produção de hidrogénio a partir de fontes

inteiramente renováveis (energia eólica), utilizando a energia eléctrica para

electrólise da água (H

₂

O).

Enquadramento

energético

Resultados

Conclusão

Metodologia

Hidrogénio

(3)

Estima-se que o consumo mundial de energia poderá crescer 44 por cento, entre o período de 2006 a 2030, de 472 para os 678 quatriliões de BTUs. Quatriliões de BTUs

Resultados

Conclusão

Metodologia

Objectivos

Hidrogénio

(4)

Estima-se que a produção de electricidade a partir de energias renováveis passe de 19% em 2006, para 21% em 2030.

Quatriliões de BTUs

Resultados

Conclusão

Metodologia

Objectivos

Hidrogénio

(5)

Situação energética em Portugal

Portugal apresentou na Estratégia Nacional para a Energia em 2005, o objectivo de produzir em 2010, 45% da energia eléctrica a partir de fontes renováveis . Evolução da energia eléctrica produzida a partir de fontes renováveis (GWh).

Resultados

Conclusão

Metodologia

Objectivos

Hidrogénio

(6)

Combustível PCS em KJ/g Rácio PCI em KJ/g Rácio Hidrogénio 141,86 ― 119,93 ― Metano 55,53 2,55 50,02 2,40 Propano 50,36 2,82 45,60 2,63 Gasolina 47,50 2,99 44,50 2,70 Gasóleo 44,80 3,17 42,50 2,82 Metanol 19,96 7,11 18,05 6,64 Tem a mais elevada energia por unidade de peso comparativamente com outros tipos de combustível.

Resultados

Conclusão

Metodologia

Objectivos

Enquadramento

energético

O hidrogénio é considerado um vector energético, uma vez que para ser obtido é necessário gastar energia na dissociação de uma fonte primária de energia. Na electrólise temos a seguinte reacção: 2 2 2

2

2 H

O

+

electricid

ade

→

H

+

O

(7)

A reforma do gás natural, a gaseificação do carvão e a reforma de petróleo são responsáveis pela maior parte do hidrogénio produzido hoje. São fontes de energia convencionais e poluentes.

Resultados

Conclusão

Metodologia

Objectivos

Enquadramento

energético

(8)

Registos da velocidade do vento obtidos através de uma estação meteorológica requisitada ao Departamento de Ciências de Engenharia e Ambiente (DCEA) da FCT/UNL . Realizada no Edifício do Departamento de Engenharia Electrotécnica.

Resultados

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(9)

No piso inferior (‐1) do referido edifício, encontrava‐se uma sala com o seguinte equipamento: um rectificador, um inversor, placas de distribuição e um multímetro, que por sua vez estavam ligados por cabos eléctricos à rede eléctrica. Piso inferior (‐1) do DEE onde eram registados os valores de Corrente e Tensão eléctrica.

Resultados

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(10)

Resultados

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(11)

Realizada no Laboratório de Nanotecnologia, pretendendo‐se extrapolar em laboratório através de um mini – aerogerador, os valores de corrente e tensão obtidos pelo aerogerador comercial Utilizar a corrente eléctrica produzida, para efectuar a electrólise da água, de modo a produzir hidrogénio.

Resultados

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(12)

0 1 2 3 4 5 6 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

Variação da corrente eléctrica com a Velocidade do

vento

I (A) V (m/s)

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(13)

0 100 200 300 400 500 600 2 3 4 5 6 7

Variação da Potência eléctrica com a

Velocidade do Vento

Variação da Potência eléctrica com a Velocidade do Vento m/s Watts Curva de potência do aerogerador (dados do fabricante) Watts m/s

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(14)

Veloc. Vento (m/s) Potência eléctrica (Dados do fabricante) Potência eléctrica (Dados reais obtidos) Diferença (%) 3,0 190 64,64 193,94% 4,0 300 188,87 58,84% 5,0 450 350,37 28,44% Análise comparativa dos dados de potência eléctrica fornecidos pelo fabricante e os dados reais obtidos.

A partir da curva de potência fornecida pelo fabricante do aerogerador, e retirando um dado ponto (x = 10; y = 2375) dessa curva, aplicando a fórmula P = ½ ρ × v 3_{× π×r}2_{×Cp, temos que:} 2375 = 0,5 × 1,225 × 103_{×3.141593 ×1,6}2_{× Cp ⇔ Cp = 0,482} Rendimento do aerogerador é de 48,2 %.

