Faculdade de Ciências e Tecnologia
Grupo de Disciplinas de Ecologia da Hidrosfera
PRODUÇÃO DE HIDROGÉNIO,
ASSISTIDO POR ENERGIA EÓLICA
Ricardo Emanuel Afonso Dias de Almeida
Dissertação
apresentada
à
Universidade
Nova
de
Lisboa,
Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre
em Energia e Bioenergia
Orientador: Professor Doutor Rui Lobo (FCT/UNL)
Lisboa
2010
ii O conteúdo da presente dissertação é da inteira responsabilidade do autor.
Não é autorizada a reprodução, total ou parcial, do conteúdo da presente dissertação, sem a autorização prévia do autor, por escrito.
É autorizada a citação do conteúdo da presente dissertação, desde que acompanhada da respectiva referência bibliográfica, de acordo com as normas internacionais e de citação de trabalhos científicos.
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AGRADECIMENTOS
Ao Professor Doutor Rui Lobo, Professor Associado com Agregação da FCT/UNL, pela sua orientação, apoio, motivação e confiança transmitidas no decurso de toda a dissertação.
Ao Professor Doutor João Martins, Professor Auxiliar da FCT/UNL, pela disponibilidade demonstrada, colaboração e conhecimentos transmitidos, durante a 1ª fase do trabalho.
Ao Eng.º Pedro Pereira, Assistente da FCT/UNL, pela colaboração e apoio na realização deste trabalho.
Aos Engenheiros Pedro Gomes e Paulo Pereira, pela colaboração, apoio e prestabilidade que sempre evidenciaram ao longo deste trabalho.
À minha colega Tânia, que me acompanhou sempre neste trabalho com boa disposição, apoio e motivação.
Aos meu familiares e amigos, pelo apoio e motivação que me deram ao longo de todo o trabalho, nos bons e nos maus momentos.
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RESUMO
Com este trabalho pretendeu-se demonstrar a viabilidade da produção de hidrogénio a partir de fontes inteiramente renováveis, utilizando neste caso a energia eólica para produzir energia eléctrica, que por sua vez seria aplicada na dissociação da molécula de água (H2O), em
moléculas de hidrogénio e de oxigénio.
Este trabalho foi realizado no campus da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, em duas fases distintas: uma primeira fase foi realizada no edifício do DEE, onde foram registadas as velocidades do vento obtidas por um aerogerador de 2 kW de potência, localizado no topo do referido edifício, com recurso ao programa “De Transfer” e em simultâneo registaram-se as respectivas correntes e tensões eléctricas associadas, no piso inferior do mesmo.
A partir dos valores obtidos de corrente e tensão eléctrica, foi possível determinar a potência eléctrica do aerogerador, de forma a elaborar a sua curva de potência através da Lei de Ohm (V = R × I), de acordo com o intervalo de valores de velocidade do vento obtido.
Dado que o intervalo de valores de velocidade do vento obtido foi reduzido, recorreu-se à análise de um caso prático das Ilhas Falkland, a partir de um aerogerador de 2,5 kW de potência, com características semelhantes ao localizado no edifício de DEE, de forma a poder obter-se um leque mais alargado de valores de velocidade do vento, nomeadamente no que se refere a velocidades de vento superiores às obtidas no campus da FCT/UNL., e compreender o consequente comportamento de um aerogerador de características semelhantes, no que diz respeito aos valores de corrente e tensão eléctrica registadas.
A segunda fase decorreu em laboratório, no Laboratório de Nanotecnologia sob a orientação do Professor Rui Lobo, onde foi realizada uma simulação a uma escala inferior do aerogerador colocado no edifício do DEE, produzindo corrente eléctrica eléctrica a partir de um aerogerador. Tendo-se verificado que os valores de corrente eléctrica assim produzida eram manifestamente baixos, situando-se próximo dos valores mínimos de corrente obtidos pelo aerogerador do DEE, recorreu-se ao auxílio de uma fonte de alimentação eléctrica, de modo a poder obter valores de corrente eléctrica mais elevados e avaliar a
v influência do aumento de corrente eléctrica, no volume de hidrogénio produzido por electrólise, ao longo do tempo.
