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Projecto EDEN
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EDEN
Relatório de Progresso
PPS 2
Projectos de Demonstração
INEGI
Julho 2007
ÍNDICE GERAL
Descrição do PPS 2 ...................................................................................................................... 1
Contexto do Relatório.................................................................................................................. 4
Actividade B1 – Análise do Estado da Arte e Pré-Qualificação de Fornecedores .............................. 5
Tarefa B1.1.................................................................................................................................. 6
Tarefa B1.2................................................................................................................................ 51
Tarefa B1.3................................................................................................................................ 74
Tarefa B1.4.............................................................................................................................. 113
Tarefa B1.5.............................................................................................................................. 127
Tarefa B1.6.............................................................................................................................. 138
Tarefa B1.7.............................................................................................................................. 155
Actividade B2 – Instalação de Demonstração num Aterro Sanitário na Zona Norte do País.......... 160
Tarefa B2.1.............................................................................................................................. 161
Tarefa B2.2.............................................................................................................................. 165
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS
1
DDDDESCRIÇÃO DO ESCRIÇÃO DO ESCRIÇÃO DO ESCRIÇÃO DO PPSPPSPPSPPS 2222
As pilhas de combustível (PC), enquanto solução de produção de energia eléctrica ou produção
combinada de calor e electricidade (co-geração), estão, nos seus vários domínios de aplicação,
numa fase pré-comercial. Espera-se que nos próximos cinco anos demonstrem a sua
competitividade económica face às soluções convencionais de produção de energia, e que se
verifique a sua progressiva penetração no mercado das soluções alternativas à produção
convencional de energia. Este prazo esperado de cinco anos poderá vir a ser reduzido se a pressão
da resolução dos problemas ambientais relacionados com o aquecimento global devido ao efeito
de estufa vier a colocar uma maior urgência na obtenção de resultados numa diminuição efectiva
do volume de CO2 emitido para a atmosfera por unidade de energia produzida. Tal situação
poderá fazer com que as energias de origem em combustíveis fósseis (carvão e petróleo e gás
natural) possam ver a sua produção penalizada ou, se venham a criar quadros de benefícios sobre
custos evitados de emissão de CO2 que mais directamente apoiem soluções como as das pilhas de
combustível.
As PC apresentam-se hoje como uma tecnologia emergente e como uma das alternativas
energéticas que rapidamente poderão assumir quotas importantes na satisfação das necessidades
energéticas mundiais face às significativas vantagens que apresentam e que são:
� Relativa simplicidade tecnológica na sua operação, factor este que favorece uma rápida
penetração no mercado;
� Um carácter modular que permite que as PC possam ser consideradas como fonte
privilegiada de produção descentralizada de energia;
� Elevada flexibilidade no que se refere a combustíveis primários, podendo, quando associada a
energias renováveis, contribuir para ultrapassar limitações específicas destes sistemas;
� Impacte ambiental nulo (NOx) ou reduzido (CO e CO2);
� Eficiência energética – 45 a 50 % em eficiência eléctrica directa, 70 % em ciclo combinado e
82% de eficiência global em sistemas de co-geração.
O grande interesse que as PC estão a despertar, decorre directamente das pressões ambientais
para a redução das emissões de gases poluentes e da consequente minimização do efeito de
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS
2
estufa. As projecções de natureza económica de vários estudos sobre PC apontam para valores de
mercado na ordem dos 110 a 109 Euros por kVA instalado, nos próximos 20 anos. Na actual fase
desta tecnologia, está-se ainda numa fase de demonstração da mesma, havendo cerca de 150
centrais em operação no Japão e EUA, sendo este número substancialmente inferior na Europa.
De acordo com um estudo de Outubro de 2001, elaborado por vários consultores do Banco
Mundial, previa-se que entre 2004 e 2006, a maioria das tecnologias de PC estivesse disponível no
mercado de forma sustentável, com uma redução de preços de 4000$USA/kWe (valores de 2001)
para cerca de 1000 a 1500 $USA / kWe com custos de operação e manutenção na faixa dos 2
cêntimos de $USA/kWe.
No caso português, e de acordo com várias estimativas, o mercado potencial para unidades de
produção descentralizada com base em sistemas de micro e co-geração é de cerca de 500 MW, nos
próximos dez anos (para que Portugal cumpra os compromissos assumidos face aos objectivos de
directivas comunitárias relativamente à penetração de energias renováveis no sistema
electroprodutor), o que corresponde a um valor de mercado de 750 milhões de Euro. A previsível
competitividade das PC permite antever que progressivamente irão ganhar quotas de mercado
cada vez mais relevantes relativamente a estes investimentos.
É uma nova oportunidade tecnológica e económica que emerge e que no caso nacional nos
deve criar a obrigação de estar, no médio prazo, para além da passiva importação e exploração de
sistemas e aplicações.
O objectivo deste PPS é o de permitir, através da instalação de uma unidade de demonstração,
localizada no Porto, promover um processo de transferência e endogeneização de tecnologias das
entidades fabricantes para o consórcio, no que se refere ao projecto, instalação, operação e
manutenção destas unidades, criando condições para que a esperada penetração das PC no
mercado nacional se possa vir a efectuar com significativa participação da tecnologia, engenharia e
indústria nacional (na concepção, projecto, instalação, operação e fornecimento de subsistemas).
Visa-se assim a aquisição, instalação e operação de um sistema de PC para produção de energia
eléctrica ou eléctrica e térmica (co-geração) com alimentação directa de hidrogénio ou através de
um reformador, que extrai de um gás como o propano ou o gás natural ou de biogás o hidrogénio
necessário ao funcionamento da PC.
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS
3
Assim perspectiva-se a instalação de uma PC no Porto, a instalar eventualmente nas instalações
de um aterro que produza biogás e testar uma solução, com potência eléctrica compreendida entre
os 5 e os 10 kWe.
Com esta unidade pretende-se adquirir um conhecimento prático efectivo das capacidades e
limitações destas tecnologias em aplicações estacionárias de produção distribuída de energia, e sua
adequação para utilizar o biogás proveniente de aterros para a produção de electricidade.
Criar-se-á um quadro de colaboração com os fornecedores seleccionados que viabilize a
formação de técnicos das empresas do consórcio na concepção e projecto de sistemas, no
conhecimento aprofundado das especificações técnicas e tecnológicas associadas às alternativas
existentes, e através de um trabalho de “reverse engineering” a criação de competências internas
que permitam a internalização do projecto global do sistema e dos vários subsistemas nele
integrados e que viabiliza o posicionamento destas entidades como integradoras de sistemas.
PROJECTO EDEN – ENDOGENIZAR O DESENVOLVIMENTO DE ENERGIAS NOVAS
4
CCCCONTEXTO DO ONTEXTO DO ONTEXTO DO ONTEXTO DO RRRRELATÓRIOELATÓRIOELATÓRIOELATÓRIO
Este relatório diz respeito à execução material da actividade de I&D realizada no âmbito do
PPS 2 do projecto “EDEN- Endogenizar o Desenvolvimento de Energias Novas”, desde 1 de Março
de 2006 até Junho de 2007.
É relatado todo o trabalho realizado no âmbito das tarefas B1.1, B1.2, B1.3, B1.4, B1.5,
B1.6, B1.7, B2.1 e B2.2.
De acordo com o cronograma definido as restantes tarefas vão apenas a ser inicializadas no
2º semestre de 2007 pelo que ainda não constam do presente relatório.
PROJECTO EDEN – Actividade B1
5
AAAACTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE BBBB1111 –––– AAAANÁLISE DO NÁLISE DO NÁLISE DO NÁLISE DO EEEESTADO DA STADO DA STADO DA STADO DA AAAARTE E RTE E RTE E RTE E PPPPRÉRÉRÉRÉ----QQQQUALIFICAÇÃO DE UALIFICAÇÃO DE UALIFICAÇÃO DE UALIFICAÇÃO DE
FFFFORNECEDORESORNECEDORESORNECEDORESORNECEDORES
Proceder-se-á ao estudo actualizado da situação actual da tecnologia, das alternativas
tecnológicas existentes, fazendo-se uma avaliação comparativa das respectivas vantagens,
limitações, perspectivas de desenvolvimento, condições de operação, custos actuais e previsão da
sua evolução a médio prazo.
No âmbito desta actividade realizar-se-ão visitas a fornecedores e a instalações de demonstração
em operação e analisar-se-ão as problemáticas associadas ao licenciamento e operação.
Nos contactos com os fornecedores dar-se-á relevância à sua disponibilidade para estágios de
formação de técnicos nacionais e ao acompanhamento da concepção do projecto das unidades
adquirir, por quadros das empresas que integram o consórcio. Como resultado desta actividade
serão pré-qualificados os fornecedores a contactar para apresentação de propostas formais, para as
unidades a instalar.
