Amanda Lechinski Santos ESTUDO DE UMA PLATAFORMA LABORATORIAL PARA APLICAÇÃO DOS CONCEITOS DE REDE INTELIGENTE COM O USO DE ENERGIA RENOVÁVEL

(1)

Amanda Lechinski Santos

ESTUDO DE UMA PLATAFORMA LABORATORIAL PARA APLICAÇÃO DOS CONCEITOS DE REDE

INTELIGENTE COM O USO DE ENERGIA RENOVÁVEL

São José dos Campos 2019

(2)

Amanda Lechinski Santos

Trabalho de conclusão de curso apre-sentado como requisito parcial para a ob-tenção do título de Bacharel em Engenha-ria Ambiental pela Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho".

Orientador: Fernando Luiz de Campos Carvalho

São José dos Campos 2019

(3)

Trabalho de conclusão de curso apre-sentado como requisito parcial para a ob-tenção do título de Bacharel em Engenha-ria Ambiental pela Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho".

São José dos Campos, 31 de maio de 2019.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Adriano Bressane

Departamento de Engenharia Ambiental, ICT Unesp São José dos Campos

Prof. Dr. Adriano Gonçalves dos Reis

(4)

Dedico este trabalho à minha avó e mãe, que me deram as primeiras guias de vida. Dedico também aos meus amigos que estiveram em todos os momentos desde então.

(5)

AGRADECIMENTOS

Aos professores e funcionários da Universidade Estadual Paulista “Júlio deMes-quita Filho”, campus de São José dos Campos, que contribuíram ao longo de toda a graduação e proporcionaram uma formação profissional e pessoal de qualidade.

Ao Professor Dr. Fernando Luiz de Campos Carvalho, pela orientação deste tra-balho, dedicação, auxílio no desenvolvimento e pelos ensinamentos passados.

Aos professores Christophe Turpin e Amine Jaafar pela gentileza de disponibilizar esse trabalho para a tradução e pela orientação inicial.

Aos membros da banca examinadora, pela disponibilidade e dedicação dispen-sada à avaliação e aprimoramento deste trabalho.

Aos colegas de curso de Engenharia Ambiental, pelo convívio, ajuda e amizade, que não só foram essenciais nesse último momento, mas principalmente, ao longo desses anos de UNESP, Denise Cristina, Alice Sales e Fernanda Campos.

Aos meus colegas franceses que me ajudaram na realização desse trabalho e que solicitamente liberam a apresentação dessa pesquisa no Brasil, Claude Adrieux, Fa-doua El Moussaada e Thomas Jarry.

Aos meus familiares pelo apoio, confiança e incentivo, em especial, à minha mãe Maria Inês, minha avó Rachel Armecy e minha madrinha Marisa Nubile.

E aqueles que participaram, direta ou indiretamente, deste trabalho. Obrigada!

(6)

RESUMO

A mudança climática, o crescimento populacional e o aumento da demanda energética são hoje um fato e, reunidos, fazem parte de um dos maiores desafios deste século. Diante disso, o campo de energia tem se desenvolvido e mudado em todo o mundo. Observa-se uma convergência de esforços para que as novas fontes de energia sejam mais descentralizadas, sustentáveis e que venham de fontes renováveis, como eólica, solar e sistemas híbridos. Neste cenário, surgiu o conceito de redes inteligentes (Smart grids) que ganha espaço no meio acadêmico, técnico e governamental. Com potencial de garantir a próxima demanda do uso de energia, consiste em um sistema digital que permite uma comunicação bidirecional entre os produtores de uma conces-sionária e os consumidores. Uma rede inteligente precisa de um ou mais vetores de energia e uma das soluções mais promissora é o uso do hidrogênio ligado a um sis-tema de baterias para suprir a demanda de energia, principalmente, aquela ligada à matriz energética de transporte, como substituto de fontes fósseis, tal como o petróleo. Dentro desse contexto, esse trabalho foi realizado com o objetivo de desenvolver um roteiro de aulas práticas capaz de abranger a complexidade de uma rede inteligente ligada a um sistema híbrido, tendo como fonte principal uma célula de combustível e ao mesmo tempo promover a compreensão dos conceitos mais básicos desse sis-tema. Assim, buscou-se entender um sistema híbrido e inteligente que fosse capaz de ser estudado de diferentes pontos de vista. Em um segundo momento, foi sugerido em quais aulas os conteúdos deveriam ser praticadas dentro dessa plataforma. De-pois, foi realizada uma ampla pesquisa de quais componentes poderiam ser adquiri-dos para a realização dessas aulas e, finalmente, foi criada uma simulação com Excel, Matlab e Simulink para dimensionar alguns desses componentes. Os problemas de hibridização ou redes inteligentes são atualmente pouco estudados e ainda pouco compreendidos por isso a importância do desenvolvimento da plataforma.

Palavras-chave: Célula de combustível. Redes inteligentes. Hibridização. Aula prática.

(7)

ABSTRACT

Climate change, population growth and the rising of energy demand are now a fact and, together, are part of one of the greatest challenges of this century. Hence, the energy field has developed and changed worldwide. There is a convergence of efforts to make the new energy sources more decentralized, sustainable and based on re-newable sources, such as wind, solar and hybrid systems. In this scenario, the concept of Smart grids has emerged that gains space in the academic, technical and govern-mental environment. With the potential to guarantee the next energy use demand, it consists of a digital system that allows bidirectional communication between the pro-ducers of a utility and the consumers. An intelligent network needs one or more energy vectors and one of the most promising solutions is the use of hydrogen connected to a battery system to supply the energy demand, especially that linked to the energy matrix of transport, as a substitute for fossil sources, such as oil. Within this context, this study was carried out with the objective of developing a practical lesson plan ca-pable of covering the complexity of an intelligent network linked to a hybrid system, having as main source a fuel cell and, at the same time, promoting the understanding of the concepts of this system. Thus, we tried to understand a hybrid and intelligent system that could be studied from different points of view. In a second moment, it was suggested in which classes the contents should be practiced within this platform. Af-terwards, an extensive research was carried out of which components could be ac-quired for the accomplishment of these classes and, finally, a simulation was created with Excel, Matlab and Simulink in order to size some of these components. Hybridi-zation problems or smart grids are currently in lack of studied and still poorly under-stood thereby the importance of platform development.

(8)

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Diagrama esquemático da instalação das experiências. ... 16

Figura 2- Modelo de uma célula de combustível no Excel ... 41

Figura 3- Comparações entre potências em função do tempo ... 45

Figura 4- Esquema do sistema simulado no Matlab/Simulink. ... 46

Figura 5- Gráfico Simulink do sistema ... 47

Figura 6- Correntes na bateria, PAC e na missão ... 48

Figura 7- Resultado da corrente com uma frequência menor ... 48

Figura 8- Característica da célula encontrada na simulação ... 49

Figura 9- Correntes encontradas na célula ... 50

(9)

LISTA DE TABELAS

(10)

LISTA DE SIGLAS

INP -T Institut National Polytechnique – Toulouse (INP-T), ENSEEITH École Nationale Supérieure d’electrotechnique,

d’éle-tronique, d’informatique, h’hydraulique et des télécommuni-cations

ENSIACET École Nationale Supérieure des ingénieurs en arts chi-miques et technologiques

PAC Pile à combustible

(11)

LISTA DE SÍMBOLOS Ru Rutênio Ir Irídio Ni Níquel Co Cobalto Fe Ferro

(12)

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 13

2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 16

2.1. Microrede inteligente ... 16

3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 22

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 23

4.1. Aspectos Pedagógicos ... 23

4.2. Dimensionamento ... 30

4.2.1. Elementos de pesquisa ... 31

4.2.2. Excel ... 36

4.2.3. Simulação dinâmica – realizada em Matlab ... 45

4.3. Programa PACAERO ... 51

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 54

(13)

1. INTRODUÇÃO

O estudo aqui apresentado baseia-se no que foi realizado no ano de 2017 em um trabalho de conclusão de curso no Institut National Polytechnique – Toulouse (INP-T), orientado por Christophe Turpin e Amine Jaafar, professores da referida universi-dade que, solicitamente, permitiram a tradução e apresentação do relatório aqui des-crito, tanto para que o mesmo servisse para a validação de um duplo-diploma, quanto para servir de sugestão para um futuro projeto a ser realizado na UNESP.

