ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE
CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Mokwa, Ramires Herrmann. Estudante de Engenharia Elétrica, UTFPR. Universidade Tecnológica Federal do Paraná–Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR
Tel. (41)3353-1370 – email: rmokwa@yahoo.com.br
Tanaka, Josianne Gonçalves Pinto. Estudante de Engenharia Elétrica, UTFPR. Universidade Tecnológica Federal do Paraná–Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR
Tel. (41)-9963-2988 – email: josi_tanaka@yahoo.com.br
Gonçalves, Rodrigo do Rosário. Estudante de Engenharia Elétrica, UTFPR. Universidade Tecnológica Federal do Paraná–Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR
Tel. (41)-9131-7661 – email: rodrigo@nilko.com.br
Cabreira, Maria de Fátima R. R.. Dra. Engenheira Eletricista. (ORIENTADORA) Gomes, William Záccaro.. Engenheiro Eletricista. (CO-ORIENTADOR) RESUMO
Este trabalho tem por finalidade principal analisar experimentalmente um sistema composto por um painel fotovoltaico, um eletrolisador e uma célula a combustível. O eletrolisador é um equipamento que converte energia elétrica em energia química, através do processo de eletrólise. A substância a ser eletrolisada será a água deionizada e o produto, o gás hidrogênio. A célula a combustível é um equipamento que converte energia química em energia elétrica, através do processo de oxidação do hidrogênio, produto do processo anterior. O painel fotovoltaico será utilizado para fornecer energia elétrica ao eletrolisador, não sendo foco deste trabalho e sua implementação no sistema visa contemplar a geração distribuída e a cogeração, duas alternativas de produção e utilização de energia. No presente, serão determinadas experimentalmente as eficiências da célula a combustível e a global da associação desta ao eletrolisador, na transformação de energia. As células a combustível representam um avanço tecnológico tendo inúmeras aplicações práticas, desde a substituição de baterias de celulares até aplicações em automóveis, substituindo os atuais motores a combustão. As vantagens proporcionadas pelas células a combustível se resumem em uma alta eficiência energética, utilização de fontes renováveis de energia e redução da emissão de poluentes.
INTRODUÇÃO
O modelo atual da produção de energia no mundo esgota os recursos naturais e deteriora as condições ambientais, pois grande parte da energia produzida mundialmente tem origem nas jazidas de combustíveis fósseis não renováveis. Além disso, existem fatores estratégicos e econômicos que devem ser considerados, pois as jazidas estão concentradas em poucas regiões do mundo sujeitando os preços dos combustíveis à instabilidade (LOPEZ, 2004).
A produção do hidrogênio e sua aplicação em células a combustível contribuirão para a redução da poluição. Por exemplo, a obtenção do hidrogênio através da eletrólise da água é um processo em que não há emissão de poluentes (SANTOS JÚNIOR, 2004).
O presente pretende contemplar a célula a combustível, o eletrolisador e o painel fotovoltaico, este último, em poucos detalhes e apenas para ilustrar o tema Geração Distribuída. O foco dos estudos é a célula a combustível. A célula a combustível é um equipamento capaz de produzir eletricidade através da reação química de oxidação do gás hidrogênio. O eletrolisador produzirá o gás hidrogênio, através da eletrólise da água, para alimentar a célula a combustível. O painel fotovoltaico, por sua vez, converterá energia luminosa em energia elétrica com a finalidade de alimentar o eletrolisador. Serão realizados ensaios, cujo objetivo principal é avaliar a eficiência energética da célula a combustível e do conjunto eletrolisador/célula a combustível.
Outro objetivo do presente é prover a Universidade Tecnológica Federal do Paraná deste material didático com o objetivo de disseminar esta nova tecnologia entre alunos e professores, visando à formação de profissionais capacitados para atuar futuramente nesta área. Além disso, esta nova tecnologia é muito eficiente, utiliza combustível de fonte renovável e tende a substituir as fontes de energia não renováveis e poluentes, por isso, a importância de sua disseminação.
METODOLOGIA
Pesquisa de caráter exploratório-experimental e realizada através de consultas a livros, artigos, revistas, internet, catálogos de fabricantes, entre outros, sobre sistemas de células a combustível. Após ser formado todo referencial teórico, verificou-se as especificações dos equipamentos junto à empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy, por conveniência de localização e pelo suporte técnico oferecido. Os equipamentos adquiridos foram: um painel fotovoltaico, um eletrolisador de membrana polimérica de troca de prótons (PEM), uma célula a combustível de membrana polimérica de troca de prótons (PEM), uma década resistiva com seletor de posições, mangueiras, cabos elétricos, vedantes e multímetros.