Tarefa B1.1
Análise da informação disponível
Tarefa B1.1
7
ÍÍÍÍNDICENDICENDICENDICE
1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………….8
2. Introdução………………………………………………………………………………………………9
3. Actividade I&D Realizada…………………………………………………………………………….12
3.1 Caracterização dos tipos de células de combustível existentes no mercado .................... 12
3.1.1. Células de Combustível PEMFC e DMFC................................................................... 15
3.1.2. Células de Combustível AFC .................................................................................... 17
3.1.3. Células de Combustível PAFC................................................................................... 17
3.1.4. Células de Combustível MCFC ................................................................................. 18
3.1.5. Células de Combustível SOFC .................................................................................. 19
3.2. Levantamento da informação disponibilizada pelos fornecedores – modelos
comercializados ..................................................................................................................... 20
3.2.1. Células de Combustível PEMFC e DMFC................................................................... 23
3.2.2. Células de Combustível SOFC .................................................................................. 31
3.2.3. Células de Combustível AFC .................................................................................... 38
3.2.4. Células de Combustível PAFC................................................................................... 40
3.2.5. Células de Combustível MCFC ................................................................................. 43
4. Conclusões Gerais……………………………………………………………………………………48
5. Referências Bibliográficas…………………………………………………………………………….49
Tarefa B1.1
8
1.1.1.1. RRRRESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFA
No decorrer desta tarefa proceder-se-á à recolha da informação disponível abrangendo os
aspectos tecnológicos e de mercado e as experiências operacionais das diversas tecnologias,
informação esta que será disponibilizada pelos fornecedores ou com origem em fontes
independentes.
Tarefa B1.1
9
2222.... IIIINTRODUÇÃONTRODUÇÃONTRODUÇÃONTRODUÇÃO
A indústria eléctrica passa actualmente por uma fase de reflexão face às recentes subidas no custo
dos combustíveis, bem como à problemática do custo das emissões de CO2, o que leva ao
reequacionamento do papel das tecnologias tradicionais criando oportunidades para as novas
tecnologias e redefinindo o âmbito e o carácter das regulações governamentais. Estas alterações
advêm da interacção das seguintes forças propulsoras:
− Uma emergente alteração tecnológica pode oferecer fontes de geração distribuída com
benefícios não acessíveis às tradicionais e centralizadas fontes de energia;
− Aumento das preocupações com a segurança de abastecimento têm revelado a
vulnerabilidade de produção de energia centralizadas a acidentes ou sabotagens;
− Constrangimentos ambientais mais restritivos na produção de energia são inevitáveis já que
esta produção representa uma parcela importante na poluição local e global;
A indústria energética responde a estas questões com uma panóplia de estratégias de negócio:
preço flexível para os grandes consumidores, separação dos activos de produção, transmissão e
distribuição, esforços agressivos de contenção de custos, diversificação das fontes energéticas.
Emerge desta situação uma indústria mais diversificada e mais competitiva que continuará a
mudança das companhias tradicionais focadas na “produção-transmissão-distribuição” para
companhias com uma estrutura mais heterogénea.
Uma das mais prometedoras e excitantes tecnologias emergentes é a das pilhas de
combustível que converte combustível em energia com eficiências muito interessantes, e que, não
existindo combustão, no caso do hidrogénio apresenta emissões poluentes praticamente
inexistentes e, no caso dos combustíveis fósseis, limitadas ao inevitável CO2.
Têm-se observado nos últimos tempos significativos progressos na investigação desta
tecnologia, para diferentes tipos de solução e quer para aplicações estacionárias ou para
aplicações automóveis, que podem levar a uma comercialização muito competitiva destes
produtos já num horizonte de 5 anos.
O uso de células de combustível e de tecnologias de hidrogénio, para explorar os benefícios daí
decorrentes na produção descentralizada e nos transportes, estão entre as prioridades propostas
em duas recentes Comunicações da Comissão Europeia: “An Energy Policy for Future” e “Towards
a European Strategic Energy Technology Plan”, ambas de 10.01.2007.
A Comissão Europeia irá preparar, em 2007, o primeiro Plano Estratégico Europeu para as
Tecnologias Energéticas, como parte integrante da sua Política Energética para a Europa. A União
Tarefa B1.1
10
Europeia fixou três objectivos-chave para o desenvolvimento das suas tecnologias energéticas:
reduzir o custo actual das energias renováveis, facilitar a utilização eficiente da energia e colocar as
indústrias europeias em posição de liderança no domínio das tecnologias com baixas emissões de
carbono. Foram estabelecidas metas a longo prazo:
� 2020: meta de 20% de renováveis, incluindo o aumento da contribuição das energias
renováveis de menor custo, como a eólica off-shore e os biocombustíveis de segunda
geração
� 2030: fontes de baixo carbono, captura e armazenamento de CO2 em centrais eléctricas
utilizando combustíveis fósseis e adaptação crescente dos transportes ao uso de
biocombustíveis de segunda geração e de células de combustível de hidrogénio;
� A partir de 2050: um “mix” energético que poderia incluir um maior contributo das
renováveis, carvão e gás sustentáveis, hidrogénio sustentável e, para os estados membros
que o pretendam, energia de cisão avançada e energia de fusão.
Tudo isto deverá ser feito em conjunto com uma melhor utilização da energia nos processos de
conversão, nos edifícios, na indústria e nos transportes.
A União Europeia aposta nas células de combustível como um vector tecnológico importante
para o uso eficiente do gás natural ou do hidrogénio. A Plataforma Tecnológica Europeia do
Hidrogénio e Células de Combustível (HFP)1 definiu acções de implementação que constituem a
base de um Programa Europeu do Hidrogénio e Células de Combustível, para o período 2007 –
2015, de investigação, desenvolvimento de tecnologia e demonstração, cujas principais metas são:
� Desenvolvimento dos veículos a hidrogénio e das infra-estruturas associadas para
comercialização em 2015, podendo vir a atingir-se um valor de vendas anual de 1.8 milhões
de veículos por volta de 2020;
� Abastecimento de hidrogénio sustentável: satisfazer 10-20% da procura de hidrogénio com
tecnologias livres ou de baixa emissão de CO2 por volta de 2015;
� Células de combustível para cogeração e produção eléctrica: ter mais de 1 GW de
capacidade em operação em 2015 (podendo vir a atingir-se 16 GW em 2020), implicando
desenvolvimentos nas três tecnologias - PEMFC, MCFC and SOFC – de forma equilibrada
para atingir os objectivos de transição e de longo prazo;
� Células de combustível para aplicações portáteis (dispositivos electrónicos e geradores
eléctricos portáteis): introduzir “milhares” de produtos no mercado por volta de 2010.
1 https://www.hfpeurope.org/
Tarefa B1.1
11
No quadro seguinte resumem-se os pressupostos do plano de implementação do HFP para
2020.
Tabela 1- “Snapshot 2020” do HFP: pressupostos relativos às aplicações do hidrogénio e células de
combustível no cenário 2020
Entre as futuras opções tecnológicas de conversão de electricidade/calor, as células de
combustível SOFC (incluindo IT-SOFC2) e MCFC3 deverão ter um desenvolvimento alargado a
curto/médio prazo em pequenas aplicações distribuídas de produção combinada de calor e
electricidade, sendo para tal necessário I&D em materiais (por exemplo, para melhorar o transporte
iónico e, logo, a eficiência das células IT-SOFC) e redução de custos4. A longo prazo, é ainda
necessário o desenvolvimento faseado das infra-estruturas de produção, distribuição e
armazenamento de hidrogénio.
2 IT-SOFC: Intermediate Temperature (500° C - 600° C) Solid Oxide Fuel Cells
3 MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell
4 Transition to a sustainable energy system for Europe - The R&D perspective, A summary report by the
Advisory Group on Energy, ISSN 1018-5593, Comissão Europeia, 2006, disponível em
http://ec.europa.eu/research/energy/gp/gp_pu/article_1100_en.htm
Tarefa B1.1
12
3333.... AAAACTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE I&DI&DI&DI&D RRRREALIZADAEALIZADAEALIZADAEALIZADA
3.1 CARACTERIZAÇÃO DOS TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL EXISTENTES NO MERCADO
Fazendo uma pequena descrição da tecnologia, uma pilha de combustível consiste em dois
eléctrodos porosos, cada um revestido num dos lados por uma camada catalisadora de platina,
separados por um electrólito. O hidrogénio (combustível) é alimentado no ânodo (-) e o oxigénio -
ou ar - (oxidante) entra na célula de combustível através do cátodo (+). Através da acção de um
catalisador os átomos de hidrogénio são decompostos em protões e electrões, que seguem
caminhos diferentes para o catado.
Os protões são conduzidos através do electrólito para o cátodo e os electrões, que não
podem passar através do electrólito, criam uma corrente eléctrica externa que pode ser utilizada
antes de regressar ao cátodo, na qual é reunida com os iões positivos de hidrogénio e oxigénio
para formar água e calor.
Em seguida pode ver-se um esquema de uma PC.
O rendimento eléctrico obtido é superior ao que se obtém no caso dos motores de combustão
interna.
Durante o processo de conversão da energia química do combustível em energia eléctrica,
liberta-se calor, o que implica que uma parte da energia química não é convertida em electricidade
Tarefa B1.1
13
e portanto o rendimento baixa significativamente. Em sistemas de Cogeração, o calor libertado
pode ser aproveitado, aumentando-se assim o rendimento global do sistema.
