Pilhas de Combustíveis nos Transportes

(1)

Pilhas de Combustíveis

nos Transportes

José Maia

Escola Superior de Tecnologia, Instituto Politécnico de Setúbal

Centro de Automática da UTL [email protected]

Jorge Esteves

Instituto Superior Técnico

DEEC / Centro de Automática da UTL [email protected]

APVE - Associação Portuguesa do Veículo Eléctrico

Av. Rovisco Pais, 1 , 1049-001 LISBOA

Tel.: 21 841 76 71

Fax: 21 841 71 67

[email protected]

(2)

Pilhas de Combust

í

vel

A pilha de combust

í

vel

é

um dispositivo

electroqu

í

mico

que converte, sem

qualquer combustão, energia de um determinado combust

í

vel em energia

el

é

ctrica.

O resultado desta conversão directa apresenta um rendimento elev

ado e

é

não

poluente; a pilha de combust

í

vel produz unicamente electricidade, calor e

á

gua.

O combust

í

vel utilizado

é

hidrog

é

nio que pode ser fornecido na sua forma pura

ou a partir de uma mistura produzida por um processo de reformul

a

ç

ão a partir

de um

hidrocarboneto

.

A decisão quanto

à

utiliza

ç

ão de hidrog

é

nio puro ou de um sistema reformador

no interior do autom

ó

vel imputa custos de investimento, problemas de

rendimento e de desempenho e não existe consenso sobre a via que

vir

á

a ser

predominante.

(3)

Pilhas de Combust

í

vel

(2)(2)

Inventada em 1839 por

Sir

Grove

Tubos

Tubos ““oxox””contêm oxigécontêm oxigénio; nio; tubos

tubos ““hyhy””contêm hidrogécontêm hidrogénio; os nio; os tubos estão imersos em

tubos estão imersos em áácido cido sulf

sulfúúricoricodiluídiluído; as barras pretas do; as barras pretas são folhas de platina; a corrente são folhas de platina; a corrente el

eléctrica circulava na direcéctrica circulava na direcçção da ão da seta para realizar uma electr seta para realizar uma electróóliselise

(4)

Pilhas de Combust

í

vel

(3)(3)

HidrogHidrogéénio nio éé fornecido atravfornecido atravéés do s do

ânodo da PC

OxigOxigéénio (ou ar) entram atravnio (ou ar) entram atravéés do s do

c

cáátodo.todo.

““EncorajadoEncorajado”” pelo catalisador, o pelo catalisador, o áátomo tomo

de hidrog

de hidrogéénio dividenio divide--se num protão e se num protão e num electrão, que tomam diferentes

num electrão, que tomam diferentes

caminhos para o c

caminhos para o cáátodo.todo.

O protão passa pela membrana mas o O protão passa pela membrana mas o

electrão não consegue.

Estes electrões criam uma corrente Estes electrões criam uma corrente

el

elééctrica que pode ser utilizada antes ctrica que pode ser utilizada antes do seu retorno ao c

do seu retorno ao cáátodo.todo.

No cNo cáátodo, a reunião do hidrogtodo, a reunião do hidrogéénio e nio e

do oxig

do oxigéénio criam uma molnio criam uma moléécula de cula de á

água.gua.

Princ

Princíípio de funcionamento de uma PC pio de funcionamento de uma PC

(5)

Pilhas de Combust

í

vel

(4)(4)

HidrogHidrogéénio nio éé fornecido atravfornecido atravéés do s do

ânodo da PC

OxigOxigéénio (ou ar) entram atravnio (ou ar) entram atravéés do s do

c

cáátodo.todo.

““EncorajadoEncorajado”” pelo catalisador, o pelo catalisador, o áátomo tomo

de hidrog

de hidrogéénio dividenio divide--se num protão e se num protão e num electrão, que tomam diferentes

num electrão, que tomam diferentes

caminhos para o c

caminhos para o cáátodo.todo.