A fim de garantir a compreensão do trabalho lá realizado é importante que se faça uma sucinta descrição do contexto no qual ele foi desenvolvido.

O instituto INP-T possui duas grandes escolas na região de Toulouse: a pri-meira, e mais antiga, é uma escola reconhecida pelo curso de engenheira elétrica e eletrônica (École Nationale Supérieure d’electrotechnique, d’életronique, d’informati-que, h’hydraulique et des télécommunications – ENSEEITH). A segunda tem destaque nos cursos de engenharia de processos químicos industriais (École Nationale Supéri-eure des ingénieurs en arts chimiques et technologiques- ENSIACET).

O trabalho aqui descrito foi realizado por 5 alunos do curso de especialização (Master + 5) em energia renováveis do INP-T, conhecido como Eco-Energie. Esse curso, devido a sua forte multidisciplinaridade, era dividido igualmente entre as duas grandes escolas citadas acima.

Na época, o instituto tinha recebido um financiamento público-privado para a construção de um laboratório em que seriam realizados experimentos de nível de gra-duação, mestrado, doutorado e até possíveis testes industriais. Por se tratar de um objetivo audacioso, que envolvia mais de um complexo educacional, foi realizado um extenso estudo que tinha como objetivo decidir as experiências e principalmente as instalações desse laboratório. Esse estudo tornou-se o presente trabalho de conclu-são de curso.

(14)

As reações podem serem realizadas por exemplo, com a estrutura disponível no la-boratório de química. Além disso, o tema pode ser objeto de estudo para projetos de iniciação científica e projetos de extensão, para que assim possa adquirir material ne-cessário para o desenvolvimento de estudos.

O INP -Toulouse atualmente não oferece nenhuma aula prática sobre redes inteligentes (smart grid) ou sistemas híbridos. No entanto, estas questões são promis-soras soluções para os problemas energéticos do futuro. Assim, é importante que os alunos, especialmente aqueles do curso de Energias Renováveis, sejam capazes de entender profundamente esses conceitos, sendo que a melhor forma de alcançar esse entendimento é a manipulação direta desses sistemas.

Para atingir tal propósito foi prevista a criação de uma plataforma de aulas prá-ticas ligada ao desenvolvimento e compreensão desses conceitos. Ela seria instalada em uma sala anexa, dentro do terreno do INP-T Labège, que seria disponível em breve e estaria disposta perto de painéis fotovoltaicos, além de comportar um sistema de armazenamento de hidrogênio.

O objetivo desta plataforma é complementar os cursos teóricos fornecendo tanto um ponto de vista global e complexo de sistemas energéticos (hibridização, re-des inteligentes), quanto permitir estudar cada componente individualmente (célula de combustível completa, bateria). Tal proposta se faria da maneira mais próxima possí-vel dos sistemas industriais.

Mesmo que essa plataforma tenha como público principal os alunos de Eco-Energie, por se tratar de um projeto de nível nacional, prevê-se a abertura dessa ins-talação para o maior público possível, tanto das escolas do INP quanto de outras uni-versidades. Assim, ela deve contemplar vários temas, porém eles devem estar liga-dos, principalmente, à duas grandes áreas: engenharia elétrica e engenharia de pro-cessos químicos industriais, os dois maiores cursos da região.

Contemplar essas duas áreas não tarefa difícil, pois para os casos de enge-nharia química tem-se as células de combustível (PAC – Pille à combustible) e eletro-lisadores que quando conectados, possuem muitos aspectos que podem ser estuda-dos do ponto de vista de processo químicos. E além disso, a adição de um metanador fortaleceria ainda mais a complexidade desses processos. Do ponto de vista elétrico,

(15)

a hibridização do PAC com uma bateria e/ou com supercapacitores permitiria aos es-tudantes de engenharia elétrica um trabalho substancial a fazer. Foi partindo desses dois grandes campos que as experiências foram pensadas.

Assim, este estudo objetivou planejar uma plataforma de aulas práticas ligada ao tema de “redes inteligentes”, de forma a garantir um complexo seguro que permi-tisse aos alunos a compreensão de conteúdos teóricos de uma maneira experimental. Para tal, os objetivos específicos deste estudo foram:

• Elaborar os roteiros das aulas práticas que poderiam serem oferecidas no novo laboratório.

• Orçar e dimensionar os materiais que seriam usados para a execução dos ro-teiros das aulas práticas.

• Definir o público ideal para a realização dessas aulas práticas.

Simular o sistema numericamente, para testar os principais componentes desse roteiro.

(16)

2. REFERENCIAL TEÓRICO

2.1. Microrede inteligente

Para que a experiência pudesse ser realizada, foram pensadas as instalações internas e externas do laboratório, isso quer dizer que esse complexo sistema teria que conter uma fonte de energia renovável com uma potência próxima ao real. Na Figura 1 é ilustrado o diagrama esquemático das instalações.

Fonte: Elaborado pelo autor

O esquema da figura começa com uma fonte de energia renovável intermitente que pode ser solar fotovoltaica, vento ou um emulador (um sistema que simule o for-necimento de energia) que seria utilizada para fornecer a energia para a utilização do eletrolisador ou, caso necessário, fornecer energia diretamente ao consumidor, nesse caso representado por uma carga ativa.

(17)

Esse primeiro sistema (eletrolisador) é essencial para a realização desse pro-jeto porque é importante ressaltar que um dos aspectos negativos da energia prove-niente de células a combustível é exatamente o seu “input”, o gás hidrogênio, uma vez que este não está disponível de forma livre na natureza, mas apenas ligado a outros elementos. Portanto, sua produção pode acabar tendo um alto custo ou ser gerada através de fontes não renováveis como a queima de combustíveis fósseis, como acon-tece com algumas indústrias de produção de hidrogênio.

Por essa razão, nesse projeto foi pensando que o hidrogênio utilizado nas cé-lulas seria ele mesmo produzido por uma reação de eletrólise feita na própria plata-forma e que essa seria alimentada por uma fonte de energia elétrica gerada por fontes renováveis, ou simulada. O processo da eletrólise é uma reação de oxi-redução que pode ser realizada ou não em meio alcalino (RUSSEL, 2000).

Para se obter esse gás hidrogênio é necessário dissociar uma fonte primária de energia como, por exemplo, hidrocarbonetos, biomassa ou a água. O tipo de ele-trólise considerado para esse trabalho é aquele que utiliza a dissociação de água em meio alcalino, uma tecnologia que é conhecida desde o início do século XX. (ADEME, 2014).

Denomina-se eletrólise da água o processo eletroquímico de dissociação da água, que com a ajuda de um catalisador iônico, como por exemplo KOH gera como produto finais gases hidrogênio e oxigênio moleculares (FURLAN,2008).

Essa escolha é interessante porque, como não há carbono na entrada da rea-ção, no final não se produzem gases poluentes, apenas moléculas de oxigênio (O2) e

hidrogênio (H2). Essa técnica consiste em uma corrente elétrica que passa pela água

e através de uma reação química separa os gases oxigênio e hidrogênio (RUSSEL, 2000).

As reações que acontecem no processo de eletrólise são as seguintes:

(18)

4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(aq) No ânodo: (1) 4OH-_(aq)_{→ O}_2(g)_{+ 2 H}₂_O_(l)_{+ 4e}- (2) Total: 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) DHº = 285kJ/mol (3)

Uma vez produzido, o gás hidrogênio poderia ter duas finalidades importantes: ali-mentar uma célula de combustível ou ser utilizado em um metanador, sendo conver-tido em metano através de um processo de metanação catalítica, com dióxido de car-bono. Nessa reação, o dióxido de carbono é convertido via hidrogenação catalítica em metano e água (CÁCERES, 2017).

Nesse momento é interessante fazer uma diferenciação que às vezes gera con-fusões conceituais entre o processo de Metanização (Methanisation) e Metanação (Methanation).

O primeiro, também conhecido como digestão anaeróbica, ou ainda biometani-zação é um processo bioquímico que degradam a matéria orgânica num ambiente fechado e na ausência de gás oxigênio. É um processo lento que necessita que suas condições sejam controladas (ÁLVARES, 2009). Essa digestão tem como objetivo re-alizar a transformação de matéria orgânica em subelementos tais como: metano, gás carbônico e água. A metanização é muito utilizada para a fabricação de biogás, prin-cipalmente na Europa, que tem grande necessidade de gerar calor, majoritariamente

(19)

durante o inverno. Segundo o último relatório do Panorama das Energias Renováveis na Europa (EUROBSERV’ER, 2013), em 2012 a produção de energia elétrica a partir do uso do biogás foi maior que 46 GWh no continente.