Em seqüência, realizaram-se os ensaios para obter: a curva de potência versus corrente do painel fotovoltaico, a curva de potência versus corrente do eletrolisador, a eficiência de Faraday do eletrolisador, a eficiência energética do eletrolisador, a curva de potência versus corrente da célula a combustível, a eficiência de Faraday da célula a combustível, a eficiência energética da célula a combustível, estes dois últimos repetidos para a mudança do agente oxidante e por fim, a eficiência energética do conjunto eletrolisador/célula a combustível.
RESULTADOS 3.1 PAINEL FOTOVOLTÁICO
Curvas do Painel Fotovoltaico
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 170,00 180,00 190,00 200,00 210,00 0,00 3,00 10,00 100,00
Re sistê ncia [ohms]
Po tê n c ia , C o rr e nt e , Tensão
Potência [mW] Corrente Elétrica [mA] Tensão [V]
Para iniciar o ensaio do Painel fotovoltaico, posiciona-se a luminária o mais próximo possível deste, sem o aquecer demasiadamente e também deve ser conectada uma resistência variável em série com o mesmo. Em seguida procede-se à medição dos valores de corrente e tensão no painel fotovoltaico para alguns valores de resistências. Os valores coletados estão indicados no gráfico da figura 1.
Pelo gráfico da figura 1, verifica-se que o aumento da resistência causa o decréscimo da corrente. Verifica-se ainda como a potência varia em função da resistência.
FIGURA 1 - CURVAS DO PAINEL FOTOVOLTAICO
Nota-se, nesta curva, um ponto em que a potência atingida é máxima, denominado de ponto de máxima potência da curva característica do painel fotovoltaico, ou ponto ótimo de operação do painel fotovoltaico.
Este ponto corresponde à máxima potência elétrica que o módulo fotovoltaico pode fornecer. A curva característica de potência do módulo fotovoltaico está relacionada apenas às suas características construtivas e o fornecimento da sua máxima potência dependerá apenas da carga a ser alimentada. Através destas curvas, verifica-se que o módulo fotovoltaico está corretamente dimensionado verifica-se for especificado para alimentar uma carga de aproximadamente 51 ohms, a qual requeira uma potência de aproximadamente 195 mW.
3.2 ELETROLISADOR
Para determinar a eficiência do eletrolisador PEM é necessário medir a quantidade de energia elétrica despendida para se obter um determinado volume de gás hidrogênio.
Inicialmente, liga-se o painel fotovoltaico diretamente ao eletrolisador. Para obter a curva característica do eletrolisador, mede-se, então, a corrente e a tensão neste em função da variação da iluminância no painel fotovoltaico. A variação da iluminância no painel fotovoltaico corresponde a uma variação da corrente elétrica no eletrolisador e conseqüentemente, da potência elétrica recebida por este.
Para medir o volume de hidrogênio produzido, mantém-se o eletrolisador em operação por 300 segundos, a uma corrente de 160 mA e a uma tensão de 1,7 V, aproximadamente. Mede-se então, o volume de hidrogênio produzido (aproximadamente 6,08 ml). Através da primeira lei de Faraday, o valor teórico calculado para este caso é de 5,97 ml. Assim é possível determinar a eficiência de Faraday do eletrolisador através da equação 1:
1 02 , 1 97 , 5 08 , 6 2 2 = = ≅ = ml ml V V IDEAL H REAL H FELET η (1)
O rendimento dos eletrolisadores comerciais é realmente muito próximo de 1, porém, nunca superior a este valor. Considerando-se alguns erros embutidos nas medições, como o de paralax, por exemplo, considera-se o
Observando-se o gráfico da figura 2, percebe-se que ao aumentar a corrente ocorre um aumento diretamente proporcional da potência. Durante a realização deste experimento é possível verificar o aparecimento de bolhas no eletrolisador quando a corrente atinge um valor próximo de 6,2 mA e a tensão um valor próximo de 1,45 V. Neste momento inicia-se a reação de formação dos gases hidrogênio e oxigênio. A tensão mínima aplicada em uma eletrólise para a ocorrência de uma reação química é chamada de Tensão de Decomposição. O valor teórico da tensão de decomposição da molécula de água é de 1,23 V. Em relação à molécula de água, a diferença entre a tensão de decomposição experimental (1,45.V) e a tensão de decomposição teórica (1,23.V) é chamada de sobretensão (0,22.V). Quanto menor a sobretensão, melhor é o eletrolisador.