As pilhas de combustível apresentam eficiências energéticas na ordem dos 45% em termos
eléctricos e de cerca de 80% em instalações de Cogeração, em que o aproveitamento do calor
libertado permite atingir valores de eficiência global daquela gama. Com estes valores de eficiência,
estas ofuscam as micro turbinas e os motores de combustão interna e, levando em linha de conta
as perdas na transmissão e na distribuição, podem inclusivamente competir com a tecnologia de
ciclo combinado de turbina de gás.
De forma a obter-se potências mais elevadas podem associar-se várias células de combustível em
série, resultando então na denominada pilha de combustível.
O electrólito pode ser um meio líquido ou sólido e tem grande influência no desenho e
temperatura de funcionamento.
O tipo de electrólito determina quer a natureza e pureza do combustível e do oxidante, quer a
temperatura de funcionamento.
Os preços por kWe instalados são actualmente de 2000 a 3000 USD, podendo estes valores
chegar aos 1000 USD a prazo.
Neste tipo de soluções, dependendo do tipo de tecnologia, o combustível pode ser hidrogénio,
gás natural, biogás, etanol e mesmo diesel.
Dependendo das aplicações para que são direccionadas, as células de combustível necessitam
de possuir características diferentes. Por exemplo, para aplicações portáteis, o ideal é que as células
seleccionadas trabalhem à temperatura ambiente, de modo a evitar a necessidade de aquecimento
adicional e a reduzir o tempo de arranque.
Com o intuito de responder a diversas necessidades operacionais, foram desenvolvidos
diferentes tipos de células. As células de combustível podem ser caracterizadas tendo em atenção
diferentes parâmetros, nomeadamente, o electrólito, a temperatura de operação ou a espécie
química transportadora de carga. Na tabela seguinte encontram-se resumidamente os diferentes
tipos de células, bem como as suas principais características.
Tarefa B1.1
14
Tabela 2– Tipos de células de combustível e principais características
Tipo de
células de
combustív
el
Electról
ito
Transporta
dor de Cargas
Temperat
ura de
operação
(ºC)
Combustí
vel
Rendime
nto
eléctrico
(%)
Alcalina
(AFC) KOH OH- 60-120 H2 puro 35 - 55
Membr
ana de
Permuta
Iónica
(PEMFC)
Polímer
o sólido
(Nafion)
H+ 50-100 H2 puro
(tolera CO2) 35 - 45
Acido
Fosfórico
(PAFC)
Ácido
fosfórico H+ ~220
H2 puro
(tolera o CO2
e CO a
aproximadam
ente 1 %)
40
Carbon
ato
Fundido
(MCFC)
Carbon
ato de
potássio e
de lítio
CO32- ~650
H2, CO,
CH4, outros
hidrocarbonet
os (tolera o
CO2)
>50
Oxido
Sólido
(SOFC)
Óxido
sólido
(ytria,
Zirconia)
O2- ~1000
H2, CO,
CH4, outros
hidrocarbonet
os (tolera o
CO2)
>50
As pilhas de combustível podem ser categorizadas de acordo com o material do electrólito e,
consequentemente, com as aplicações de baixa media ou alta temperatura.
Apesar das elevadas temperaturas de funcionamento das MCFC e SOFC resultarem em
eficiências termodinâmicas mais baixas, uma melhor cinética, bem como a opção de se utilizar os
gases de escape com elevada temperatura, compensam esse facto.
As pilhas de hidrogénio de elevadas temperaturas oferecem ainda a vantagem da reformação
interna, em que o calor produzido na reacção electro química é simultaneamente usado por
Tarefa B1.1
15
reformar Gás Natural ou outros combustíveis em hidrogénio dentro da chaminé, diminuindo o
esforço de arrefecimento requerido já que mais eficientemente se usa o calor.
Outra característica das pilhas de combustível de alta temperatura reside no facto de não
necessitar de níveis de pureza tão elevados do combustível.
As pilhas de hidrogénio de alta temperatura apresentam eficiências na ordem dos 50%
existindo inclusivamente projectos de demonstração na Holanda.
Espera-se que no futuro, juntando pilhas de combustível (SOFC) a turbinas a gás, usando o
calor dos gases de escape, seja possível atingir eficiência na ordem dos 60%. Também as pilhas de
hidrogénio da tecnologia MCFC podem ser acopladas a turbinas de vapor com eficiências
energéticas um pouco inferiores.
Por tudo isto, são as pilhas de hidrogénio de elevadas temperaturas as mais indicadas para
aplicações estacionárias.
No que diz respeito às tecnologias PAFC e PEMFC, estas incluem-se na categoria de baixa
temperatura de funcionamento. Estas requerem um processamento do combustível mais complexo
pois só podem funcionar com hidrogénio molecular puro. Assim sendo, neste tipo de pilha é
necessário um reformador para converter o combustível primário em hidrogénio.
Finalmente, no que diz respeito à tecnologia AFC, estas foram desenvolvidas no âmbito da
investigação espacial. O seu elevado custo de produção tem levado a algum atraso no seu
desenvolvimento
3.1.1. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PEMFC E DMFC
As células de combustível com membrana de permuta iónica PEMFC (CCMPI em português),
possuem este nome devido à membrana polimérica especial usada como electrólito. O combustível
mais usado é hidrogénio puro (Kordesch et al, 1996). Estas células podem usar combustíveis
alternativos, que são previamente convertidos em hidrogénio, nomeadamente o metanol, etanol,
metano, etc (Cappadonia et al, 2000). O único produto líquido resultante é a água, evitando-se
assim problemas de corrosão. A membrana mais usada é constituída por Nafion, que quando
humidificada conduz protões do ânodo para o cátodo. Devido à exigência de humidificação as
temperaturas de operação deste tipo de células são relativamente baixas (inferiores a 100 ºC),
mesmo trabalhando sob pressão (Hoogers, 2003). Como as temperaturas de operação são baixas, é
necessário o uso de um catalisador para aumentar a velocidade da reacção. O catalisador usado é a
platina, em pequenas quantidades, representando o seu custo uma pequena parte do custo total
Tarefa B1.1
16
da célula. A platina usada para estas temperaturas é altamente sensível ao envenenamento pelo
CO e tolera o CO2 (Joon, 1998).
As PEMFC não têm problemas de corrosão, têm um processo de fabrico simples e permitem
trabalhar a elevadas densidades de corrente.
Existe uma variante deste tipo de células, que são as células com alimentação directa de
metanol (DMFC). Em termos de transporte e armazenamento, este combustível apresenta grandes
vantagens sobre o hidrogénio: é líquido à temperatura ambiente, podendo ser facilmente
transportável e armazenado (Hirshenhofer et al., 1998). Os principais problemas desta célula são o
facto de o metanol se difundir através da membrana do ânodo para o cátodo e as perdas
electroquímicas no ânodo. Estes dois factores diminuem a eficiência da célula. Estes inconvenientes
poderão ser ultrapassados através de uma investigação mais profunda sobre este assunto,
tornando-se esta célula particularmente útil para aplicações portáteis e meios de transporte
(Larminie, 2002).
Em seguida apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo para as PEMFC
(respectivamente (0.1) e (0.2)).
Reacções PEMFC
2( ) 2 ( ) 2H g H aq e+ −→ + (0.1)
2 2
1( ) 2 ( ) 2 ( )
2O g H aq e H O l+ −+ + → (0.2)
Por outro lado para as DMFC as reacções que se dão no ânodo e no cátodo são
respectivamente (0.3) e (0.4).
Reacções DMFC
3 2 2( ) ( ) ( ) 6 6 ( )CH OH aq H O l CO g e H aq− ++ → + + (0.3)
2 2
36 ( ) 6 ( ) 3 ( )
2H aq e O g H O l+ −+ + →
(0.4)
Tarefa B1.1
17
3.1.2. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL AFC
As células de combustível alcalinas (AFC), foram o primeiro tipo de células a aparecer, têm
uma das histórias mais longas de todos os tipos de células de combustível, tendo sido desenvolvidas
como um sistema de trabalho pelo investigador pioneiro F.T. Bacon desde 1930. Esta tecnologia foi
muito desenvolvida nos programas espaciais Gemini e Apollo e foi um passo chave para colocar o
homem na Lua. Nestas células, o electrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH para
temperaturas elevadas e menos concentrada para temperaturas inferiores (Larminie, 2002). As CCA
apresentam um grande problema, que é a adsorção do CO2 pelos electrólitos alcalinos usados
(NaOH, KOH), o que eventualmente reduz a condutividade do electrólito. Sendo assim, não pode
ser usado como combustível hidrogénio impuro contendo CO2 e o ar tem de ser limpo de modo a
não conter CO2 (necessária a utilização prévia de um oxidante). O problema das velocidades de
reacção baixas (baixas temperaturas), é superado usando eléctrodos porosos, contendo platina e
operando a pressões elevadas. Devido a estes inconvenientes, as AFC apenas conseguiram
conquistar alguns mercados especiais, tal como as aplicações espaciais. Algumas tentativas
comerciais foram feitas para mudar tal facto, como foi o caso da ZETEK/ZEVCO que utilizou este
tipo de célula nos táxis de Londres e em camiões, e a ETAING GmbH que utilizou este tipo de
células em navios (Hoogers, 2003).