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ABSTRACT
This work aims to demonstrate the feasibility of producing hydrogen entirely from renewable sources, using in this case the wind to produce electricity, which would be applied to the dissociation of the water molecule (H2O), in molecules of hydrogen and oxygen.
This work was conducted on the campus of Faculty of Sciences and Technology, at the New
Lisbon University, in two distinct phases: the first phase was held in the building at DEE,
where were recorded wind speeds obtained by a 2 kW wind turbine power, located at the top of the building, using the program "De Transfer" and simultaneously recorded the respective voltages and currents associated, on the ground floor of the same building.
From the values obtained from current and voltage, it was possible to determine the power supply of the turbine in order to develop its power curve through Ohm's Law (V = R × I), according to the range of wind speed values obtained.
Since the range of wind speed values obtained was low, we resorted to examine a case study of the Falkland Islands, from a wind turbine of 2.5 kW power, with similar characteristics to the wind turbine located at the DEE building, to obtain a wider range of values of wind speed, and understand the resulting behavior of the wind turbine (recorded values of electrical current and voltage).
The second phase took place in the Nanotechnology Laboratory, under the supervision of Professor Rui Lobo, where a simulation was performed at a lower scale wind turbine housed in DEE, producing electric current first from a mini - wind turbine. As it appeared that the values of electrical power so produced, were clearly above the results needed, standing near the minimum power obtained by the wind turbine at DEE, we resorted to the aid of an electrical power source, in order to obtain higher values of electric current and to evaluate the influence of the increase of electric current, in the amount of hydrogen produced by electrolysis, over time.
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SIMBOLOGIAS E NOTAÇÕES
AFC – “Alkaline Fuel Cells” (Células de Combustível Alcalinas) ATP - Adenosina trifosfato
BTU – “British termal units” (Unidades térmicas britânicas) CO – Monóxido de carbono
CO2 – Dióxido de carbono
Cp – Coeficiente de potência
DECA – Departamento de Engenharia e Ciências do Ambiente DEE – Departamento de Engenharia Electrotécnica
FER – Fontes de energia renováveis GEE – Gases com efeito de estufa H2 – Hidrogénio molecular
MCFC – “Molten Carbonate Fuel Cells” (Células de Combustível de Carbonato Fundido) NOx – Designação genérica dos óxidos de azoto
OCDE - Organização para a Cooperação Económica e Desenvolvimento
PAFC – “Phosphoric Acid Fuel Cells” (Células de Combustível de Ácido Fosfórico)
PEMFC – “Proton-Exchange Membrane Fuel Cells” (Células de Combustível de Membrana de Permuta de Protões)
PPMV – Partes por milhão em volume
PTN - condições normais de pressão e temperatura de um gás (P = 1 atm e T = 273 K) SOFC – “Solid Oxide Fuel Cells” (Células de Combustível de Óxido Sólido)
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ÍNDICE DE MATÉRIAS
1. Enquadramento energético ... 1
1.1 Situação mundial de consumo de energia no período de 2006-2030 ... 1
1.2 O papel das energias renováveis no período de 2006 – 2030 ... 3
1.3 Consumo mundial de energia por sector ... 6
1.4 Emissões Mundiais de dióxido de carbono ... 7
1.5 Situação energética em Portugal ... 8
2. O hidrogénio como fonte de energia ... 12
2.1 Combustíveis fósseis ... 15
2.3 Microrganismos ... 20
3. Electrólise a partir de energia eólica... 21
3.1 Variações do Vento: Distribuição de Weibull ... 22
3.2 Incerteza na medição de curvas de potência de aerogeradores ... 24
4. Electrolisadores e Células de Combustível ... 24
4.1 Electrolisadores ... 24
4.2 Células de combustível ... 25
4.2.1 Células de Combustível de Membrana de Permuta de Protões ... 27
4.2.2 Células de Combustível de Ácido Fosfórico ... 27
