UMA SOLUÇÃO ALTERNATIVA PARA A ENERGIA DO FUTURO: AS CÉLULAS DE COMBUSTÍVEIS.
C. J. F. Terres(1), N. V. Guimarães(1)
(1) Departamento de Engenharia Mecânica, UFPR, Universidade Federal do Paraná,
Centro Politécnico, Caixa postal 19011, cep:81531-990, Curitiba, Paraná, Brasil.
Palavras-chave: Energia, Células de Combustível, Cogeração.
Resumo
Em função da crescente demanda de energia e escassez de recursos naturais para sua produção, têm-se buscado incessantemente novas formas de geração de energia. Uma dessas formas de geração de energia é relacionada com a tecnologia das células de combustíveis.
O presente trabalho trata de células de combustíveis, utilizadas para a obtenção de energia elétrica, objetivando a análise da potência que uma célula de combustível pode gerar, sendo consideradas tanto a potência disponível em energia elétrica, como a possibilidade de cogeração de energia térmica (para efeito de aquecimento), ou de trigeração de energia térmica (para efeito de aquecimento e de resfriamento, pelo uso de um ciclo frigorífico com absorção).
Através da compreensão das características de uma célula, verificamos que seu principal interesse está no seu desempenho, pois a célula apresenta uma maior eficiência se comparada com os atuais motores de combustão interna. Essa qualidade, de maior eficiência, se deve ao fato das células não ser limitadas pelo rendimento térmico do ciclo de Carnot.
O funcionamento de uma célula de combustível se baseia no princípio da união eletroquímica de um íon positivo de hidrogênio com um íon negativo de oxigênio, formando água e gerando energia elétrica. Fisicamente o hidrogênio passa pelo ânodo onde é separado pelo catalisador, que permite a passagem apenas do íon positivo, sendo os elétrons impelidos a circular em um circuito. O íon de hidrogênio (H+) atravessa o eletrólito indo se combinar com o oxigênio. Este, por sua vez, já foi separado em dois íons negativos de oxigênio (O--). Na união do hidrogênio e oxigênio forma-se a água, e aproveita-se o fluxo de elétrons (corrente elétrica) que circula no circuito. O objetivo deste estudo foi identificar o regime ótimo de funcionamento das células, correspondendo a máxima potência elétrica gerada a partir de uma determinada vazão de combustível. Para responder a isso usamos a primeira lei da Termodinâmica na forma que trata da ocorrência de reações químicas: |
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Usando uma vazão de 1,3
, calculamos a potência para o caso ideal e para os casos em que ocorre uma variação da quantidade de oxigênio. A seguir, apresenta-se uma análise comparativa entre o desempenho de uma célula a GN ou com hidrogênio.
Em estudo às células de combustíveis do tipo ácido fosfórico analisamos a célula PC-25Tm, Model C, da empresa ONSI. A PC-25Tm possibilita em regime nominal a geração de 200 kWe e cerca de 700.000 Btu/h de energia térmica, consumindo 54 GN. A energia térmica assim cogerada pode ser disponibilizada através da água de resfriamento, caracterizada por duas temperaturas diferentes na saída (70ºC e/ou 120ºC). Através das taxas de geração de calor quantificamos a máxima vazão de saída de água a respectivas temperaturas (2,52 m3/h e 0,76 m3/h, respectivamente). Outra análise realizada foi com relação à eficiência exergética da célula de combustível. Considerou-se a máxima exergia do combustível (1.926.600 Btu/h) e a exergia da energia térmica produzida (700.000 Btu/h). Com isso, durante o funcionamento em regime nominal da célula de combustível, a eficiência pela segunda lei da termodinâmica será no máximo de 53%.
As células de combustíveis se mostram como uma promissora alternativa de obtenção de energia elétrica e térmica, principalmente neste presente momento de iminência de uma possível crise de energia. Elas apresentam uma excelente produção de energia como verificado inclusive pelos estudos realizados neste trabalho. Além disso, as células de combustíveis apresentam a vantagem de funcionamento com baixo impacto ambiental, tanto do ponto de vista da poluição térmica e química, como do ponto de vista da poluição sonora.
Agradecimentos: os autores agradecem ao professor orientador George Stanescu.
Referências:
1. Fuel Cell Handbook, EG&G Services, Science Applications International Corporation, US Department of Energy, Morgantown, West Virginia, 2000.
2. BRÉELLE, Y.; BLOCH, O. e DEGOBERT, P. -"Principes Technologie Applications des Piles à Combustible", Institut Français do Pétrole, Editions Techniq, 1988.