A grande vantagem das células AFC é o seu preço, são bastante baratas. Tal facto ajuda a
que esta tecnologia penetre num mercado altamente especializado para sistemas de propulsão em
recinto fechado, como veículos de transporte nos aeroportos, ou em vários segmentos no sector
dos equipamentos portáteis (Hoogers, 2003).
Abaixo apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente (0.5) e
(0.6)).
Reacções AFC
2 2( ) 2 ( ) 2 ( ) 2H g OH aq H O l e− −+ → + (0.5)
2 2
1( ) ( ) 2 2 ( )
2O g H O l e OH aq− −+ + → (0.6)
3.1.3. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PAFC
Tarefa B1.1
18
As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC, ou CCAF em português) foram
desenvolvidas para o mercado de geração de energia de média escala. Foram as primeiras células
produzidas comercialmente, existindo muitas unidades de 200 kW instaladas na Europa e nos
Estados Unidos (Larminie, 2002).
As PAFC operam a uma temperatura de 200 ºC usando como electrólito o H3PO4 fundido.
Este electrólito é relativamente estável quando comparado com outros ácidos comuns. Assim, as
PAFC podem produzir energia eléctrica a temperaturas elevadas. Além disso, o uso de um ácido
concentrado facilita a gestão da água na célula uma vez que minimiza a pressão de vapor da água.
O suporte utilizado para o ácido é o carboneto de silício e o catalisador é a platina (Kordesch e
Simader, 1996).
Porém, em comparação com as duas células de combustível a baixa temperatura (AFC,
PEMFC), as PAFC apenas atingem densidades de corrente moderadas.
Estas células também são sensíveis ao envenenamento pelo CO e são tolerantes no que diz
respeito ao CO2 (Joon, 1998).
Em seguida apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente
(0.7) e (0.8)).
Reacções PAFC
2( ) 2 ( ) 2H g H aq e+ −→ + (0.7)
2 2
1( ) 2 ( ) 2 ( )
2O g H aq e H O l+ −+ + → (0.8)
3.1.4. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MCFC
As células de carbonato fundido (MCFC) funcionam na gama de temperaturas de 600-700 ºC
e utilizam como electrólito uma combinação de carbonatos alcalinos (Na, K, Li) estabilizados num
suporte de LiAlO2. A altas temperaturas, os carbonatos alcalinos formam um sal que possui uma
alta condutividade de iões carbonato. Como catalisador pode-se usar o níquel no ânodo e óxido de
níquel no cátodo, não sendo necessário o uso de metais nobres (Hirschenhofer et al., 1998). Apesar
desta aparente simplicidade e funcionalidade, o problema reside na natureza do electrólito, que é
extremamente corrosivo.
Abaixo apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente (0.9) e
(0.10)).
Tarefa B1.1
19
Reacções MCFC
22 3 2 2( ) ( ) ( ) 2H g CO H O g CO g e− −+ → + + (0.9)
22 2 3
1( ) ( ) 2
2O g CO g e CO− −+ + → (0.10)
3.1.5. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SOFC
As células de combustível de óxido sólido (SOFC) funcionam na gama de temperaturas de
600-1000 ºC e utilizam como electrólito um metal óxido sólido e não poroso, usualmente Y2O3
estabilizado em ZrO2. Tipicamente o ânodo é Co-ZrO2 ou Ni-ZrO2 e o cátodo é Sr-LaMnO3.
Em seguida apresentam-se as reacções que se dão no ânodo e no cátodo (respectivamente
(0.11) e (0.12)).
Reacções SOFC
2 2 2( ) ( ) 2H g O H O l e− −+ → + (0.11)
22
1( ) 2
2O g e O− −+ → (0.12)
Estes dois últimos tipos de células de combustível (óxido sólido e carbonato fundido), que
funcionam a altas temperaturas, são principalmente utilizadas para potências elevadas (da ordem
dos MW), em sistemas estacionários de conversão energética. Nestes sistemas o electrólito consiste
em materiais de transporte de aniões, como O2- e CO32-, que são os portadores de carga.
Estes dois tipos de células de combustível têm duas vantagens principais sobre as células de
baixa temperatura. A primeira vantagem é de poderem alcançar altos rendimentos energéticos,
cerca de 60 % dos protótipos alcançam rendimentos superiores a 45 %. Isto torna-as
particularmente atractivas para a geração eficiente de energia estacionária (Hoogers, 2003). A
segunda vantagem são as altas temperaturas de operação, que permitem o uso de combustíveis
com misturas de H2/CO, de modo que o necessário processo de conversão do combustível pode
acontecer na própria célula. Isto reduz a complexidade destes sistemas quando comparados com os
sistemas que possuem células que operam a baixas temperaturas e requerem a geração de
hidrogénio como um passo prévio adicional. Existe também a possibilidade de integração destas
células em ciclos de turbinas a vapor ou a gás.
Tarefa B1.1
20
O facto das células de combustível a altas temperaturas não poderem ser facilmente
desligadas é aceitável para o sector estacionário, mas provavelmente só aplicável para este tipo de
sectores (Hoogers, 2003), dada a sua inércia de funcionamento.
3.2. LEVANTAMENTO DA INFORMAÇÃO DISPONIBILIZADA PELOS FORNECEDORES – MODELOS COMERCIALIZADOS
No âmbito da presente tarefa foi efectuado um levantamento de informação quanto aos
modelos actualmente comercializados e quanto aos estados actuais de desenvolvimento dos
diferentes tipos de células de combustível.
Da pesquisa efectuada concluiu-se que consoante a aplicação desejada quer o tipo de célula
quer o tipo de combustível é diferente. Consequentemente a rede de fornecedores será igualmente
diferente.
Para pequenas aplicações estacionárias:
• Células a Combustível de 0.5 kW a 10 kW
• Pequenos equipamentos portáteis: computadores portáteis e telemóveis
• Mercado residencial, comercial e serviços, com funções de fornecimento de energia ininterrupta
• 80 empresas no mundo inteiro,
• 900 pequenos sistemas estacionários em funcionamento
• Maioria dos sistemas nesta área utiliza a tecnologia de célula a combustível PEMFC (Membrana
de permuta de Protões). As SOFC (célula a combustível de Óxido Sólido) também começam a
surgir neste mercado.
• O combustível preferido para estas aplicações é o gás natural e propano e o metanol para as
PEMFC (que de facto passarão a ser DMFC);
• Actualmente este mercado não pode trazer um retorno atractivo, pois além dos preços estarem
muito altos, a vida útil destas primeiras gerações ainda não são satisfatórias (é necessário uma
durabilidade de 5 anos),neste momento apenas duram pouco mais de 1 ano;
• Nas áreas comercial e de serviços (telecomunicações, bancos, etc.), o sistema de reserva de
energia, tem-se revelado um mercado de aplicação interessante, necessitando apenas um regime
de funcionamento esporádico (Axane e Plug Power).
Tarefa B1.1
21
• Cerca de 80% dos fabricantes nestas aplicações estão nos (EUA);
• Os custos são superiores a 4000 €/kW
Para Grandes aplicações estacionárias:
• De entre todas, é a aplicação mais testada e investigada nos últimos 30 anos
• Nos últimos 2 anos existem muitos casos de sistemas de demonstração
• Potência de saída de 10 kW, embora a média seja próxima de 200kW
• As menores são MCFC de 250kW e as maiores de PAFC com 11MW.
• Existem 650 sistemas construídos e em operação no mundo inteiro
• competem neste mercado as tecnologias SOFC e MCFC, ocupando o espaço que
• pertencia às PAFC (CC de Ácido Fosfórico)
• As aplicações com MCFC e a SOFC, são tecnologias de alta temperatura de operação e com alta
eficiência, onde o calor rejeitado pode ser aproveitado e/ou ser integrado a uma turbina a gás.
Utilizam módulos de 250kW
• As PEMFC é outra das tecnologias emergentes nesta área de aplicação, mas com módulos mais
pequenos 75kW. As empresas envolvidas são Ballard Power e Nuvera.
• Vários combustíveis são utilizados como fonte de hidrogénio (gás natural, etanol, biogas, metano
da fermentação, metano do carvão mineral)
• As principais instalações de células a combustível estacionárias acima de 10kW estão no Japão e
na América do Norte, principalmente nos EUA
• A Alemanha lidera o mercado europeu com 60% da capacidade instalada (o maior sistema é de
200kW)
Depois de caracterizadas estas diferenças procedeu-se à recolha e sistematização da informação
disponibilizada pelos fornecedores de células de combustível.
Para tal começou-se por seleccionar uma série de fornecedores e, a partir dessa listagem procurar
a informação disponível para os diferentes tipos de células de combustível. Os fornecedores foram
escolhidos com base em informações disponibilizadas por outros promotores de projectos de
demonstração. De todas os existentes foram escolhidos os que, para além de terem sido
Tarefa B1.1
22
recomendados, apresetavam uma maior informação e uma maior experiência no fabrico e
desenvolvimento deste tipo de tecnologia.