Curvas do Eletrolisador 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 1,3 9,3 17,3 25,3 33,5 41,3 49,5 57,4 Corrente [mA] Po tê nci a , T e nsão Potência [mW] Tensão [V]
FIGURA 2 - CURVAS DO ELETROLISADOR
Com os valores de corrente, tensão e tempo, calcula-se a energia elétrica despendida para produzir 5,97.ml de hidrogênio, através da equação 2.
Eelétrica=
∫
tPt ×dt (2)0 ) (
Eelétrica=P×(t−0)=1,7V×0,16A×300s=81,6J A energia liberada pela queima de 1 mol de H2, sob condições de temperatura e pressão ambientes é de
286 kJ. A energia liberada pela queima de 6 ml de hidrogênio é então determinada pela equação 3: J mol l mol kJ ml EH 71,1425 / 24 / 286 97 , 5 2 = × = (3)
A eficiência do eletrolisador é obtida pela equação 4:
% 87 87 , 0 6 , 81 1425 , 71 2 = = = = J J E EH elétrica EELET η
(4) Aplicando-se outros valores de corrente é possível determinar a melhor condição de operação do eletrolisador, ou seja, uma boa eficiência energética com a maior produção de H2 possível.
Observando-se o gráfico da figura 3, verifica-se que a eficiência de 87% tende a decrescer caso a produção de H2 seja maior que 5,97 ml, aproximadamente, verificando-se ainda, em relação a estes valores, uma tendência à produção constante de H2, mesmo se a corrente aumentar. Por outro lado, uma eficiência superior a 90% faz com que a produção de H2 caia quase pela metade do valor anterior.
Eficiê ncia Ene rgé tica do Ele trolis ador e Volum e de H2 produzido X Corre nte
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 160,0 142,1 102,2 68,1 40,7 10,4
Corre nte e lé trica [m A]
E fi c iê n c ia , V o lu m e d e H 2
Volume de H2 [mlx10] p/ t = 300 s Eficiência Energética [%]
FIGURA 3 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR
3.3CÉLULAACOMBUSTÍVEL
Primeiramente, levantou-se a curva característica da célula combustível, os procedimentos executados foram similares aos executados para o eletrolisador, ou seja, ajustou-se a lâmpada em relação ao painel fotovoltaico para que fosse obtida uma corrente de 200 mA no eletrolisador, em seguida variou-se os valores de resistência na década resistiva, em intervalos de 30 segundos, obteve-se então a curva característica de potência da célula combustível demonstrado no gráfico da figura 4:
Curvas da Célula a Combustível 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 circuito aberto 100,00 10,00 3,00 0,33 Resistência [ohms] P o tê nc ia , C o rr e nt e, Te nsã o
Potência [mW] Corrente Elétrica [mA] Tensão [mV]
Utiliza-se a primeira lei de Faraday com o objetivo de comparar o volume de hidrogênio consumido pela célula a combustível e a energia elétrica por ela produzida.Obteve-se uma taxa de vazamento de hidrogênio no sistema igual a 1 ml, para o tempo de observação de 5 minutos.A taxa de vazamento de hidrogênio foi adicionada por conveniência, para corrigir os volumes de H2 medidos. No gráfico apresentado na figura 5, verifica-se que o consumo de hidrogênio pela célula a combustível é proporcional ao tempo de operação, ou seja, o tempo em que esta permanece conectada à carga, fornecendo energia elétrica a mesma.
FIGURA 4 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
No gráfico apresentado na figura 6, verifica-se que o consumo de hidrogênio pela célula a combustível depende da carga, ou seja, quanto maior for a carga, maior será a potência requerida por esta e, conseqüentemente, maior será o consumo de hidrogênio. Os valores dos gráficos abaixo foram obtidos de maneira similar aos procedimentos executados no eletrolisador, porém de maneira reversa, pois agora medimos o volume de hidrogênio consumido em relação a quantidade de energia elétrica gerada.
Consumo de H2 da Célula a Combustível para Carga Fixa de 3 ohms 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 3,20 3,40 0 30 60 90 120 150 180 Tempo (s) C o ns um o C or ri gi do ( m l)
Consumo de H2da Célula a Combustível para Tempo Fixo de 50 s 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Resistência (ohms) C o ns umo C or ri gi d o (ml )
FIGURA 6 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CORRENTE FIGURA 5 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM
FUNÇÃO DO TEMPO
Conclui-se, então, que se o volume de hidrogênio consumido pela célula a combustível é proporcional ao tempo de operação e à corrente elétrica, o volume de hidrogênio consumido é também proporcional ao produto da corrente elétrica pelo tempo de operação, ou seja, a quantidade de carga elétrica.