O segundo processo (metanação) é a produção do metano por uma reação catalítica em altas temperaturas e pressão. O metano é o principal hidrocarboneto que compõe o gás natural, sendo de grande importância para os setores industriais, de energia e de transporte, em todo o mundo (BIAN et al., 2016). Normalmente, ele é oriundo de reservas naturais, mas as explorações dessas reservas possuem alguns inconvenientes como não estarem espalhadas homogeneamente nos lugares onde há um maior consumo de energia. Além disso, elas são finitas e sua exploração é prejudicial ao meio ambiente.

A reação de metanação utiliza como componente ativo, principalmente, os me-tais Ru, Ir, Ni, Co e Fe e faz a conversação do gás de síntese em metano (GRABRIELA et al., 2017). Gás de síntese é o processo de combustão do carvão mineral, que nesse caso, é produzido para que ocorra a mistura dos gases hidrogênio e monóxido de carbono (CHEIN, YU, WANG, 2016).

A forma mais antiga de realização dessa reação acontece através da reação de hidrogênio e monóxido de carbono que servia para a produção da amônia, por exem-plo. A reação química citada é descrita da seguinte forma:

CO + 3H2 « CH4 + H2O DHº = - 206kJ/mol (4)

Para esse trabalho, o que está sendo proposto é uma solução ainda mais ino-vadora e ambientalmente mais sustentável, que é a realização da metanação através de uma reação que usa o dióxido de carbono no lugar do monóxido de carbono. Esse artifício foi pensado para minimizar as emissões desse gás na atmosfera e se chama reação de Sabatier (CIOLA, 1981).

(20)

Sabe-se que o dióxido de carbono é muito importante para a sobrevivência hu-mana, pois ele é o principal responsável por um processo natural amplamente conhe-cido como efeito estufa. No entanto, o excesso de emissão desse gás, principalmente pelas ações humanas, fez com que a sua concentração aumentasse de maneira ca-tastrófica, transformando esse efeito natural e necessário, em um problema real com proporções globais (OLIVEIRA,2014).

Nesse trabalho pensou-se sempre nas soluções mais otimizadas, tais como aproveitar ao máximo cada um dos processos que seriam realizados nessa plata-forma. O uso do CO2 como reagente para o processo de metanação pareceu um ótimo

recurso. A utilização desse gás,como produto em reações industriais, vem sendo cada mais explorada, e ele tem se mostrado muito interessante na fabricação de produtos úteis e relevantes ao mercado (ARESTA, 2010; AQUINO, 2008; BECKMAN,2004). A reação de metanação pode ser observada da seguinte forma:

CO2(g) + 4H2(g) « CH4(g) + 2H2O(g) DHº = - 165 kJ/mol. (5)

A reação de metanação que foi usada para esse trabalho trata-se de uma rea-ção complexa devido a seus processos químicos, por exemplo, as reações duplas entre carbono e oxigênio possuem alta estabilidade, por conta disso é necessária uma grande quantidade de energia para a sua desestabilização. Esse aspecto é uma bar-reira importante que precisa ser vencida para o processo industrial acontecer (GOO-DMAN, 2013; FECHETE, 2015). Pela dificuldade em se realizar essas reações, pen-sou-se em simulações que as representassem.

Uma vez entendidas essas diferenciações, retoma-se o esquema estudado de microrrede inteligente.

Para esse estudo foi escolhido a célula de combustível com membrana de per-muta protónica (CCMPP) porque é o tipo de tecnologia mais avançada atualmente e a mais interessante para a aplicação com produção de energia variável, sendo usada inclusive para a motores de carro (RALLIERES, 2011). Sua reação química global é o inverso daquela feita pelo eletrolisador, e pode ser expressa da seguinte forma:

(21)

2H_%(')+ O%(+) → H%O(,) (6)

Outro aspecto importante desse sistema, são os processos pós passagem na célula de combustível, ou seja, após o hidrogênio ser consumido há produção de ener-gia elétrica. Essa enerener-gia poderia tanto ser utilizada por um consumidor qualquer (casa, cidade, carro e etc) ou ser estocada em baterias ou supercapacitores. Um as-pecto interessante sobre as células de combustível é que ela é considerada mais efi-cientes do que outras fontes de energia elétrica porque não são dispositivos térmicos (VILLULLAS et al., 2002).

No caso desse trabalho, o consumidor será sempre representado por uma carga ativa que é um elemento teórico no nosso sistema. O objetivo da carga ativa é fazer um teste e simular o consumo de eletricidade, por exemplo, de uma casa, veículo elétrico, bairro e etc. Na prática, a carga ativa seria o consumidor final dessa energia, que pode ser observado no esquema da Figura 1.

Portanto, um resumo do sistema sugere que haja diferentes formas de se enviar energia elétrica para o consumidor, diretamente da fonte (painéis solares ou gerados eólicos), ou através da célula de combustível. Se a energia não for necessariamente elétrica, pode haver também um envio de biogás através da produção de metano, como no caso em que a fonte é um carro movido a gás ou uma residência com aque-cimento a gás.

Outro detalhe importante do esquema é a gestão de energia. Sabe-se que em geral os picos do consumo de energia, por exemplo em uma casa, se dão em dois horários: próximos ao café da manhã, e no fim da tarde, que não coincidem com os picos de produção de energia de um painel solar, por exemplo. Portanto, definir como estocar esse excedente de energia para que ele seja consumido na hora correta foi um dos aspectos considerados para a elaboração das experiências.

(22)

3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Este projeto consiste em dimensionar esta plataforma onde serão realizadas experiências relacionadas às energias renováveis. Como primeiro passo, refletiu-se sobre os diferentes tipos de experiências que ela poderia oferecer, em diferentes do-mínios e em diferentes aspectos. Para isso foi realizada uma pesquisa em outras uni-versidades, foi criado um banco de dados com telefones e e-mails de professores referências em redes inteligentes e sistemas híbridos. Além disso, foi utilizado como base experimentos que já eram realizados no próprio laboratório, que foram melhora-dos, para ser expandido em escala industrial e/ou adicionados a sistemas mais com-plexos.

Em seguida, pensou-se nas diferentes arquiteturas, para isso foi levado em consideração normas de segurança, francesas e da união europeia. Em seguida, si-mulou-se o sistema numericamente, através do software Excel, para aprofundar as ideias das experiências, dimensionar corretamente os componentes e para oferecer aos alunos uma abordagem mais rápida e simplificada.

O maior desafio encontrado para a realização desse trabalho foi encontrar o material no mercado hoje. Os componentes pedagógicos existentes frequentemente têm baixas potências em comparação com aqueles procurados, pois tratam-se de equipamento desenvolvidos exclusivamente para uso pedagógico ou acadêmico e que simulam distintamente daqueles de escala industrial.

Os componentes que contêm uma potência (ou energia) elevada são frequen-temente sistemas profissionais, que por outro lado não permitem as modificações dos parâmetros como seria necessário para que os experimentos pudessem ser realiza-dos (especialmente na parte do processo).

Portanto, o desafio pode ser resumido como a dificuldade de se encontrar com-ponentes com um máximo grau de liberdade, mas mais próximo de sistemas industri-ais, mas que ao mesmo tempo sejam pedagógicos e que garantam um uso seguro, intuitivo e de longo prazo.

(23)

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

4.1. Aspectos Pedagógicos

Nesse capítulo, serão definidos e detalhados os experimentos que poderiam ser realizados nessa plataforma. De fato, o sistema como um todo é muito interessante e poderia ser manipulado para que diferentes públicos possam abordar o assunto da maneira mais conveniente. Por exemplo, cada componente pode ser estudado inde-pendentemente, em pequenos sistemas ou em junções complexas, e ainda, do ponto de vista elétrico, químico ou até mesmo do ponto de vista de gestão.