O protão passa pela membrana mas o O protão passa pela membrana mas o

electrão não consegue.

Estes electrões criam uma corrente Estes electrões criam uma corrente

el

elééctrica que pode ser utilizada antes ctrica que pode ser utilizada antes do seu retorno ao c

do seu retorno ao cáátodo.todo.

No cNo cáátodo, a reunião do hidrogtodo, a reunião do hidrogéénio e nio e

do oxig

do oxigéénio criam uma molnio criam uma moléécula de cula de á

água.gua.

Princ

(6)

Diversos tipos de Pilhas de Combust

í

vel

O tipo de electr

ó

lito utilizado est

á

relacionado com o nome

atribu

í

do aos diferentes tipos de PC:

AFC alkaline fuel cell pilha de combustível alcalina

PAFC phosphoric acid fuel cell pilha de combustível de ácido fosfórico MCFC molten carbonate fuel cell pilha de combustível de carbonato fundido SOFC solid oxide fuel cell pilha de combustível de óxido sólido

SPFC solid polymer fuel cell pilha de combustível de polímero sólido Surgem, também, as seguintes designações para as SPFC:

SPEFC solid polymer electrolyte fuel cell

PEFC proton exchange fuel cell ou polymer electrolyte fuel cell

PEMFC proton exchange membrane fuel cell IEMFC ion exchange membrane fuel cell

Como excepção à regra anterior, relativa ao nome, surge a:

(7)

Tipos de Pilhas de Combust

í

vel

Temperatura de operação [o_C]

Combustível* Electrólito Aplicação

AFC 80 H ₂ KOH

(hidróxido de potássio)

transporte aeroespacial

SPFC 40-80 H ₂(/CO ₂) polímero transporte, produção de

electricidade (rede e baterias), co-geração

DMFC 60-130 metanol polímero produção de electricidade

(baterias), transporte (?) PAFC 200 H ₂(/CO ₂) ácido fosfórico _{produção de electricidade (rede),}

co-geração**

MCFC 650 H₂, CO carbonato fundido _{produção de electricidade (rede),} co-geração**

SOFC 1000 H ₂, CO óxido sólido _{produção de electricidade (rede),}

co-geração** Nota:

* Pilhas de combustível que aceitem misturas de H₂CO ₂podem, em combinação com reformador, utilizar alguns hidrocarbonetos; ** co-geração: produção de energia eléctrica e energia térmica.

(8)

Tipos de Pilhas de Combust

í

vel

(2)(2)

Central de 1000

Central de 1000 kW kW com PAFCcom PAFC

Reformulador

Reformulador a partir de ga partir de gáás natural e s natural e M

Móódulo de 1kW de PEFC

Pilha de combust

Pilha de combustíível PAFC (vel PAFC (áácido fosfcido fosfóórico)rico)

dulo de 1kW de PEFC

Vista em corte de uma central de 1000

Vista em corte de uma central de 1000 kWkW MóMódulo tubular de 1 dulo tubular de 1 kWkWpara SOFCpara SOFC

Pilha de combust

Pilha de combustíível SOFC (vel SOFC (óóxido sxido sóólido)lido) Pilha de combust

(9)

Funcionamento das Pilhas de Combust

í

vel

http://www.terravista.pt/AguaAlto/2295/

(10)

Funcionamento da PEFC

Rendimento da PEFC

(11)

Componentes auxiliares para o

funcionamento das PC

Estes componentes asseguram a:

alimentaalimentaçção permanente de ar e de hidrogão permanente de ar e de hidrogéénio;nio;

remoremoçção do calor produzido pela PCão do calor produzido pela PC

Estes componentes são:

Compressor Compressor ou ventilador para ou ventilador para

fornecer ar ao c

fornecer ar ao cáátodotodo;;

ReformadorReformador,, casocaso oo combustcombustíível vel

utilizado seja

utilizado seja umumhidrocarbonetohidrocarboneto;;

CircuitoCircuito dederefrigerarefrigeraççãoão;;

Separador para remoSeparador para remoççãoão dede áágua gua

contida nos

contida nos gasesgases sasaíídosdosdodoccáátodotodo;

Bomba para recirculaBomba para recirculaççãoão dos gasesdos gases

rejeitados pelo ânodo

rejeitados pelo ânodo;;

ControladorControladordo do sistemasistema;;

SistemaSistema dede alimentaalimentaççãoão dede

combust

combustíívelvel..