5. Armazenamento e transporte de H2 ... 29
5.1 Armazenamento gasoso ... 30
5.2 Armazenamento Líquido ... 30
5.3 Armazenamento em Materiais (Hidretos metálicos) ... 31
6. Parte Experimental ... 34
7. Resultados e Discussão ... 41
7.1 Resultados do aerogerador ... 41
7.2 Estudo de caso prático ... 46
7.3 Resultados em laboratório ... 48
ix 9. Projectos futuros ... 56 10. Referências ... 57 ANEXO I ... 60
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Previsão do consumo mundial de energia [1] …..……….1
Figura 1.2 - Previsão do consumo mundial de energia, por fonte de combustível [1] … …...2
Figura 1.3 – Previsão da produção mundial de electricidade, por fonte de combustível.[1] ….3 Figura 1.4 - Previsão da produção mundial de electricidade de origem renovável [1] ...5
Figura 1.5 - Previsão do crescimento mundial de utilização de energia na indústria, por região, no período compreendido entre 2006-2030. [1] ………..………...7
Figura 1.6 - Previsão das emissões de CO2, em 3 cenários diferentes de crescimento económico mundial, no período compreendido entre 2006-2030 ………...8
Figura 1.7 - Evolução da energia eléctrica produzida a partir de fontes renováveis (GWh) [8]………..11
Figura 1.8 - Evolução da potência instalada em Portugal Continental – Energia Eólica (MW) [8] ………... ……….12
Figura 2.1 Esquema de produção e distribuição do Hidrogénio ………...15
Figura 2.2 - Reformação do Hidrogénio da indústria Linde ………...16
Figuras 3.1 a) - Imagem de um aerogerador do parque eólico de Oiz, Bilbao, Espanha …... 22
Figura 3.1 b) - Panorâmica do parque eólico de Oiz, Bilbao, Espanha ………...……22
Figuras 3.2 a) – Porta de acesso ao interior de um aerogerador …………...………...22
Figura 3.2 b) - Imagem do interior do aerogerador ………..22
Figura 3.3 - Distribuição de Weibull para a velocidade do vento ………...23
Figura 4.1 - Princípio de funcionamento duma célula de combustível.[17]……….26
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Figura 5.2 - Tanque criogénico onde é armazenado o hidrogénio líquido ……….………….31
Figuras 5.3 a) e 5.3 b) - Absorção de hidrogénio em hidretos metálicos ………...31
Figuras 5.4 - Armazenamento de hidrogénio por diferentes processos. [22]...32
Figura 6.1 - Aerogerador no topo do edifício do DEE ………...34
Figura 6.2 a) - Imagem do anemómetro ………...………...35
Figura 6.2 b) - Imagem do aerogerador do DE……….35
Figura 6.3 - Piso inferior (-1) do DEE ..………...36
Figura 6.4 - Saída do rectificador - Ponto onde foi medido o valor da corrente (DC) ………36
Figura 6.5 - Mostrador do Inversor - Ponto onde foi medido o valor da Tensão (DC). ……..37
Figura 6.6 - Esquema de ligação do aerogerador………..38
Figuras 6.7 a) e 6.7 b) - Imagens do mini –aerogerador utilizado em laboratório……...39
Figuras 6.8 a) e 6.8 b) - Terminais de ligação do electrolisador PEM à fonte de tensão……..40
Figura 7.1 - Variação da corrente eléctrica com a velocidade do vento. ……….41
Figura 7.2 - Variação da potência eléctrica com a velocidade do vento. ………...43
Figura 7.3 - Curva de Potência do Aerogerador (Dados do fabricante)………...44
Figura 7.4 – Imagem do aerogerador Proven WT 2500 [15] ……….…..46
Figura 7.5 - Curva de potência do aerogerador Proven WT 2500 ………...47
Figura 7.6 - Valores de corrente Vs tensao obtidas por um mini – aerogerador………..……48 Figura 7.7 – Variação de hidrogénio produzido de acordo com a corrente eléctrica aplicada 50
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ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2.1 – Comparação do Poder calorífico inferior (PCI) e superior (PCS) de vários
combustíveis ……….……13 Quadro 2.2 – Métodos de produção de hidrogénio de acordo com a matéria-prima utilizada 14 Quadro 7.1 - Valores obtidos de potência eléctrica, de acordo com a velocidade do vento …42 Quadro 7.2 – Potência eléctrica com dados reais obtidos e potência eléctrica obtida com dados do fabricante. ………44 Quadro 7.3 – Valores de hidrogénio produzido de acordo com a corrente eléctrica aplicada 49 Quadro 7.4 – Massa de hidrogénio produzida e valor teórico expectável ………..….51