De fato, atualmente, poucos alunos têm acesso a experiências que envolvam um sistema tão completo: da fonte ao consumidor. Dentro desse contexto, foi sugerido os seguintes tópicos para serem desenvolvidos:

• Estudo e caracterização de um PAC

• Hibridização de célula de combustível e bateria • Cogeração

• Power to gaz (H2)

• Smart Grid (rede inteligentes) • Metanação

Sugestão de experiência 1

Tema: Estudo e caracterização de um PAC

Tempo sugerido: Para a realização dessa experiência foram previstas 3 aulas, tendo cada uma duração de 3 horas.

Objetivo: o objetivo deste laboratório é ilustrar aos estudantes as característi-cas, e as principais funções de uma PAC e compreender o desempenho da bateria

(24)

Além do objetivo geral do experimento, foi pensado e sugerido o que seria es-perado que os alunos resolvessem ao longo de todas as aulas da experiência 1. Essa primeira experiência é mais geral e envolve mais alunos com conhecimentos de ele-tricidade. Nela foi prevista a realização dos seguintes passos:

- Traçar a curva da característica estática V (I) de um PAC: Caracterização dinâ-mica da célula a combustível por espectroscopia de impedância. Essa curva permite conhecer a potência máxima da pilha, o seu rendimento e determinar a corrente ou a tensão para cada variação de potência.

- Fazer um modelo matemático da célula para saber a relação entre massa de reagentes na entrada e saída.

- Validação e verificação do modelo teórico com o sistema real através de explo-ração em diferentes correntes (inclusive altas correntes).

- Estudo do desempenho da célula de combustível traçando o V (I) sob diferentes condições de operação (pressão, temperatura, estequiometria, umidade relativa).

Conclusões:No final desse experimento espera-se que os alunos vejam o

fun-cionamento de uma célula de combustível real, ao mesmo tempo em que possam realizar um modelo teórico da mesma e comparar ambos.

Tema: Hibridização de um PAC com uma bateria ou supercapacitor

Objetivo: O objetivo deste laboratório é ilustrar aos alunos o princípio de hibridizar uma célula à combustível com um componente de armazenamento, como por exem-plo uma bateria ou um supercapacitor. Ambas as fontes estão conectadas à um con-versor. Nesse experimento os alunos devem entender primeiramente a função desse elemento elétrico e quais seriam as implicações de hibridizar sem ele e depois analisar como um sistema reage quando conectado a um fornecimento híbrido de energia.

Seria esperado dos alunos a realização dos seguintes passos: - Gestão de energia por uma abordagem de frequência.

(25)

- Filtrar uma determinada missão típica (casa, veículo) para identificar a quência baixa (BF) idealmente fornecida pela a célula de combustível e a parte fre-quência alta (HF) realizada pela bateria, por exemplo. Sugere-se o uso de um MA-TLAB pré-preenchido

- Observar as respostas da PAC e da bateria sobre os dois tipos de frequência e analisar a divisão de energia e se as expectativas da missão são cumpridas

- Comparar os resultados obtidos com a simulação

-Verificar a gestão de energia por outras abordagens (limitação de bandas, li-mitação dinâmica) e comparar os resultados com a abordagem de frequência

- Possível utilização do calor liberado pela bateria para aquecer uma carga ativa que simula por exemplo a consumação de energia de uma casa.

- Avaliação da eficiência da instalação: balanceamento elétrico

Conclusões: Nessa experiência espera-se que os alunos entendam sobre as diferenças de potências que um consumidor pode solicitar. Para cada tipo de de-mande existe uma resposta mais adequada. Por exemplo para um carro, sabe-se que um supercapacitor é capaz de enviar energia de maneira rápida, então durante um processo de aceleração o ideal é que a energia venha das baterias. No entantoo se o carro anda a velocidade constante, a célula a combustível é a fonte ideal de energia.

Sugestão de experiência 3 Tema: Cogeração

Objetivo: Como o próprio nome da experiência sugere, esse caso é um caso típico de cogeração. Este trabalho prático permite desenvolver a parte de processos químicos em torno da hibridização, principalmente aqueles ligados às reações exotér-micas ou endotérexotér-micas.

(26)

- Fornecer o aquecimento de uma carga ativa, como por exemplo uma casa, usando o calor liberado pela bateria.

Conclusões: A ideia central dessa experiência é mostrar aos alunos como oti-mizar a produção de energia, utilizando dois processos da célula de combustível: o primeiro que fornece energia elétrica, utilização básica e óbvia da célula, e o segundo, a utilização da energia liberada em forma de calor no final das reações, energia essa que normalmente é desperdiçada.

Sugestão de experiência 4 Tema: Power to gaz (H2)

Objetivo: Este laboratório tem como objetivo apresentar aos alunos o armaze-namento de eletricidade excedente produzido por uma fonte de energia renovável in-termitente (fotovoltaica ou eólica). Por conta de sua complexidade ele deveria ser di-vidido em 2 partes; sendo a primeira sobre eletrolisador e a segunda sobre gestão de eletricidade.

Parte 1: Estudo do eletrolisador

Para essa primeira, pensou-se nas seguintes etapas: - Estabelecer a curva de polarização do eletrolisador V(I).

- Determinar os parâmetros do modelo por identificação paramétrica

- Analisar a evolução da eficiência, da tensão e da intensidade, requeridas de acordo com diferentes fluxos de entrada,

- Analisar as influências sofridas no eletrolisador causadas pelas variações de pressões e temperaturas.

Parte 2: Gestão de eletricidade e de gás hidrogênio. Para a segunda parte, espera-se dos alunos:

(27)

- Identificar o excesso de eletricidade por comparação entre uma curva de for-necimento de eletricidade (PV, energia eólica) e uma curva de demanda (por neces-sidades elétricas de uma área residencial)

- Gerenciar o excesso de energia elétrica, podendo ele ser armazenamento direto na bateria ou convertido para H2

- Gerenciamento de H2, decidir entre armazenar o gás ou enviá-lo para o CAP

para geração de eletricidade

-Avaliação do desempenho deste tipo de armazenamento: eficiência energética ligada ao gás hidrogênio e à potência para bateria.

Conclusões: Essa experiência tem como objetivo mostrar aos alunos como funciona um eletrolisador; perceber seus parâmetros. Espera-se também que os alu-nos percebam que quando se trata de gestão de energia não existe uma única solução correta, e sim soluções mais adequadas para cada momento e para cada caso.

Tema: Redes inteligentes (Smart Grid)

Tempo sugerido: O tempo sugerido para a realização desse experimento é de uma aula com duração de 4h

Objetivo: O objetivo deste laboratório é gerenciar a energia em uma rede inte-ligente simplificada, com uma fonte energia renovável (nesse caso, painéis fotovoltai-cos).

Em um primeiro passo, espera-se dos alunos a previsão de um consumo teó-rico noturno de uma residência tendo como base perfis pré-definidos do consumo de energia ao longo do dia.

No início da experiência, os alunos devem atender às baixas demandas mati-nais, que possuem um pico durante o horário do café da manhã. E decidir uma solução para responder às demandas noturnas que são bem mais fortes.

(28)

opor-Esse trabalho também pode ser dividido em 2 partes, sendo a primeira um es-tudo do painel fotovoltaico e a segunda, a gestão da energia produzida por esse pai-nel.

Parte 1: Estudo de painel fotovoltaico

Para o estudo sobre esse painel espera-se dos alunos:

- Caracterizar o painel fotovoltaico e identificar os parâmetros do modelo equiva-lente.

- Comparar a produção real do painel (banco de dados obtidos em uma semana, por exemplo) com a produção teórica.

Parte 2: Gestão de energia

Para a realização da gestão energética pensou-se na seguinte problemática, inde-pendentemente da geração de energia renovável intermitente: os alunos deveriam decidir e justificar sua decisão sobre o que fazer com o excedente de energia que poderia ser armazenado em forma de eletricidade na bateria, convertido de eletrici-dade em H2 ou outra solução pertinente.

Conclusão: Nessa experiência espera-se dos alunos uma compreensão entre uso e consumo de energia. Espera-se que eles resolvam questões ligadas ao excesso de energia solar que pode servir tanto para produzir hidrogênio quanto para recarregar as baterias. Ao final da experiência, espera-se que eles tenham conseguido atendem as necessidades noturnas da residência, alterando as relações entre a hibridação da célula de combustível, da bateria e do supercapacitor.