(12)

Aplica

ç

ões de PC nos transportes

Uma c

é

lula de uma pilha de combust

í

vel apresenta uma

diferen

ç

a de potencial de 0,7V e pode fornecer 350W

(dimensão de

um tapete de rato de computador e 0,5 a 0,7 cm de espessura)

Para permitir que um ve

í

culo tenha os valores adequados de

acelera

ç

ão e de velocidade de ponta,

é

necess

á

rio uma potência

de pico da ordem dos 50

-

70kW.

Isto implica que 150

-

200 c

é

lulas sejam

empilhadas em conjunto.

Estas pilhas têm que ser muito compactas

não podendo ultrapassar um volume de

50 litros, para a sua aplica

ç

ão em

autom

(13)

Pilhas de Combust

í

vel na propulsão autom

ó

vel

Todos os principais fabricantes autom

ó

veis investiram em prot

ó

tipos

de ve

(14)

TOYOTA RAV 4

Pilha de Combustível

TOYOTA RAV 4

(15)

Dois outros exemplos de referência

Autocarros com PC

2ª geração Chicago

Autocarros com PC

2

2 ª

ª

gera

ç

ão Chicago

NECAR - New Electric CAR

DaimlerChrysler

NECAR

-

New Electric

CAR

DaimlerChrysler

Necar

Necar 3

3 -

-

metanol como combust

í

vel

(Setembro 1997) 400Km de

autonomia com 38 litros de

combust

í

vel (metanol)

Necar

4

4 -

-

hidrog

é

nio como

combust

(16)

Evolu

ç

ão dos ve

í

culos com PC

da

(17)

(18)

A 1

ª

aplica

ç

ão comercial

(conhecida) (conhecida)

Unidade auxiliar de energia

Volume de uma bateria convencional de

á

cido

-

chumbo, apresentando

maior durabilidade e desempenho

(19)

Considera

ç

ões sobre produ

ç

ão e utiliza

ç

ão

sustent

á

vel de energia

Energia de

Energia de ““elevada qualidadeelevada qualidade”” e e ““elevada concentraelevada concentraççãoão””com uma elevada maiscom uma elevada mais--valia valia

Energia potencial (barragem)

Energia qu

Energia quíímica (petrmica (petróóleo, gleo, gáás natural, carvão)s natural, carvão)

Energia El

(20)

Considera

ç

ões sobre produ

ç

ão e utiliza

ç

ão

sustent

á

vel de energia

(2)(2)

Energia

Energia ““dispersadispersa””de baixa densidade e difde baixa densidade e difíícil de utilizarcil de utilizar

Energia da

Energia da biomassabiomassa Á

Água quente / Desperdgua quente / Desperdíício cio de

de áágua quentegua quente e de calore de calor Energia da luz (solar)

Energia da luz (solar) Energia do vento Energia do vento

Nesta perspectiva, não esquecer que

cada kWh poupado vale tanto (ou

mais) como cada kWh produzido por

uma fonte de energia renov

uma fonte de energia renováável Restantes formas de

Restantes formas de

energia renov

energia renovááveis veis dispon

disponííveis na veis na natureza

(21)

Considera

ç

ões sobre produ

ç

ão e utiliza

ç

ão

sustent

á

vel de energia

(3)(3)