Fornecedores seleccionados:
• Astris, Energi Inc. (Canadá) www.astris.ca
• EFOY (Alemanha) www.smartfuelcell.de
• H2 Industrial (Dinamarca) www.h2industrial.com
• ElectroChem, Inc. (EUA) www.fuelcell.com
• Toshiba International Fuel Cells, Inc. (Japão)
www.toshiba.co.jp/product/fc/fce/
• Plug Power(EUA – Holanda) www.plugpower.com
• Nuvera (EUA – Itália) www.nuvera.com
• Fuel Cell Energy (EUA) www.fce.com
• ZTEC Corporation (EUA) www.ztekcorp.com
• BALLARD (Canadá) www.ballard.com
• H2 Economy (Arménia) www.h2economy.com
• Ceramic Fuel Cells Limited (Austrália)
www.cfcl.com.au
• DELPHI (EUA) www.delphi.com
• HT Ceramix (Suiça) www.htceramix.ch
• Axane (França) www.axane.fr
• Fuji Electric Company, Ltd. (Japão)
www.fujielectric.co.jp/eng/
• Acumentrics (EUA) www.acumentrics.com
• UTC Power (EUA) www.utcpower.com
• Siemens (Alemanha) www.powergeneration.siemens.co
m
Tarefa B1.1
23
3.2.1. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PEMFC E DMFC
As características das células de combustíveis PEMFC e DMFC comercializadas são
apresentadas de seguida.
Fornecedor NUVERA
A Nuvera comercializa um módulo de nova geração de pilhas de combustível PEM,
denominado PowerFlowTM.
Em resposta às necessidades do mercado, PowerFlow é uma pilha combustível completa,
inteiramente automatizada e projectada para ser instalada em veículos e equipamentos industriais.
Caracteristicas técnicas
Potência eléctrica de saída …................................. 0 a 5,0 kW
Tensão................................................................... 36 ou 48 VDC
Eficiência eléctrica………....................................... 52 %
Volume....................................................................81 l
Combustível............................................................ Hidrogénio
Exhaust Emissions................................................... Vapor Água
Operating Temperature........................................... 0ºC a 35ºC
Nível de ruído.......................................................... 66 dBA
Figura 1 – Pilha de combustível PowerflowTM
Tarefa B1.1
24
Fornecedor BALLARD
Este fornecedor comercializa pilhas de combustível tipo PEM por forma a responder à
procura do mercado por células de elevada eficiência e durabilidade. Os modelos de seguida
apresentados são os comercialmente denominados por Mark 902 e Mark 1030.
O modulo de células de combustível Mark 902 pertence à quarta geração de células de
combustível da BALLARD e foi projectado especificamente para a utilização em veículos de
passageiros e permite obter uma potência máxima de 85 kW em funcionamento continuo.
Este módulo (Mark 902) permite igualmente obter configurações que debitam potências
eléctricas compreendidas entre 10 kW e 300 kW dependendo do tipo de utilização e dos
requerimentos do projecto.
Figura 2 – Pilha de combustível MARK 902
Caracteristicas técnicas:
Tipo de célula: PEM
Desempenho : 85 kWe contínuos
Corrente eléctrica: 300 Amps1
Tensão DC: 284 Volts2
Combustível : Hidrogénio
Oxidante : Ar
Temperatura de operação (nominal): 80°C
Pressão nominal de combustível: 1 a 2 barg
Pressão nominal do ar: 1 a 2 barg
Dimensões: 805 x 375 x 250 mm
Peso: 96 kg
Volume: 75 litros
Tarefa B1.1
25
Um outro produto comercializado é a pilha de combustível Mark1030 que utiliza um liquida
refrigerante. Em anexo à célula, um dispositivo de monitorização da tensão da pilha é fornecido. As
características desta pilha são as seguintes:
Características técnicas:
Tipo de célula: PEM
Desempenho : 13200 kWe
Corrente eléctrica: 35 Amps1
Combustível: Gás rico em Hidrogénio (>72% H2) e com < 10 ppm CO
Oxidante: Ar filtrado
Temperatura armazenamento: 0 a 40°C
Temperatura arranque: > 0 °C
Humidade relativa: 90 a 110%
Dimensões : 430 x 171 x 231 mm
Peso 20,5 kg
Volume 17 litros
Figura 3 – Pilha de combustível MARK 1030
Fornecedor EFOY
Tarefa B1.1
26
A EFOY comercializa células de combustível com alimentação directa de metanol (DMFC)
capaz de fornecerem 600, 1200, 1600 Wh de energia .
A série comercializada de células de combustível consiste em três modelos: A EFOY 600 que
fornece uma energia eléctrica de 600 Wh por dia, O EFOY 1200 que fornece uma energia eléctrica
de 1.200 Wh por dia, sendo o sucessor directo da célula combustível SFC A50.
O EFOY 1600 é, por sua vez o modelo apropriado para procuras de energia mais elevada,
capaz de fornecer 1600 Wh de energia eléctrica por dia, uma corrente até 130 A-hora. O seu peso
é de 7,5 kg e o seu tamanho é de 43.5 x 20.0 x 27.6 cm.
Todas as células combustíveis de SFC operam com cartuchos de combustível próprios para
este tipo de células, um método seguro e conveniente de alimentar a pilha. Os cartuchos são
normalizados de acordo com padrões técnicos alemães. Com um único M10 cartucho de 10 litros é
possível gerar mais de 600 A-hora de electricidade. Os recipientes de maior capacidade estão
disponíveis a pedido do cliente.
Figura 4 – Pilha de combustível EFOY 1600
Fornecedor H2 Industrial
A pilha da célula combustível com alimentação directa de metanol (DMFC)
comercializada pela H2 Industrial consiste num conjunto de 15 unidades de células electricamente
ligadas em série. Cada unidade da pilha é alimentada com metanol e ar através de um distribuidor
gás/ líquido.
Cada célula consiste numa placa bipolar de fluxo e de uma MEA. A MEA (membrane
electrode assembly) é o conjunto formado pelos eléctrodos, placas de carbono e a membrana
polimérica. A membrana tem neste caso uma área activa de 90 cm2.
Descrição técnica:
Saída eléctrica 100 W, máximo 150 W
Corrente da pilha 18 A
Tensão da pilha 6 W
Tarefa B1.1
27
Eficiência 35%
Número de células ligadas em série: 15
Dimensões da pilha: 145 mm x 145 mm x 163.5 mm
Peso da pilha 4 kg
Fonte de combustível metanol de 1.0 M °
Figura 5 – Pilha de combustível DMFC da H2 industrial.
Fornecedor H2 economy
Este fornecedor apresenta a comercialização de uma série de pilhas de combustível
denominado por ProFC™ .
As pilhas de combustível são compostas por 1 a 10-células produzindo assim de 12 a 100 W
de potencia eléctrica com uma tensão 0,6 a 6,0 V. Usado juntamente com um conversor AC-DC,
consegue-se alimentar aplicações como por exemplo computadores portáteis.
Tarefa B1.1
28
Figura 6 – Pilhas de combustível ProFCTM.
Fornecedor axane
A série de pilhas de combustível comercializada (Comm PacTM Base) pode fornecer energia
eléctrica de um modo contínuo e a sua acção pode ser complementada com o auxílio de energias
renováveis tais como energia solar e eólica.
Características técnicas:
Tipo de célula PEM
Gama de potência De 0,5 a 10 kW (1 a 2 módulos)
Capacidade de sobrecarga De 5 a 20 kW (dependendo da
configuração)
Voltagem 110V AC / 60 Hz
230 V AC / 50 Hz
48 V DC
Saída Sinusoidal THD1 < 5 % com carga resistiva
Poluição sonora 45 dba a 1 m
Peso 60 kg sem hidrogénio
Dimensão 150x170x210 cm
Máxima potência Transiente instantâneo
Temperatura de
armazenamento
55 °C a 70 °C
Tarefa B1.1
29
Temperatura de operação -40 °C a 45 °C
Figura 7 – Pilhas de combustível Comm PacTM.
Fornecedor Plug Power
A Plug Power comercializa sistemas de pilhas de combustível (PEM). A sistemas disponíveis
pertencentes à série GenCore fornecem energia eléctrica com tensões de 48Vdc ou 120Vdc
consoante o modelo. O combustível de alimentação é o Hidrogénio.