Sugestão de experiência 6 Tema: Metanação

(29)

Objetivo: O objetivo deste laboratório é possibilitar que os alunos visualizem um processo de metanação. Isso permitirá que eles agrupem os vários estágios do Po-wer-to-Gaz, ou seja, eletrólise, fornecimento de CO2, armazenamento de CO2 e a

re-cuperação desse CO2 em metano por um reator de metanação. Esta experiência visa

ao mesmo tempo um aspecto educacional, ambiental e econômico. As sessões pode-riam lidar com os seguintes tópicos:

- Caracterização de metano e balanços de materiais e energia

- Determinação de balanços de materiais e energia, incluindo elétrica e tér-mica;

- Determinação do progresso da reação em função da temperatura, pressão, a quantidade de água presente no reator, o fluxo de entrada e tempo de atuação dos reagentes

Dimensionamento de injeção de biometano - Caracterização da rede de gás

- Estudo dos critérios de injeção de biometano na rede de gás (PCS (Poder calo-rífico superior), porcentagens de composição de CO, CO2, H2, H2O)

- Estudo de tecnologias de purificação de gás (a unidade de tratamento de gás visa, reduzindo os níveis de CO2, H2, H2O no metano produzido)

-Aspectos econômicos, pesquisa sobre os gastos desses processos e equipamen-tos necessários.

-Compreensão dos impactos ambientais positivos desse processo.

Conclusão: Nessa experiência espera-se dos alunos um entendimento mais am-plo desse processo pouco trabalhado nas indústrias, que é a metanação. Essa expe-riência pode ter diferentes abordagens envolvendo as partes mais técnicas ou de ge-renciamento.

(30)

4.2. Dimensionamento

O dimensionamento constitui a parte mais longa desse projeto. Ele é dividide em 3 partes: elementos de pesquisa, integração no Excel e simulação dinâmica.

A primeira é o estudo dos componentes e artifícios que deveriam ser comprados para a instalação dessa plataforma. Como já comentado, um dos maiores desafios desse trabalho foi encontrar os componentes adequados para a instalação dessa pla-taforma, por questões de segurança, preço, tamanho, potências e etc.

No início do projeto foi realizado uma pesquisa sobre como as outras universi-dades abordavam o assunto redes inteligente e hibridização e verificou-se que, em sua maioria, os professores optavam por comprar uma bancada laboratorial educaci-onal pronta, ou seja, eles compravam um sistema de componentes que tinham função unicamente pedagógica.

Esse tipo de produto, apesar de apresentar vários aspectos positivos, como por exemplo: a segurança, montagem fácil e um conteúdo didático, ele não cumpria um dos aspectos principais do objetivo da plataforma que é exatamente simular situações reais.

Outro aspecto importante que deve ser lembrando é que esse projeto recebeu um grande orçamento (informação sigilosa) de instituições privadas que reivindicavam a instalação de um sistema em que pudessem ser realizados testes a níveis industri-ais.

Portanto, levando-se em considerações os aspectos anteriores, essa parte do trabalho resumiu-se em levantar as opções dos componentes que poderiam ser com-prados. Foi uma parte longa, principalmente, pela dificuldade de encontrar os compo-nentes, que eram muitas vezes bem específicos, e outras vezes por depender de uma resposta do fabricante em relação ao preço, as especificações técnicas e aos mode-los.

(31)

4.2.1. Elementos de pesquisa

CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

Existe uma abundância de escolha para as células de combustível. Porém, para esse trabalho, limitou-se em uma gama de produtos entre 500 W e 1000 kW. Sabendo que para aumentar a vida útil de um PAC, é desejável trabalhar em uma margem de energia muito inferior à sua potência máxima. Para o limite superior curou-se células que pudessem atingir potências de até 4.000 W. Os seguintes pro-dutos foram os mais aptos de acordo com as especificações explicadas no início do capítulo.

A empresa BALLARD oferece duas variedades de células de combustível: Opção A

• Potência máxima: 800 W • Número de células: 56 células • Corrente máxima: 65 A • Preço: 2349 € Opção B • Potência máxima: 1200 W • Número de células: 28 • Corrente máxima: 65 A • Preço: 3063 €

(32)

es-possível obter uma resposta sobre a ficha técnica do produto, inclusive em relação ao seu preço. Porém sabe-se que se trate de uma célula de:

• Potência máxima de 4000 W • Corrente máxima de 65ª

As características das células produzidas pela POWERCELL são as seguintes: • Potência máxima: 1000W

• Número de células: 10 • Corrente máxima: 65A • Preço: 2349 €

O fabricante POWERCEL adicionou a informação que o preço poderia ser re-duzido dependendo da quantidade compradas.

Daquelas células produzidas pela CEGASA só foi possível obter as seguintes informações

• Potência máxima: 1240W • Número de células: 40

Por último, incluiu-se o fabricante PEM HORIZON, também não foi possível adquirir todas as informações técnicas de seu produto, porém pode-se dizer que seu preço está bem acima do mercado.

• Potência máxima: 1000W • Preço: 6299 €

Para facilitar a visualização dos dados ao final do comparativo de cada compo-nente criou-se uma tabela com todas as informações, pode-se observar o resultado na Tabela 1 apresentada abaixo:

(33)

Tabela 1 - Comparação entres as Pacs Nome do fabricante Potência máxima (W) Corrente máxima (A) Número de células Preço (€) BALLARD (opção A) 800W 65A 56 2349 € BALLARD (op-ção B) 1200W 65A 28 3063 € Hydrogenics 4000W 65A PowerCel 1000W 65A 10 2349 € CEGASA 1240W 40 PEM Horizon 1000W 6299 €

FONTE: Elaborado pelo autor

BATERIA

As tecnologias de baterias são múltiplas (chumbo, íon-lítio, fosfato de lítio-ferro). Baterias de chumbo-ácido são altamente poluentes, ineficientes e têm uma vida curta. As baterias de íons de lítio são muito poderosas. Eles têm uma vida mais longa do que o chumbo. Infelizmente, elas apresentam riscos em caso de fuga tér-mica (explosão, incêndio). As baterias LiFePO4 são potentes e têm uma vida muito mais longa que outras. Os riscos térmicos são muito menores. Por essa razão, ten-tou-se favorecer este tipo de bateria.

(34)

A empresa chinesa PYLONTECH oferece uma bateria deste tipo, chamada "Phan-tom-S". Aqui estão suas características:

• Energia total: 2,4 kWh

• Potência máxima de carga / descarga: 5kW • Tensão nominal: 48v

• Tempo de vida: 6000 ciclos (a 80%) • Preço: 2099 €

Esta bateria é muito interessante. Ela é bem calibrada em comparação com ou-tros componentes e tem uma longa vida útil, sua voltagem de 48V permite que ela seja manipulada pelos alunos, um aspecto importante que deve sempre ser levado em consideração nesse trabalho. Além de todos os aspectos técnicos, seu preço é muito atraente.

Também foram encontradas baterias de íon de lítio. Elas têm performance equi-valente, porém por um preço por muitas vezes maior. Elas são, portanto, muito menos interessantes. Pelas questões explicadas acima, decidiu-se ficar somente com essas opções.

ELETROLISADOR

Eletrolisadores industriais são fáceis de se encontrar. Portanto, foi possível catalogar diferentes opções no McPhy. Porém, não foi possível obter um preço ape-sar de diversas tentativas de contato.

O que foi difícil de encontrar são os stack de eletrolisadores. No entanto, foi encontrada uma opção na FUEL CELL STORE:

• Produção: cerca de 27Nl/h no máximo • Potência necessária: 120W

(35)

SUPERCAPACITOR

Supercapacitores são muito fáceis de se encontrar. Por exemplo, a MAXWELL oferece muitas opções de supercapacitores que variam de 650F a 3000F. Não foi possível ter uma confirmação exata do preço, porém, ele é muito baixo em comparação com outros componentes (cerca de 30 € a 100 €, dependendo da sua capacidade). Assim, não é esse componente que será o mais restritivo.

METANADOR

Encontrar um metanador foi um processo longo e complicado. No início, não era possível saber que se tratava de um componente específico, de alta precisão e de fabricação complexa. De fato, mesmo em sistemas industriais é raro encontrar esse tipo de aparelho, tão raro que não foi possível encontrar nenhum. Mesmo após tentar contato com vários pesquisadores de alto nível (pesquisadores do INP-ENSI-ACET, do Laboratório de Coordenação de Química (LCC) ou do Comissariado de Energia Atômica e Energia Alternativa (CEA)), nenhuma das pessoas contatadas foi capaz de informar como encontrar um metanador.

ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO

O armazenamento de hidrogênio pode ser feito de diferentes formas. A forma mais convencional, aquele sob pressão, é obrigatória por razões de segurança. Esta é a razão pela foi escolhido um armazenamento na forma de hidreto de metal.

(36)

A FUEL CELL STORE oferece vários hidretos de metal (aço, alumínio, manga-nês-titânio). O armazenamento mais barato é aquele de alumínio, que oferece um armazenamento de 910Nl por cerca de 2500 €.

Outra opção de fabricantes é a MCPHY que oferece armazenamento de hidreto de magnésio. Porém, infelizmente, não foi possível encontrar um preço para este pro-duto.

CARGA ATIVA

A carga ativa que foi procurada para esse tipo de trabalho é especial no sen-tido de que se procura um ondulador que rejeita energia, como aqueles usados no campo fotovoltaico, mas que seria adaptado de acordo com a potência

Poucos dispositivos que atendem aos critérios citados anteriormente existem no mercado e, portanto, a carga ativa que mais se aproxima do desejado, é aquela fabricada pela CINERGIA, modelo B2C75 e distribuída pela ES France. Esta fabri-cante tem todas as opções necessárias para a construção dessa plataforma (tem cor-rente, tensão, potência e impedância controláveis) e pode manter uma potência de até 6,75 kW. Ele retorna toda a energia usada na rede e até tem um modo de teste de bateria.

O preço deste produto totalizou 22.005,60 €. Nele inclui-se uma proteção para o transformador que seria necessário instalar entre a carga e a rede.

4.2.2. Excel

Concomitante ao trabalho de estudos dos componentes para a instalação da plataforma, criou-se um Excel que serviria como uma ferramenta de dimensionamente para a instalação dessa plataforma, e que poderia ser usado como suporte para as aulas. A parte mais desenvolvida deste Excel diz respeito ao dimensionamento das

(37)

células de combustível e das baterias, esse dimensionamento foi realizado de acordo com uma missão simulada por uma carga ativa.

Escolheu-se um perfil de missão chamada de missão B com dois saltos de po-tência. Para simplificar o Excel, optou-se por estabelecermissões em relação às po-tências, com uma duração de 3 horas (correspondendo ao tempo médio previsto para cada aula de laboratório). O valor dessas amplitudes foi escolhido arbitrariamente, mantendo uma ordem de magnitude próxima da potência da bateria, ou seja, em torno de 1kW.

A missão (que está representada em azul) pode ser observada no Gráfico 1 com um primeiro salto de 2KW e, em seguida, um outro de 3 kW. Tomou-se como primeira hipótese o dimensionamento de uma PAC com uma potência constante e igual à potência média da missão, essa consideração pode ser observada no mesmo gráfico, como sendo a linha vermelha. O papel da bateria é se encarregar de gerenciar a lacuna entre a potência exigida da missão e aquela fornecida pela bateria, carre-gando-se (curva em cinza, parte negativa) ou descarrecarre-gando-se (em cinza, parte po-sitiva).

A energia útil necessária para este tipo de missão - e com este tipo de gestão de potência fornecido pela PAC - é determinada pelo cálculo da amplitude da curva amarela, que mostra a evolução da energia contida na bateria ao longo do tempo. Então, para o cálculo de energia útil basta subtrair o maior valor da energia (maior valor da curva amarela) ao seu menor valor, como é possível observar no Gráfico 1.

(38)

Gráfico 1 – Mudanças das potências de uma célula e de uma bateria em função do tempo.

É possível testar outras missões, por períodos mais longos, adicionando-se ou-tras potências para a PAC, se essa potência for maior que a média da missão, isso significará que a bateria irá estocar mais energia, e que, portanto, ela será maior que necessário.

A bateria também pode ser utilizada como fonte de energia, e não apenas como armazenamento da eletricidade produzida pela célula de combustível. Para que isso aconteça ela deve ser recarregada pela rede elétrica. Em termos teóricos, para o caso desse Excel, isto envolveria adicionar a energia fornecida à bateria para a aba de dimensionamento (do Excel).

Outras informações necessárias para dimensionar os elementos PAC / BAT e que são fornecidas pelo Excel ao fim de cada modelização são:

• Potência máxima da célula durante a missão,

(39)

• Energia útil de bateria

Analisando-se o Excel, a aba "Dimensionamento" permite:

• Escolher uma opção de célula e/ou de bateria de umas daquelas registradas na aba “Datasheet” e recuperar as características necessárias para o seu dimensiona-mento em relação a um perfil de missão;

• Visualizar dados de dimensionamento para as células de combustível, bateria, conversores DC / DC, a parte de fornecimento de gás e do eletrolisador. O dimensio-namento do eletrolisador é incompleto e vem da aba “Power-to-Gaz” que será apre-sentada posteriormente. Outro ponto interessante e bastante útil que foi previsto nesse Excel é a possibilidade de se estimar o custo de uma aula prática (composto principalmente pela compra de hidrogênio) e seus equipamentos.

O dimensionamento da célula de combustível consiste no cálculo do fluxo de hidrogênio consumido, a superfície ativa, sua tensão do Stack e a intensidade forne-cida pela célula à sua máxima potência de uso.

A tensão de um Stack e a intensidade máxima da célula de combustível, no uso de sua potência máxima, são encontradas através de um modelo simplificado da curva de polarização V = f (I) da célula, que leva em conta as perdas ôhmicas e ativação (simplificada) e negligência as perdas por difusão. Os parâmetros necessários, como a densidade de corrente de ativação ou a espessura da membrana, são obtidos em valores comuns e, idealmente, devem ser modificados para os valores corretos, a fim de obter um dimensionamento mais preciso. A curva de polarização modelada V = f (I) é encontrada usando a seguinte equação:

𝑼𝒑𝒂𝒄 = 𝑬𝒕𝒉 − 𝒃 ∗ 𝒍𝒏 :_{𝑱𝒂𝒄𝒕 ∗ 𝑨}𝑰𝒑𝒂𝒄 > − 𝑹 ∗ 𝑰𝒑𝒂𝒄 (7)

Sendo:

(40)

b=(R * T)/(2 *α* F) com R da constante de GP (gás perfeito) Ipac: Corrente produzida pela PAC

R: resistência da PAC

Jact: densidade de corrente, fixo à 3µA/cm² A: superfície ativa

Para o cálculo da resistência, tem-se:

(8)

Sendo:

Epmembrana: espessura de cada célula T: temperatura média da PAC

H2O/SO3 : uma relação fixada à 14 (limites 0- 22 )

b=(R * T)/(2 *α* F), F sendo a constante de Faraday e com R da constante de GP, gás perfeito.

F: constante de Faraday.

A temperatura da célula e a espessura da membrana devem ser fornecidas no Excel, sendo os valores padrão de 333K e 250μm, respectivamente. A tensão do stack é obtida multiplicando-se a tensão de cada célula individualmente (UPAC) pelo nú-mero de células colocadas em série no Stack.

A Figura 2 ilustra uma curva de polarização. Esta curva é uma função da su-perfície ativa da célula, e ela pode ser modificada por meio de um cursor, representado pelo ponto vermelho. A Figura 2 mostra esse comportamento.

𝐑 = 181.6 ∗𝑬𝑷𝒎𝒆𝒎𝒃𝒓𝒂𝒏𝒂_𝑨 ∗ 1 + 0.03 ∗ 𝑰𝒑𝒂𝒄 𝑨 + 0.062 ∗ K303M𝑻 % ∗ K𝑰𝒑𝒂𝒄_{𝑨 M}% K𝝀𝑯2𝑶_𝑺𝑶3R− 0.634 − 3 ∗𝑰𝒑𝒂𝒄_{𝑨 M ∗ 𝒆𝒙𝒑(4.18 ∗ K}𝑻 − 303_𝑻 MU

(41)

Figura 2 – Modelo de uma célula de combustível no Excel

As coordenadas deste ponto vermelho correspondem aos valores de tensão do stack e a potência máxima da célula de combustível e são dados que servem para parametrizar o modelo da célula e permite a obtenção do valor da superfície ativa.