Uma estrat

é

gia de conserva

ç

ão de energia passa por:

conservar a energia de

“

elevada qualidade

”

o mais poss

í

vel

utilizar apropriadamente a energia dilu

í

da e dif

í

cil de utilizar,

as energias renov

á

veis

O verdadeiro interesse das Pilhas de Combust

í

vel surge

enquadrado nesta estrat

é

gia de produç

gia de produ

ção e de utiliza

ão e de utiliza

ç

ão

sustent

(22)

Aplica

ç

ões previstas para as Pilhas de Combust

í

vel

Sistema urbano de gera

Sistema urbano de geraçção elão elééctrica com fornecimento de calorctrica com fornecimento de calor

Sistema urbano e descentralizado de gera

Sistema urbano e descentralizado de geraçção elão elééctricactrica Sistema industrial de co

Sistema industrial de co--gerageraççãoão

Sistema de PC para ve

Sistema de PC para veículos, etc.ículos, etc.

Sistema de gera

Sistema de geraçção elão elééctrica a partir de carvão gaseificadoctrica a partir de carvão gaseificado Sistema de gera

Sistema de geraçção elão eléctrica éctrica utilizando desperd

utilizando desperdíícios agrcios agríícolascolas

Sistema de co

Sistema de co--gerageraçção residencial ão residencial (electricidade e

(electricidade e áágua quente) Sistema de gera

Sistema de geraçção elão elééctrica ctrica transport

(23)

Caracter

í

sticas das Pilhas de Combust

í

vel

As Pilhas de Combust

í

vel vão passar a fazer parte do nosso dia

-

a

-

dia

As grandes vantagens da PC são:

Adapta

ç

ão para uma instala

ç

ão e utiliza

ç

ão nas cidades, devido ao

ru

í

do e vibra

ç

ão reduzidos e n

í

vel desprez

á

vel de emissões de

NOx

e

fuligem ;

Elevado rendimento de gera

ç

ão de energia el

é

ctrica (mesmo em

pequenas unidades) e rendimento global tamb

é

m elevado (pode atingir

80% se incluirmos o aproveitamento do calor libertado); para mai

s nas

MSFC e SOFC pode ser obtido vapor de elevada temperatura (energi

a

de elevada mais

-

valia).

A grande desvantagem actual

é

o seu pre

ç

o.

Enquadrando as aplica

ç

ões nos transportes com o mercado das

aplica

ç

ões estacion

á

rias poder

á

fazer surgir a grande oportunidade de

uma introdu

ç

ão em larga escala, permitindo reduzir os custos de

produ

(24)

Transi

ç

ão para uma produ

ç

ão e utiliza

ç

ão

sustent

á

vel da energia

Fonte:

Fonte: Christian BeckervordersandforthChristian Beckervordersandforth, , “

“The The Role Role of of Natural Natural Gas in Gas in

Sustainable Energy Management Sustainable Energy Management –– Brinding the Gap

Brinding the Gap to to HydrogenHydrogen””em em “

“On the EnergiesOn the Energies--ofof--Change Change ––The The Hydrogen Solution

Hydrogen Solution””, editado por , editado por CarlCarl- -Jochen Winter

Jochen Winter, , Gerling Akademie Gerling Akademie Verlag

Verlag, 2000, ISBN 3, 2000, ISBN 3--932425932425--3131--66

Nos

ú

ltimos 150 anos, viveu

-

se uma transi

ç

ão dos combust

í

veis com

alto teor de carbono para os de baixo teor de carbono

Nos pr

ó

ximos 150 anos, viver

-

se

-

á

a continua

ç

ão desse esfor

ç

o rumo

à

era do hidrog

é

nio, em que o g

á

s natural poder

á

assegurar a ponte entre

estas duas realidades.

(25)

Transi

ç

ão para uma produ

ç

ão e utiliza

ç

ão

sustent

á

vel sustent

á

vel da energia

(2)(2)

As alteraAs alteraçções na cadeia de utilizaões na cadeia de utilizaçção dos combustão dos combustííveis veis éésempre lenta (vsempre lenta (váárias rias

gera

geraçções), o que impõe que novas infraões), o que impõe que novas infra--estruturas para estarem no seu lugar daqui estruturas para estarem no seu lugar daqui a 30

a 30--50 anos tem de ser consideradas e iniciadas hoje.50 anos tem de ser consideradas e iniciadas hoje.