Características dos produtos 5B48 R5U120
Taxa de produção
liquida 0 a 5000 W 0 a 5000 W
Voltagem ajustável 46 a 56 VDC (48) 125,9 a 136,2
VDC (120)
Gama de operação da
voltagem 42 a 60 VDC
125,9 a 139,8
VDC
Desempenho
Gama de operação da
intensidade de corrente 0 a 109 A 0 a 39.9 A
Hidrogénio gasoso 99,95 % em base
seca
99,95 % em base
seca
Pressão de alimentação 80 +/- 16 psig (5,5
+/-1.1 bar)
80 +/- 16 psig (5,5
+/-1.1 bar)
Combustível
Composição 40 l/min a 3000 W 40 l/min a 3000
Tarefa B1.1
30
W
75 l/min a 5000 W 75 l/min a 5000
W
Operação Temperatura ambiente -40 ºC a 46 ºC -40 ºC a 46 ºC
Humidade relativa 0 % a 95 % (não
condensados)
0 % a 95 % (não
condensados)
Altitude -197 ft a 6000 ft
(-60 m a 1829 m )
197 ft a 6000 ft
(-60 m a 1829 m )
Dimensões 44” a 26” W x 24”
D (112 x 66 x 61 cm)
44” a 26” W x
24” D (112 x 66 x 61
cm)
Propriedades
físicas
Peso 500 Lbs (227 kg) 500 Lbs (227 kg)
Segurança Certificação FOC Classe A FOC Classe A
Emissões Água 1,75 l/min máximo 1,75 l/min
máximo
CO, CO2, NOx, SO2 < 1 ppm < 1 ppm
Ruído 60 dBA @1m 60 dBA @1m
Figura 8 – Pilhas de combustível Gen Core.
Fornecedor Electro Chem, Inc.
Tarefa B1.1
31
As pilhas de combustível da ElectroChem são fabricadas de modo a terem níveis elevados
de usabilidade e fiabilidade. A pilha EFC50-ST pode operar sem humidificação externa a pressões
superiores a 3 atm. A versatilidade destas pilhas permite que sejam alimentadas com H2 e O2, ou
com ar não sendo necessária a re-circulação de gases. As potências eléctricas fornecidas estão
entre: 10 e 20 W por célula.
Figura 9 – Pilhas de combustível Gen Core.
3.2.2. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SOFC
Fornecedor Ceramic Fuel Cells Limited
A Ceramic Fuel Cells Limited é uma das principais companhias principais do mundo no
desenvolvimento contínuo da célula combustível de alta temperatura (SOFC), tendo projectado
uma pilha SOFC de 1kW e a partir dela produziu um sistema de produção de energia eléctrica e
calor a partir de uma pilha combustível do óxido (SOFC) (CHP) denominado Net~Gen.
A Net~Gen é uma unidade pré-comercial da demonstração, que permite avaliar o potencial
do dispositivo. Estes testes de campo permitem explorar mais o potencial da produção eficiente e
limpa de electricidade a partir dos sistemas micro-CHP com SOFC, tais como a Net~Gen.
A Ceramic Fuel Cells Limited está a produzir quantidades limitadas deste tipo de unidades.
Características técnicas
Tarefa B1.1
32
Energia eléctrica 1kW
Calor 1 kW
Eficiência eléctrica ≈ 40 %
Eficiência total ≈ 80 %
Voltagem – 1 ph 220/240 VAC 50
Hz
Dimensões 700x600x1200
mm
Peso 150 kg
Figura 10 – Unidade Net-Gen.
Para além das células de combustível e respectivos sistemas combinados de produção de
electricidade e calor, a Ceramic Fuel Cells Limited desenvolveu também uma estação de teste
Esta estação de teste é constituída por plataforma funcional e versátil que contém o
equipamento essencial tal como unidade da aquisição de dados (DAQ), controlo de caudais,
sistema de humidificação do combustível e sistema total de segurança para a unidade.
.
Fornecedor Delphi
O fornecedor DELPHI tem neste momento uma unidade de demonstração de células de
combustível SOFC denominado SECA.
Tarefa B1.1
33
Esta unidade produziu 4,24 kW de potência eléctrica quando alimentado a metano,
apresentado uma eficiência eléctrica de 37 por cento. Os resultados dos testes de durabilidade
mostram uma degradação de apenas 7% em 1.500 horas da operação.
Figura 11 – Unidade SECA.
Fornecedor ZTEC Corporation
O fornecedor ZTEC comercializa um produto denominado de EHVAC™ que usa um sistema
da células de combustível SOFC juntamente com um chiller de absorção, sendo um sistema
eficiente de produção de electricidade, calor e ventilação (EHVAC™). Esta configuração utiliza de
forma eficiente a exaustão das células SOFC para aquecer ou refrigerar um edifício.
Para a Cogeração o gás natural alimenta o reformador, onde é convertido a hidrogénio e a
monóxido de carbono antes de ser alimentada nas células combustíveis.
As reacções electroquímicas entre o combustível e o ar ocorrem no interior das células
combustíveis e produzem electricidade. A exaustão quente da célula combustível é então
conduzida ao chiller.
Tarefa B1.1
34
Figura 12–Sistema EHVAC.
Fornecedor HT Ceramix
A unidade de demonstração HoTbox™ é um sistema completo de demonstração de uma pilha
de combustível (SOFC) com potência de 500W. O sistema inclui também um isolamento contra as
baixas temperaturas, os controlos, um computador pessoal integrado num painel com software
dedicado, uma bateria ácida de ligação.
O sistema funciona com hidrogénio ou gás de reformação, e a pilha opera a uma temperatura
de 750°C. Este sistema é inteiramente autónomo e está equipado com uma bateria para o
arranque independente.
Foi projectado de forma a garantir uma fácil acessibilidade da pilha para manutenção. A
unidade de demonstração HoTbox™ é ideal para os clientes que pretendam ter uma unidade de
SOFC para mostrar as sua potencialidades, ou para aqueles interessados em testar o HoTbox™
num sistema já existente.
Tarefa B1.1
35
Figura 13 – Unidade Hotbox.
O combustível usado é o hidrogénio ou gás rico em hidrogénio proveniente da reformação
e a potência eléctrica fornecida é de 0.5 a 2 kW.
Fornecedor Siemens
Devido à necessidade de desenvolvimento e melhoria de desempenho do produto e,
sobretudo, a redução de custo uma nova série de geradores de energia foi desenvolvida.
A eficiência elevada e o aspecto ecológico das células combustíveis SOFC foram já bastante
estudadas pela Siemens Power Generation para aplicações estacionárias. A validação do produto e
a redução de custo são agora objectivos principais para o mercado das aplicações estacionárias.
O objectivo fundamental deste estudo de sistemas denominados SECA é desenvolver um
SOFC revolucionário que possa ser fabricado em grande escala para uma grande variedade de
aplicações com um custo mais baixo em relação aos componentes actuais. A fim de atingir estes
objectivos, a pesquisa em novos materiais está a decorrer.
Existe então a expectativa de começar a produzir produtos de pequena escala de SOFC
operando com gás natural ou em combustíveis líquidos disponíveis, tais como o querosene ou o
diesel.
Tarefa B1.1
36
Existe actualmente já um produto pré-comercial da Siemens Power Generation denominado
SFC-200. Consiste num sistema SOFC de cogeneração com potência de 125 kW, alimentado a gás
natural à pressão atmosférica, com eficiência eléctrica de 44-47% na potência nominal. Uma
eficiência total de >80% é esperada.
Figura 14 –Sistema SFC-200.
Para além do produto acima descrito foi efectuada uma extensa pesquisa, por parte da
Siemens Power Generation, no desenvolvimento de um protótipo de 5 kW que operasse com gás
natural, baseados em pilhas tubulares da Siemens power generation.
Como resultado dessa pesquisas e de um acordo cooperativo com a empresa Fuel Cell
Technologies (FCT), a Siemens Power Generation é actualmente o fornecedor de um sistema de
geração de energia eléctrica e calor com tecnologia SOFC de potência 5 kW a operar com gás
natural.
Figura 15 – Sistema FCT 5 kW SOFC.
Fornecedor Acumentrics
Este fornecedor comercializa os modelos RP-SOFC-5000 (5 kWe) e o RP-SOFC-10000 (10 kWe).
Tarefa B1.1
37
As pilhas de combustivel RP-SOFC podem ser alimentadas directamente com gás natural, propano ou
outros combustíveis similares. Isto permite eficiências eléctricas que variam entre 40%-50%. A alta
temperatura de operação permite aproveitar o calor gerado pela pilha aumentando a eficiência global para
valores acima dos 75%.
Características técnicas:
RP-SOFC-5000 [RP-SOFC-10000]
Saída eléctrica:
Potência de saída da SOFC: 5 kW / 5 kVA [10 kW / 10 kVA]
Tensão de saída: 120/240 V AC mono-fásicos
Corrente eléctrica: 31 amps [62 amps]
Tempo de arranque: Aquecimento de 10-30 min
Combustivel usado:
Tipos de combustível: gás natural, metano (standard)
propano, etanol, metanol e hidrogénio (opcional)
Dimensões: 68” L x 36” W x 60” H [68” L x 36” W x 72” H]
Peso: < 1,200 lbs [< 1,500 lbs]
Temperatura de operação: -20 a 120 degF
Emissões acústicas: 65 dBA
Manutenção:
Filtro de entrada do ar: Limpeza anual
Filtro de enxofre: Mudar após 9000 horas de operação
Garantia: Um ano.
Figura 16 – Pilha RP-SOFC-5000.
Tarefa B1.1
38
3.2.3. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL AFC
Fornecedor Astris, Energi Inc.