Os valores de tensão do stack e da potência máxima de utilização da célula são então extraídos do modelo realizado. Essa etapa é importante porque são esses valores que permitem dimensionar o conversor DC/DC ligado à célula.

A taxa de hidrogênio consumida pela célula é estimada pela seguinte equação (que não leva em consideração as reações cruzadas ou parasitárias de H2):

qmH2 = (NBcells * IPAC * MH2)/(2 * F) (9)

Em que:

QmH2: fluxo de hidrogênio em Kg/s

NB cells: Número de células IPAC: Corrente na célula

(42)

Finalmente, é possível adicionar um coeficiente estequiométrico para calcular a vazão de hidrogênio que entra no modo de circulação. O uso da célula no modo “bouché” (sistema fechado) corresponde a um coeficiente acima da estequiometria de 1. É importante notar que esses fluxos são válidos apenas para a potência máxima de uso da célula.

Com esse Excel pode-se também calcular o gás hidrogênio total consumido, caso a potência da célula não seja constante, para isso deve-se ir na aba "Missão", e variar a quantidade de corrente que a célula deve fornecer, ao invés da potência como é feito atualmente.

Uma estimativa da massa da célula também é realizada na aba "PAC Mecâ-nica", que pode ser comparada com a massa da mesma anunciada pelo fabricante, ou que pode servir como uma ordem de grandeza.

O dimensionamento da bateria consiste em determinar o número de baterias necessárias e conhecer o valor mínimo de descarga (se a bateria for pré-carregada antes de usar) para saber se o stack de baterias está bem adaptado à missão seleci-onada, se por exemplo, ele não está super-estimado ou subestimado.

O cálculo do número de baterias necessárias é feito comparando a energia útil, bem como as potências máximas de carga e descarga necessários para a missão, com os dados fornecidos pelo fabricante. O parâmetro limitante define o valor do nú-mero de baterias. Deve-se notar que a potência máxima de descarga de uma bateria é frequentemente maior do que sua potência máxima de carga, por isso pode ser limitante para algumas missões.

Uma estratégia de gestão de energia assimétrica (removendo a carga dinâmica da bateria) pode ser adotada para otimizar o dimensionamento. No Excel, apenas uma estratégia de gerenciamento de energia simétrica foi considerada.

O valor da descarga é determinado comparando a energia útil necessária para a missão com a energia total contida na bateria. Um valor baixo indica oversizing, que, no entanto, permite uma vida mais longa da bateria.

(43)

Como explicado acima, a parte mais desenvolvida deste Excel é o dimensiona-mento da hibridação de uma célula de combustível com uma bateria. O caso da hibri-dização da célula, com ou sem bateria, com supercapacitores não foi programado, mas seria interessante e pode ficar como sugestão para projeto futuro.

Outra simulação que pode ser realizada nesse mesmo Excel, é aquela relacio-nada com“Power-to-Gaz” que possui um complexo sistema que envolve o eletrolisa-dor, o armazenamento de hidrogênio, o metanador e um dispositivo para geração de energia a partir do metano (como caldeira, por exemplo) associado ou não a um ar-mazenamento de metano.

Power-to-Gaz consiste em converter o excesso de eletricidade - produzido por fon-tes renováveis intermitenfon-tes – em um gás. Que pode ser hidrogênio por eletrólise da água, ou então dependendo da capacidade de armazenamento disponível, em me-tano por metanação de hidrogênio. O hidrogênio e o meme-tano podem ser usados para produzir eletricidade, força motriz e calor em momentos de necessidade.

O dimensionamento desses diferentes equipamentos envolve a simulação de uma produção de eletricidade por uma fonte renovável intermitente. Isso foi feito na aba "Power-to-Gaz", simulando aproximadamente um dia de produção fotovoltaica, sem nuvens, por uma função senoidal de potência máxima.

É feita uma comparação entre as curvas de produção e de demanda de eletrici-dade para calcular a energia elétrica enviada ao eletrolisador e também a massa de H2 que deve ser produzida. Essa curva de demanda deve idealmente ser

representa-tiva de uma curva real, como um bairro residencial, com picos e períodos de baixo consumo.

No entanto, para um estudo mais fidedigno de um eletrolisador, de um armaze-namento de H2 ou de um metanador seria necessário o auxílio do programa Matlab,

porque esse programa também levaria em conta a possibilidade de armazenar o ex-cesso de eletricidade, produzida em primeiro lugar, nas baterias e/ou supercapacito-res. Uma estratégia de gestão de eletricidade excedente deve ser concebida, assim como uma estratégia de gestão de hidrogênio que possa ser armazenada, enviada à

(44)

A complexidade aumenta ainda mais quando se tem interesse nos fluxos de calor produzidos, no eletrolisador, no armazenamento de metano e no metanador em particular, que poderiam, em teoria, ser recuperados para produzir cogeração e satis-fazer a uma possível demanda de calor.

Nessa primeira abordagem do Power-to-gaz decidiu-se realizar o teste com uma potência constante. A vazão mássica de hidrogênio produzida é calculada usando a eficiência de eletrolisador sobre PCI do H2 fornecida pelos fabricantes,

ob-tendo-se assim:

qmH2 = (ηelys * Pelys) / PCIH2 (10)

Sendo:

PCIH2 = 120.106 J / kg

qmH2: Fluxo mássico do hidrogênio ηelys: rendimento do eletrolisador Pelys: potência máxima do eletrolisador

A evolução da massa de hidrogênio contida no armazenamento é calculada e pode ser observada na Figura 3.

(45)

Figura 3 – Comparações entre potências em função do tempo

Uma limitação importante deste dimensionamento é não poder levar em consi-deração os rendimentos de baterias, conversores e etc. Além disso, não é possível simular diferentes manejos de energia, a menos que transfira-se para o Matlab, por-que o Excel não é não é capaz de lidar efetivamente com cálculos iterativos.

4.2.3. Simulação dinâmica – realizada em Matlab

Após o Excel uma segunda parte de teste teóricos foi realizada, dessa vez con-centrou-se somente na hibridização de uma célula de combustível e uma bateria. Foi simulado no Matlab / Simulink o seguinte diagrama elétrico, como mostra a Figura 4.

(46)

Figura 4 – Esquema do sistema simulado no Matlab/Simulink.

As mesmas missões teóricas que foram usadas no Excel foram também usadas nessa simulação. Um primeiro bloco permite separar as partes de alta frequência e baixa frequência das missões e então enviá-las a seu componente adequado; as bai-xas frequências para a célula de combustível e as altas frequências para a bateria. Estas correntes são enviadas para os conversores estáticos que altera a corrente e a tensão para o nível adaptado à bateria, sem alterar a potência elétrica. O esquema Matlab / Simulink pode ser visto na Figura 5.

(47)

O filtro de missão consiste em um filtro “low-pass” simples que permite a cor-rente de baixa frequência passar. Após essa etapa, programou-se uma subtração en-tre a corrente inicial e aquela filtrada pelo “low pass” para se obter as correntes de altas frequências. Aqui, foi definida a frequência de filtragem para 0,001 Hz. Ambas missões foram passadas por esse filtro. Como no Excel, foi utilizado um tempo de 3 horas (10800 segundos). A Figura 6 mostra a corrente inicial associada a missão, depois a corrente filtrada.

(48)

Alterando-se a frequência do filtro para 0,0001 Hz, podemos suavizar as variações atuais que serão impostas à bateria, o resultado dessa alteração pode ser visualizado na Figura 7.

Figura 6 – Correntes na bateria, PAC e na missão

(49)

Essas correntes então passam para os conversores do “BOOST”. Estes são modelados apenas por um coeficiente, que é calculado como uma função da relação entre a tensão dos fios (aqui 200V) e a tensão da célula a combustível ou da bateria. O modelo de célula de combustível que foi usado é um modelo que não leva em consideração as perdas de ativação à forte corrente, que ocorrem em um ponto característico. Portanto adotou-se a curva que segue a função abaixo e que pode ser observada na Figura 8.