O hidrogO hidrogéénio surge como a nio surge como a ““solusoluççãoão”” para uma sociedade sustentpara uma sociedade sustentáável de mvel de méédio dio

prazo mas não corresponde a uma fonte de energia prim

prazo mas não corresponde a uma fonte de energia primáária; de momento, surge ria; de momento, surge sempre como um

sempre como um ““produto manufacturadoproduto manufacturado””cuja producuja produçção tem um determinado ão tem um determinado impacto ambiental.

impacto ambiental.

O gO gáás natural s natural ééa solua soluçção que parece mais ão que parece mais óóbvia (no curto prazo) para a produbvia (no curto prazo) para a produçção ão

de hidrog

de hidrogéénio.nio.

A electrA electróólise da lise da áágua gua éé uma outra soluuma outra soluçção de interesse para a produão de interesse para a produçção do ão do

hidrog

hidrogéénio. Diversos panio. Diversos paííses posicionamses posicionam--se na perspectiva de virem a produzir se na perspectiva de virem a produzir hidrog

hidrogéénio, para ser utilizado como combustnio, para ser utilizado como combustíível para as pilhas de combustvel para as pilhas de combustíível, vel, atrav

atravéés da electrs da electróólise da lise da áágua e utilizando energia elgua e utilizando energia elééctrica produzida a partir de ctrica produzida a partir de fontes de renov

(26)

Transi

ç

ão para uma produ

ç

ão e utiliza

ç

ão

sustent

á

vel sustent

á

vel da energia

(3)(3)

Deste modo, serDeste modo, seráá posspossíível produzir o hidrogvel produzir o hidrogéénio a partir da electrnio a partir da electróólise da lise da áágua, em gua, em

locais onde seja poss

locais onde seja possíível produzir a electricidade necessvel produzir a electricidade necessáária a partir de de uma fonte ria a partir de de uma fonte renov

renováável de energia (impacto ambiental reduzido e nvel de energia (impacto ambiental reduzido e nííveis nulos de emissões gasosas). veis nulos de emissões gasosas).

O hidrogO hidrogéénio, depois de transportado do seu local de produnio, depois de transportado do seu local de produçção para o local final de ão para o local final de

utiliza

utilizaçção, ão, éé utilizado como combustutilizado como combustíível das pilhas de combustvel das pilhas de combustíível na produvel na produçção de ão de electricidade (n

electricidade (níível de emissões nulas). vel de emissões nulas).

A energia el

A energia elééctrica ctrica éé a a úúnica nica forma de energia cuja utiliza

forma de energia cuja utilizaçção ão éé verdadeiramente limpa.

verdadeiramente limpa.

As pilhas de combust

As pilhas de combustíível poderão vel poderão ser o elo que falta para a

ser o elo que falta para a

viabiliza

viabilizaçção da produão da produçção de ão de electricidade a partir das energias

electricidade a partir das energias

renov

(27)

Ve

í

culos El

é

ctricos Rodovi

á

rios e Energias Renov

á

veis

O hidrogO hidrogéénio nio ééo combusto combustíível para as pilhas de combustvel para as pilhas de combustíível;vel;

A utilizaA utilizaçção das pilhas de combustão das pilhas de combustíível viabiliza vevel viabiliza veíículos elculos elééctricos com o desempenho e ctricos com o desempenho e

a autonomia desejada

VeVeíículos elculos elééctricos sem limitactricos sem limitaçções de desempenho e de autonomia podem contribuir ões de desempenho e de autonomia podem contribuir

para a redu

para a reduçção do impacto ambiental do sector dos transportes. ão do impacto ambiental do sector dos transportes.