A POWERSTACK™ MC250 comercializada pela Astris é uma pilha monopolar, com células de
combustível alcalinas. Este produto é modular, permitindo obter potências na gama dos 300 W -
10 kW. Com a eliminação da platina e o uso de um electrólito barato, a POWERSTACK™ MC250
tem um custo muito mais baixo do que outras células combustíveis de baixa temperatura. O uso do
hidróxido de potássio como um electrólito permite que o POWERSTACK™ MC250 opere a
temperaturas inferiores a 0ºC. Com a baixa temperatura de operação e nenhuma exigência de
humidificação para o arranque, a MC250 tem um tempo de arranque rápido.
As pilhas operam com o hidrogénio e o ar, à pressão atmosférica.
Figura 17 – Pilha POWERSTACKTM MC250.
A LABCELL 200 é uma pilha de células de combustível alcalinas de tamanho médio, apropriada
para demonstração laboratorial. O LC200 pode ser completamente desmontada e remontada a fim
de se poder observar os seus componentes, tais como o cátodo e o ânodo. As pilhas têm potências
de saída até 240 W. Operam com o hidrogénio e o ar, à pressão atmosférica.
Tarefa B1.1
39
Figura 18 – Pilha LABCELL 200.
A última geração de pilhas AFC correspondente à série POWERSTACKTM MC 250 apresenta
melhorias significativas na densidade energética e sistemas de controlo inteligentes que requerem
uma intervenção mínima do utilizador. De referir o Modelo Portátil E8 com uma potência de 2,4
kW adequado parar uma série de aplicações portáteis e estacionárias.
Figura 19 – Modelo E8 - POWERSTACK™ MC250.
Este modelo apresenta uma potência nominal de 2,4 kW e fornece 48 VDC de energia
eléctrica com 50 amp de corrente. Este modelo contém duas pilhas POWERSTACK™ MC250-
1200W.
Esta unidade é alimentada por um reservatório externo de hidrogénio armazenado numa
gama de pressão entre 6-200 bar. À potência nominal, o consume de combustível é de 1600
litros/hora. A eficiência eléctrica do modelo é de 50%.A unidade completa é completa por um
sistema que inclui um micro processador que efectua o controlo de toda a operação.
Modelo E8 Gerador portátil AFC Modelo E8 Gerador portátil AFC Modelo E8 Gerador portátil AFC Modelo E8 Gerador portátil AFC
DesempenhoDesempenhoDesempenhoDesempenho
Potencia Nominal 2,4 kW
Tarefa B1.1
40
Voltagem nominal 48 +10/-4V DC
Intensidade de corrente nominal 50 A
Máxima intensidade de corrente 60 A
Pilhas de combustível 2 x MC250 -1200W
Tempo útil de vida 2000h
Combustível Hidrogénio
Consumo de hidrogénio (à
potencia nominal)
1,6 Nm3/h
Pressão de alimentação 6 -200 bar (100 – 3000 psi)
Armazenamento do combustível Externo
Electrólito 8 M KOH
Eficiência do sistema > 50 %
Tempo de arranque < 3 min (48 VDC instantâneo)
Ambiente Ambiente Ambiente Ambiente
Temperatura ambiente 0 - 40 ºC
Humidade relativa 5 – 95 %
Geral Geral Geral Geral
Dimensões 72 x 61 x 61 cm
(58,5 x 24 x 24 in)
Peso 125 kg (275 lbs)
3.2.4. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL PAFC
Fornecedor UTC Power
UTC Fuel Cells, formerly ONSI, localizada no South Windsor, Connecticut, comercializa um
sistema de célula de combustível: a estação 200-kW PC25™ PAFC.
A célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC): usa ácido fosfórico líquido como
electrólito. A estação PureCell™ 200, é produzida desde 1991, é uma estação PAFC. A PureCell™
200 é altamente eficiente – eficiência total de 85% é atingida quando o calor produzido pela célula
combustível é usado para a co-geração. As estações PAFC têm geralmente grandes dimensões, são
pesadas e requerem um tempo de aquecimento. Dadas estas características as estações PACF são
usadas principalmente em aplicações estacionárias.
Tarefa B1.1
41
Figura 20 – Estação PureCell™ 200
O sistema PureCell™ é limpo, eficiente e uma estação de células de combustível de
confiança. Produz 200 kW de energia e cerca de 900.000 Btu/hr de calor para aplicações
combinadas de calor/energia.
A solução base do sistema PureCell™ 200 é uma unidade que funciona ligada à rede e opera
em paralelo com esta. Pode-se ainda optar por uma configuração de dupla modalidade, que
permite à unidade operar ligada à rede ou independente da rede, mudando de modalidade
automaticamente ou por comando.
Características
• Emissões baixas (melhores que CARB 07)
• Baixo perfil sonoro (60 dBA)
• Eficiências energéticas superiores a 90%
• Funcionamento com gás natural ou gás proveniente de digestores anaeróbicos
Fornecedor Fuji Electric Company, Ltd.
A Fuji Electric Company, Ltd constrói e comercializa a FP-100, uma estação PCAF de
100kW.
Fornecedor Toshiba International Fuel Cells, Inc.
Tarefa B1.1
42
Central de produção de energia a pilha de combustível de 200kW: Pc25TMC
Esta central fornece energia limpa, fiável para hospitais, escritórios, hotéis, trabalhos
industriais por todo o Mundo. Situada dentro ou fora das instalações, no telhado ou na cave, as
pilhas de combustível geram energia perto dos elementos a alimentar, portanto não existem
preocupações de maior em termos de baixa voltagem, limitações de carga, qualidade e fiabilidade.
Características de PC25TMC
Baixo custo
Compacta e leve
Fiável
Não - poluente
Múltiplos combustíveis
Várias opções, incluindo a operação remota do sistema
Colocação flexível
Características
200 kW (AC, NET)
Voltagem saída/ frequência 400V (50Hz), 480V (60Hz)
Eficiência eléctrica 40% (LHV, AC, NET)
Eficiência de energia
térmica/temperatura
41% (LHV)/ 60ºC água
quente
Consumo de combustível Gás natural (43Nm3/h)
Emissões NOx: < 5ppm; SOx:
desprezável
Ruído Próximo de 60dB a 10m da
instalação
Águas residuais Qualidade: água pura;
Quantidade: próximo de 0
Forneciment
o água
Qualidade: água da rede ou
água pura
Quantidade: perto de 0 Forneciment
o Forneciment
o azoto
Quatro (4) cilindros contendo
7Nm3 para um ciclo
Módulo
fornecimento
energia
5,5m x 3,0m x 3,0m/
18,2tons Dimensões/
peso Módulo
arrefecimento
4,1m x 1,3m x 1,2m/
0,7tons
Instalação Interior ou exterior
Funcionamento/ Interface Automático, funcionamento
Tarefa B1.1
43
eléctrica autónomo/ ligação à rede
Opções
Recuperação térmica Água alta temp. (90~120ºC) + água quente (60ºC)
Propano (LPG) Combustível
Gás proveniente de digestores anaeróbicos
Ligação à rede/ independente da rede Interface eléctrica
Fornecimento DC
Monitorização Monitorização de performance e diagnóstico
remota
Manutenção
Frequência Item Duração
Manutenção durante a
operação
A cada 3000 horas de
funcionamento
+ Limpeza de filtros
+ Substituição de resina WTS 1 dia
Manutenção anual Anualmente
+ Bombas de serviço
+ Inspecção/ limpeza permutadores calor e
tanque
Aproximadamente 4 dias
Inspecção A cada 5 anos + Substituição CSA
+ Substituição catalisadores
Figura 21 – Estação PureCell™ 200
3.2.5. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL MCFC
Fornecedor Fuel Cells Energy
Tarefa B1.1
44
Fuel Cell Energy é vista como a principal empresa de desenvolvimento de tecnologia de MCFC.
A empresa comercializa estações com uma gama de potências de 250 kW a 1000 kW as quais
designa por Direct Fuel Cell™.
Modelo DFC® 300A – 250 kW
Figura 22 – Modelo DFC® 300A.