Nota-se uma evidente semelhança ao que ocorre no processo da eletrólise descrito anteriormente, porém de forma inversa, ou seja, na eletrólise da água, a quantidade de carga elétrica consumida é proporcional ao volume de hidrogênio produzido.
De acordo com a primeira lei de Faraday, a quantidade de eletricidade consumida numa célula eletrolítica é proporcional à produção de uma determinada substância. Logo, no caso da célula a combustível, é possível adaptar esta lei, ou seja: a quantidade de hidrogênio consumido numa célula a combustível é proporcional à produção de eletricidade.
3.3.1 EFICIÊNCIA DE FARADAY DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Os procedimentos para a determinação dos parâmetros necessários ao cálculo da eficiência de Faraday da célula a combustível já foram executados no ensaio anterior, quando determinamos o volume de hidrogênio consumido em relação a quantidade de energia elétrica produzida. Os parâmetros utilizados foram: a corrente elétrica, a taxa de vazamento de hidrogênio, o tempo de 180 s, além do vazamento de hidrogênio, do consumo medido e do consumo corrigido, relativos ao tempo de 180.s.
O volume teórico de hidrogênio consumido foi calculado, através da primeira lei de Faraday, analisada inversamente. A reação química, indicada pela equação. 5, representa a quebra da molécula de hidrogênio na célula a combustível, obtendo-se 2 íons H+ e 2 elétrons.
(5) − ++ → H e g H2( ) 2 2
Em outras palavras, para se obter 2 moles de elétrons, é necessário 1 mol de gás hidrogênio; um mol de elétrons equivale a uma quantidade de carga elétrica de 96500.C; um mol de qualquer gás ocupa 24 litros, na temperatura e pressão ambientes. Então, para determinação do volume teórico de hidrogênio consumido, foi empregada uma regra de três simples, representada pela equação 6, onde “N” é o número de moles de elétrons produzidos por 1 mol de hidrogênio:
ml C ml s A N t i Volume 2,72 96500 2 24000 180 1211 , 0 96500 24000 = × × × = × × × = (6)
A partir do volume teórico de hidrogênio calculado e do volume verificado experimentalmente é possível determinar, então, a eficiência de Faraday para a célula a combustível através da equação 7:
% 88 88 , 0 10 , 3 72 , 2 2 2 = = = = ml ml V V REAL H IDEAL H FCAC η (7)
As razões pelas quais a eficiência de Faraday da célula a combustível é menor que 1, justificam-se pelas reações químicas simultâneas de outras substâncias presentes na célula a combustível, pela recombinação dos gases hidrogênio e oxigênio através de microvazamentos na membrana polimérica e/ou nos eletrodos e pela oxidação catalítica (reação entre hidrogênio e oxigênio nos catalisadores).
3.3.2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
A variação da entalpia da combustão de 1 mol de hidrogênio sob condições de temperatura e pressão ambientes é de 286 kJ. Logo, a energia liberada pela queima de 3,10 ml de hidrogênio ( ) foi calculada, então, através de uma regra de três simples, resumida na equação 8:
2 EH J mol ml mol kJ ml EH 36,94 / 24000 / 286 10 , 3 2 = × =
(8)
A eficiência energética da célula a combustível pode, então, ser obtida pela equação 9, a seguir.
2 2 EH tempo Corrente Tensão EH Eelétrica ECAC × × = = η
(9)
% 46 46 , 0 94 , 36 180 1211 , 0 783 , 0 × × = = = J s A V ECAC ηCabe ressaltar que a eficiência da célula a combustível varia com a corrente requisitada pela carga, isto é, com a potência, ou seja, para um aumento de potência, há um aumento no consumo de hidrogênio e uma redução na eficiência da célula a combustível. Portanto, este ensaio foi realizado várias vezes até se obter o valor de corrente apresentado nos cálculos anteriores, ou seja, até se obter a condição ótima de operação da célula a combustível, considerando um valor de potência relativamente alto com uma boa eficiência.
Eficiê ncia Ene rgé tica do Cé lula a Com bus tíve l e Volum e de H2 cons um ido X Corre nte
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 179,5 138,6 103,3 65,0
Corre nte e lé trica [m A]
E fic iê n c ia , V o lu m e d e H 2
Volume de H2 [mlx10] p/ t = 50 s Eficiência Energética [%]
O gráfico da figura 7 apresenta os valores de eficiência e de potência, ambos em função da corrente, onde é possível determinar a melhor condição de operação da célula a combustível. Neste experimento, esta condição foi verificada para a corrente de 121,1 mA.