Figura 8 – Característica da célula encontrada na simulação

Fonte: Elaborada pelo autor V = E-R * I-b * ln (I / Io)

(6)

Sendo:

V: Tensão da célula

E: Tensão quando a corrente na célula é zero I: Corrente da célula

(50)

Como a modelização da bateria levaria muito tempo para ser realizada esco-lheu-se um modelo de bateria conhecido como “Modèle de Tremblay-Dessaint” mo-delizado pelo Tremblay (TREMBLAY et al., 2009). Com esse modelo de bateria pode-se operar o sistema completo. Como todos os processos dinâmicos ocorrem como esperado, é possível observar na Figura 9, por exemplo, a corrente necessária para a missão 1:

Figura 9 – Correntes encontradas na célula

FONTE: Elaborada pelo autor

Para a célula de combustível essa curva segue perfeitamente as variações impos-tas por parte da missão e atinge os valores esperados. No entanto, para a bateria, não foi possível obter resultados conclusivos.

A modelagem sob o software Matlab / Simulink parece ser uma boa maneira de abordar a hibridização da célula de combustível e de uma bateria, em particular por ser capaz de variar a frequência de filtragem das partes de alta e baixa frequência da missão. Além disso, este modelo dá uma ideia do que pode ser feito durante o

(51)

trabalho prático e permite dimensionar de forma bastante precisa a célula de combus-tível, a bateria e os seus conversores.

4.3. Programa PACAERO

A plataforma citada nesse trabalho se desenvolveu e acabou se transformando em uma plataforma especializada em hidrogênio. Ela hospeda algumas atividades de ou-tros três laboratórios. Ela está inserida dentro do projeto PACAERO (Fuel Pile AERO-nautique).

A plataforma H2 tem instalações de teste para testar micro-redes (terrestres ou

aeronáuticas) e, mais particularmente, os componentes específicos dessas micro-re-des, como célula de combustível, eletrolisador ou armazenamento de hidrogênio, as-sim como prévia esse trabalho. Uma das dificuldades para este tipo de instalação é ter autorização para trabalhar com hidrogênio e oxigênio, porque as restrições de se-gurança são necessariamente severas tanto no nível da plataforma quanto no nível de cada bancada-teste. Essa plataforma também serve como um local de treinamento e teste para os muitos estudantes de doutorado que trabalham no campo de hidrogê-nio no LAPLACE.

(52)

Figura 10 – Lado exterior da plataforma de hidrogênio

Especificamente, a Pacaero testará várias tecnologias de células de combustível e eletrolisadores. Os pesquisadores têm como objetivo estudar e modelar o envelhe-cimento desses componentes. Eles também desenvolverão e otimizarão baterias mul-tifuncionais capazes de fornecer eletricidade, calor, água e gases inertes.

Eles também planejam projetar sistemas de múltiplas fontes combinando turbinas a gás, baterias, células de combustível e energias renováveis. O local de teste inclui baterias de íons de lítio e painéis solares, além de eletrolisadores e células de com-bustível, alguns desses escolhidos com a ajuda desse trabalho.

Os cientistas irão explorar todas as combinações possíveis para uma variedade de aplicações. Por exemplo, instalar um motor de célula de combustível na roda dianteira da aeronave, para que possa rebocar a aeronave. Outra ideia é substituir a turbina a

(53)

gás que produz a eletricidade da cabine por uma célula a combustível, usar as calorias liberadas para aquecer os passageiros e retirar gelo das asas. Ou seja, a plataforma tem funcionado dentro do contexto de soluções para novas fontes energéticas, mais limpas e sustentáveis.

As aulas práticas aqui sugeridas foram adaptadas e hoje são lecionadas no labo-ratório de física elétrica da universidade, elas não são feitas com componentes indus-triais, mas elas seguem, em grande parte, o roteiro aqui sugerido.

(54)

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A criação de uma plataforma com aulas experimentais sobre o tema das ener-gias renováveis é importante para os estudantes de qualquer curso ligado a energia renováveis, porque os problemas de hibridização ou redes inteligentes são atualmente pouco estudados e ainda pouco compreendidos. A construção dessa plataforma vem inserida nesse contexto e demostra um passo importante para a universidade.

Sabe-se hoje, pouco mais de um ano depois que esse trabalho foi realizado, que a plataforma foi construída mas que ela foi dedicada a trabalhos e experimentos de pós graduação, e está inserida dentro do Programa PACAERO (Pile A Combustible dans l'AEROnautique) - Célula de combustível dentro da Aeronáutica, financiada pela União Europeia, pelo governo francês, pela região da Occitanie e por grandes empre-sas desse setor tal como a Safran. Tal decisão não foi discutida nesse trabalho, prin-cipalmente por questões políticas.

Ainda assim, existem pelo menos 3 aulas experimentais propostas nesse trabalho que são realizadas em escala pedagógicas no laboratório de física elétrica da ENSE-EITH. Além disso, um pequena central solar foi instalada o que permite também o estudo de projetos de gestão de energia.

(55)

6. REFERÊNCIAS

ADEME; GRT gaz ; GrDF. Étude portant sur l’hydrogène et la méthanation comme procédé de valorisation de l’électricité excédentaire, Estudo técnico comercial, setembro de 2014.

ÁLVARES DA SILVA OSVALDO, M. Anaerobic digestion or chemical stabilization how to select?. Revista aidis: de ingeniería y ciencias ambie´ntales, vol. 2, 2009.

AQUINO, S. A. Análise de Rotas Alternativas para Sequestro Químico De CO2:Produção de Metanol, Gás de Síntese e Ácido Acético. Projeto de Final de Curso- Programa EQ-ANP, Processamento, Gestão e Meio Ambiente na Indústria do Petróleo e Gás Natural.Rio de Janeiro, 2008.

ARESTA, M. Carbon Dioxide as Chemical Feedstock, Wiley‐VCH, Weinheim 2010, 414 pp.

BECKMAN, E. J. Supercritical and near-critical CO2 in greenchemical synthesis and processing. Journal of Supercritical Fluids, 2004.

BIAN, Z.; MENG, X.; TAO, M.; LV, Y.; XIN, Z. Uniform Ni particles on amino-func-tionalized SBA-16 with excellent activity and stability for syngas methanation. Jour-nal of Molecular Catalysis A: Chemical, v. 417, 2016.

CÁCERES, G.; LETÍCIA BERNARDES, L.; MUNIZ, A. R.; RODRIGUES, R., FLO-RES, W. Estudo da reação de metanação a partir de gás de síntese utilizando

(56)

CHEIN, R.; YU, C.; WANG, C. Numerical simulation on the effect of operating con-ditions and syngas compositions for synthetic natural gas production via methana-tion reacmethana-tion. Fuel 185: 394-409, 2016

CIOLA, R. Fundamentos da catálise. São Paulo: Universidade de São Paulo, 1981.

EUROBSERV’ER. The State of Renewable Energies in Europe. Eurobserv’ER Re-port. p 44-48, Paris. 2013.

FECHETE, I.; VEDRINE, C. J. Nanoporous Materials as New Engineered Catalysts for the Synthesis of Green Fuels,Molecules. 2015 Mar 31;20(4):5638-66.

FURLAN, A. Análise comparativa de sistemas de armazenamento de energia elétrica fotovoltaica por meio de baterias e hidrogênio em localidades isoladas

da região Amazônica-Campinas, SP, 2008. Dissertação (mestrado) - Universidade

Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP, 2008. Disponível em <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/264142>. Acessado em 15 de março de 2019.

GOODMAN, J. Methanation of Carbon Dioxide. Thesis for the degree master in Chimical Engineering- University of California, 2013.

OLIVEIRA, F.G. João. Curso: Princípios de Sustentabilidade e Tecnologias Porta-doras de Inovação. Desafios da Sustentabilidade: Eco Footprint e Inovação.Ve-duca. USP, 2014. Disponível em< http://www.veInovação.Ve-duca.com.br/play/7229>. Acessado em 11 de março 2019.

(57)

RALLIÈRES, O. Modelisation et caractérisation de Pile à combustibles et Elec-trolyseurs PEM. Tese de doutorado - Institut National Polytechnique de Toulouse-INPT, 2011.

RUSSEL, John B. Química Geral, 2-ed, 2 vols. São Paulo : Makron, 1268p. 2000.

TREMBLAY, O., DESSAINT, L.A. Experimental validation of a battery dynamic model for ev applications. World Electric Vehicle Journal 3, n2, 2009.

VILLULLAS, H. M.; TICIANELLI, E. A.; GONZÁLEZ, E. R. Células a combustível: Energia limpa a partir de fontes renováveis. Revista Química Nova na Escola, 2002.