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(15)

Espeficificações Aerogerador do DEE (2 kW) Aerogerador Proven WT (2,5 kW)

Potência unitária (Watts) 2000 2500

Número de Pás 3 3

Diâmetro das Pás (m) 3,2 3,5

Velocidade de vento mínima (m/s) 2 2,5

Velocidade de vento máxima (m/s) 16 12

Rotações por minuto 400 300

Recorreu‐se a um estudo nas Ilhas Falkland (Port Louis) onde as velocidades do vento são superiores às registadas na FCT/UNL (mês de Julho).

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(16)

A potência eléctrica obtida foi sempre inferior à potência dada pelo fabricante, através da curva de potência. Decréscimo nos valores de potência eléctrica, para velocidades do vento superiores a 10m/s (valores sem validade).

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(17)

Valores de corrente eléctrica obtidos em laboratório através de um mini – aerogerador, utilizando ar comprimido de modo a fazê‐lo incidir sobre as pás do referido aerogerador. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Série1 Tensão (V) Corrente (mA) Valores de corrente eléctrica : [0.1;47.9] ±0.1 Miliampéres Valores de corrente eléctrica assim produzida eram manifestamente insuficientes para verificar a variação de produção de hidrogénio, com a corrente aplicada.

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(18)

1,54 125 1,25 [1,2; 1,3] 1,57 250 2,35 [2,3; 2,4] 1,62 375 3,15 [3,1; 3,2] 1,65 500 4,45 [4,4;4,5] 1,69 625 5,55 [5,5;5,6] 1,73 750 6,5 6,5 1,87 875 7,5 7,5 1,95 1000 8,55 [8,5; 8,6] y = 0,0084x + 0,1982 R² = 0,9987 3 4 5 6 7 8 9 10

Produção de Hidrogénio Vs Corrente

Aplicada

ml de H2

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(19)

0,125 0,00011238 0,00007772 44,59% 0,250 0,00021127 0,00015544 35,91% 0,375 0,00028319 0,00023316 21,45% 0,500 0,00040006 0,00031088 28,68% 0,625 0,00049895 0,00038860 28,40% 0,750 0,00058435 0,00046632 25,31% 0,875 0,00067875 0,00051295 32,32% 1,000 0,00076865 0,00062176 23,62%

(a) Massa de H2 (g) produzida em laboratório (b) Massa de H2 (g) teórica (Lei de Faraday) (a)/(b) Corrente aplicada (A)

Densidade do hidrogénio em condições PTN (ρ) = 0,0899 Kg/m3_{, temos que, ρ =} 0,0899 g/dm3.

Metodologia

Conclusão

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(20)

Aproveitando os recursos materiais e humanos já existentes na faculdade, o objectivo de estudar a viabilidade de produção de H₂a partir de fontes inteiramente renováveis, foi conseguido com sucesso.

A produção de energia eléctrica aumenta consoante a intensidade do vento, embora exista um limite de aproveitamento dessa mesma energia do vento (varia consoante o aerogerador utilizado; no caso prático estudado foi a partir dos 10m/s).

A produção de hidrogénio aumenta de forma quase linear, com o aumento da corrente eléctrica aplicada.

Os valores obtidos de corrente eléctrica do aerogerador do DEE (490 mA e os 3800 mA), de acordo com a velocidade do vento (2,7 m/s e os 5,6 m/s) apresentaram uma grande dispersão, assim como os valores de potência eléctrica obtida (P = V × I).

Os valores da curva de potência dados pelo fabricante foram superiores aos

Metodologia

Resultados

Hidrogénio

Objectivos

Enquadramento

energético

(21)

A extrapolação com recurso a um mini‐aerogerador, dos valores de corrente eléctrica obtidos pelo aerogerador (valor máximo obtido de 47,9 mA), foi insuficiente para a produção de hidrogénio expectável, tendo – se por isso recorrido a uma fonte de alimentação eléctrica.

Sendo um trabalho experimental, é natural que os resultados obtidos tenham sofrido alguns desvios relativamente aos valores esperados, quer pelos erros humanos, de procedimento ou dos próprios equipamentos electrónicos utilizados. O hidrogénio é provavelmente o portador de energia e o combustível preferido para as economias futuras, em que serão fundamentais as baixas emissões de carbono. Actualmente a sua produção ainda é um processo dispendioso, sendo necessário um grande esforço e uma acção concertada no que se refere a Desenvolvimento e Investigação, de modo a que seja considerada como uma primeira opção.