FIGURA 7 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E POTÊNCIA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
3.4EFICIÊNCIAENERGÉTICADOSISTEMA
Será considerado como sistema, apenas o conjunto formado pelo eletrolisador e pela célula a combustível, uma vez que o painel fotovoltaico foi utilizado no experimento apenas para abordar a geração distribuída de energia, uma das alternativas tecnicamente viáveis em um sistema de células a combustível. Caso o painel fotovoltaico e a lâmpada fossem incluídos no sistema, um modelo mais complexo seria necessário para a determinação da eficiência total do sistema, ou seja, deveria ser considerada a energia dissipada pela lâmpada em forma de calor e a entregue, efetivamente, ao painel fotovoltaico, as perdas no painel fotovoltaico, entre outros fatores. O objetivo deste experimento foi encontrar a relação entre a quantidade de energia elétrica disponível na saída da célula a combustível para alimentar uma determinada carga e a quantidade de energia elétrica consumida para produzir o equivalente em volume de hidrogênio. Esta relação corresponde à eficiência elétrica do sistema. Para a determinação da eficiência elétrica do sistema, montou-se o mesmo esquema indicado anteriormente, relativo aos ensaios da célula a combustível. A energia fornecida ao eletrolisador deve ser igual à energia consumida pela carga mais a energia da variação do volume de hidrogênio no eletrolisador.
Verificou-se que quanto maior a potência requisitada pela carga, menor é a eficiência do sistema. Logo, um ponto ótimo de operação deve ser encontrado para o sistema, ou seja, uma potência elétrica razoável na saída da célula a combustível, com uma boa eficiência para o sistema. Como a eficiência elétrica do sistema varia com a carga, isto é, com a potência requisitada por esta, foi necessário calcular a eficiência elétrica do sistema para cada valor de carga. Os valores coletados podem ser observados no gráfico correspondente da eficiência em função da potência da carga, na figura 8.
Eficiência Elétrica X Potência Da Carga
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 Potência da carga [mW] E ficiên cia E lét ri ca [% ]
É possível verificar também, no gráfico da figura 8, que o ponto ótimo de funcionamento deste sistema corresponde a um valor de potência em torno de 100 mW para uma eficiência de 40%, aproximadamente.
FIGURA 8 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA
CONCLUSÃO
Analisando-se a quantidade de energia elétrica produzida pela célula a combustível, foi possível comprovar que a eficiência elétrica deste dispositivo, com um valor de 46%, é muito superior à eficiência das máquinas que obedecem ao ciclo de Carnot, para as quais se verifica uma eficiência máxima em torno de 30%, aproximadamente. Isto é possível porque a célula a combustível converte energia química diretamente em energia elétrica, diferentemente das máquinas de Carnot, que convertem previamente calor em energia mecânica, cujo processo implica muitas perdas de energia.
Voltando a analisar a célula a combustível, uma eficiência elétrica de 46%, significa que de 100% da energia recebida pela célula a combustível sob a forma de hidrogênio, 46% é convertida em energia elétrica e o restante em energia térmica.
A energia térmica produzida poderia ser aplicada em instalações que utilizam o calor, como, por exemplo, siderúrgicas, indústrias, sistemas de aquecimento de ambientes, entre outras. Neste caso, a partir da cogeração em uma determinada instalação, muitas vantagens poderiam ser obtidas, desde a redução dos custos de energia desta instalação, devido à possibilidade de geração própria, onde o hidrogênio poderia ser fabricando no próprio local, bem como a utilização eficiente desta, ou seja, aproveitando-se a energia elétrica e a térmica.
Verificou-se também, nos ensaios anteriores, que a eficiência elétrica total do sistema composto pela célula a combustível e pelo eletrolisador corresponde a um valor muito próximo ao da eficiência da célula a combustível isolada, ou seja, enquanto a célula a combustível apresentou uma eficiência elétrica de 46%, o sistema completo apresentou uma eficiência próxima de 41%, para condições aproximadas de potência requisitada pela carga, nos dois ensaios realizados, respectivamente. De fato, isto é possível, ao se verificar que a eficiência energética do eletrolisador é relativamente alta, cujo valor encontrado foi de 87%.
Este estudo comprova que a célula a combustível é uma alternativa considerável na busca do desenvolvimento de novas tecnologias para produção de energia. Além disso, reduz-se a dependência do petróleo e da exploração das poucas jazidas que ainda restam e utiliza-se energia de forma racional e diminui a emissão de poluentes promovendo o crescimento sustentável.
REFERÊNCIAS
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