Dimensões:
Altura 10,5 in
Largura 9 in
Comprimento 28,1in
Emissões:
NOx < 0.3 ppmv
SOx <0.01 ppmv
CO <10 ppmv
VOC <10 ppmv
Calor Disponível
Temperatura de Exaustão ≈ 650° F
Caudal de Exaustão 3,000 lbs/hr
Calor disponível de exaustão 300,000 Btu/hr
Características:
Potência: 250 kW
Tensão: 480 VAC, 50 ou 60 Hz
Possibilidade de geração combinada de electricidade e calor
Sistema modular
Reformação interna do combustível
Tarefa B1.1
45
Poucas partes móveis
Sistema compacto
Flexibilidade de combustível
Benefícios
Energia Ultra limpa
Eficiente
Operação silenciosa
Energia de elevada qualidade
Modelo DFC® 1500 – 1 MW
Figura 23– Modelo DFC® 1500 – 1 MW
Dimensões:
Altura 26,5 in
Largura 43 in
Comprimento 40 in
Emissões:
NOx < 0.3 ppmv
SOx <0.01 ppmv
CO <10 ppmv
VOC <10 ppmv
Calor Disponível
Temperatura de Exaustão ≈ 650° F
Caudal de Exaustão 13,800 lbs/hr
Calor disponível de exaustão 1,4 mm Btu/hr
Tarefa B1.1
46
Características:
Potência: 1000 kW
Tensão: 480 VAC, 50 ou 60 Hz
Possibilidade de geração combinada de electricidade e calor
Sistema modular
Reformação interna do combustível
Sistema compacto
Flexibilidade de combustível
Benefícios
Energia limpa
Eficiente
Operação silenciosa
Energia de elevada qualidade
DFC® 3000 - 2 MW
Figura 24 – DFC® 3000 - 2 MW
Dimensões:
Altura 27,5 in
Largura 49,4 in
Comprimento 59,6 in
Emissões:
NOx < 0.3 ppmv
SOx <0.01 ppmv
CO <10 ppmv
VOC <10 ppmv
Tarefa B1.1
47
Calor Disponível
Temperatura de Exaustão ≈ 650° F
Caudal de Exaustão 27,200 lbs/hr
Calor disponível de exaustão ≈ 2,8 mm Btu/hr
Características:
2000 kW net
480 VAC, 50 ou 60 Hz
By-product heat availability
Modular and scalable
Internal fuel reforming
Poucas partes móveis
Small package
Flexibilidade de combustível
Benefícios
Energia limpa
Eficiente
Easily sited
Operação silenciosa
Energia de elevada qualidade
Tarefa B1.1
48
4444.... CCCCONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES GGGGERAISERAISERAISERAIS
Dependendo das aplicações para que são direccionadas, as células de combustível necessitam de
possuir características diferentes. Por exemplo, para aplicações portáteis, o ideal é que as células
seleccionadas trabalhem à temperatura ambiente, de modo a evitar a necessidade de aquecimento
adicional e a reduzir o tempo de arranque.
Com o intuito de responder a diversas necessidades operacionais, foram desenvolvidos
diferentes tipos de células. As células de combustível podem ser caracterizadas tendo em atenção
diferentes parâmetros, nomeadamente, o electrólito e a temperatura de operação ou a espécie
química transportadora de carga.
Tarefa B1.1
49
5555.... RRRREFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIAS BBBBIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICAS
• Cappadonia, M., Stimmins, U., Kordesch, K., Oliveira, J.C., (2002), Fuel Cells, Ullmann’s
Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, Inc.
• Hirschenhofer, J. H., Stauffer, D. B., Engleman, R. R., Klett, M. G., 1998, Fuel Cells Handbook
(revision 4), Morgantown West Virginia, US DOE.
• Hoogers, G., 2003, Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press LLC.
• Joon, K., 1998, Fuel cells- a 21st century power system, Journal of Power Sources, 71 12-18.
• Kordesch, K., Simader, G., 1996, Fuel cells and their applications, VCH Publishers.
• Larminie, J., 2002, Fuel Cells, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley &
Sons, Inc.
Catálogos de pilhas de combustível comercializados disponíveis em:
www.astris.ca
www.smartfuelcell.de
www.h2industrial.com
www.fuelcell.com
www.toshiba.co.jp/product/fc/fce/
www.plugpower.com
www.nuvera.com
www.fce.com
www.ztekcorp.com
Tarefa B1.1
50
www.ballard.com
www.h2economy.com
www.cfcl.com.au
www.delphi.com
www.htceramix.ch
www.axane.fr
www.fujielectric.co.jp/eng/
www.acumentrics.com
www.utcpower.com
www.powergeneration.siemens.co
m
Tarefa B1.2
Contactos com utilizadores e
visitas a instalações de demonstração
Tarefa B1.2
52
ÍÍÍÍNDICENDICENDICENDICE
1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………..53
2. Introdução……………………………………………………………………………………………..54
3. Actividade I&D Realizada…………………………………………………………………………….55
3.1. Levantamento de informação acerca de projectos de demonstração com utilização do
biogás como combustivel. ...................................................................................................... 55
3.1.1 Projectos de demonstração com alimentação de biogás a células de combustível tipo
MCFC.................................................................................................................................... 55
3.1.2 Projectos de demonstração com alimentação de biogás a células de combustível tipo
PEMFC. ................................................................................................................................. 57
3.1.2.1 Projecto de demonstração do Instituto de Engenharia Agricola (ATB), Potsdam,
Alemanha.............................................................................................................................. 58
3.1.2.2 Projecto instalado numa fazenda de Minnesota usando biogás proveniente de
estrume bovino...................................................................................................................... 58
3.1.3 Projectos de demonstração com alimentação de biogás a células de combustível tipo
SOFC..................................................................................................................................... 59
3.1.3.1 Projecto de demonstração BioSOFC – Programa Life - Espanha ............................... 63
3.1.4.1 Projecto de demonstração situado em Penrose, Califórnia....................................... 64
3.1.4.1.1 Historial do projecto ........................................................................................... 64
3.1.4.1.2 Descrição do sistema de pré-tratamento de biogás e resultados obtidos ............... 64
3.1.4.1.3 Descrição Projecto de demonstração. Principais resultados ................................... 66
3.2 – Visitas a instalações de demonstração ....................................................................... 69
4. Conclusões Gerais……………………………………………………………………………………71
5. Referências Bibliográficas…………………………………………………………………………….72
Tarefa B1.2
53
1.1.1.1. RRRRESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFA
No decorrer desta tarefa serão efectuados contactos e visitas a unidades de demonstração já em
operação e será feita uma avaliação das experiências obtidas pelos utilizadores das mesmas
nomeadamente no que concerne os aspectos referentes à operacionalidade e manutenção dessas
instalações.
Tarefa B1.2
54
2222.... IIIINTRODUÇÃNTRODUÇÃNTRODUÇÃNTRODUÇÃOOOO
As pilhas de combustível (PC), enquanto solução de produção de energia eléctrica ou produção
combinada de calor e electricidade (co-geração), estão, nos seus vários domínios de aplicação,
numa fase pré-comercial. Espera-se que nos próximos cinco anos demonstrem a sua
competitividade económica face às soluções convencionais de produção de energia, e que se
verifique a sua progressiva penetração no mercado das soluções alternativas à produção
convencional de energia. Este prazo esperado de cinco anos poderá vir a ser reduzido se a pressão
da resolução dos problemas ambientais relacionados com o aquecimento global devido ao efeito
de estufa vier a colocar uma maior urgência na obtenção de resultados numa diminuição efectiva
do volume de CO2 emitido para a atmosfera por unidade de energia produzida. Tal situação poderá
fazer com que as formas de energia de origem em combustíveis fósseis (carvão e petróleo e gás
natural) possam ver a sua produção penalizada ou, se venham a criar quadros de benefícios sobre
custos evitados de emissão de CO2 que mais directamente apoiem soluções como as das pilhas de
combustível.
Actualmente existem em todo o mundo vários projectos de demonstração a operar com
diferentes tipos de combustível e com diferentes tipos de células de combustível.
Para atingir os objectivos e propósito desta tarefa foi efectuado um levantamento de informação
acerca dos projectos de investigação existentes. Esta pesquisa foi focalizada para os que usam o
biogás como combustível.
Dos contactos com promotores de projectos foi possível validar a exequibilidade deste tipo de
instalações de demonstração.
Tarefa B1.2
55
3333.... AAAACTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE I&DI&DI&DI&D RRRREALIZADAEALIZADAEALIZADAEALIZADA
3.1. LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO ACERCA DE PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS COMO COMBUSTIVEL.
O uso de células de combustível é uma tecnologia emergente que pode promover o uso limpo,
eficiente, e económico da energia do biogás, apresentado contudo alguns problemas sendo um
deles a variabilidade de composição molar do gás que depende da fonte e varia com tempo.
O biogás pode ser usado em diferentes tipos de células de combustível, preferencialmente em
células de combustível de alta temperatura (MCFC, SOFC) desde que se promova, antes da
reformação, a remoção dos compostos de enxofre e hidrocarbonetos halogenados. Estas células
são mais tolerantes às impurezas e operam com misturas H2/CO/CO2, alguns dos elementos
presentes no biogás.
Quanto às células de combustível de baixa temperatura (PEMFC e PAFC) a utilização de biogás
como combustível é também possível desde que se assegure a montante do processo de
reformação externa a remoção dos compostos de enxofre, NH3, hidrocarbonetos halogenados. Os
níveis do CO terão de ser obrigatoriamente menores do que 10 ppm.
Existem actualmente vários projectos de demonstração em funcionamento, com a utilização de
biogás como combustível, cujos resultados provam a exequibilidade técnica do projecto de
demonstração a ser instalado no âmbito do projecto EDEN. Estes projectos utilizam diferentes tipos
de células de combustível sendo que o biogás que serve de combustível tem também diferentes
origens.
3.1.1 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO MCFC.
Estas células de combustível (MCFC) usam uma solução líquida de carbonatos de lítio, sódio
e/ou de potássio, embebidos numa matriz sólida para formar um eletrólito. Estas células prometem
altas eficiências de conversão de combustível em electricidade, cerca de 60% normalmente, ou um
factor global de conversão energética de 85% com a aplicação de co-geração, e operam a uns
650º C. A alta temperatura de operação é necessária para alcançar uma condutividade suficiente
do eletrólito. Devido a esta alta temperatura, os catalisadores de metais nobres não são exigidos
para os processos eletroquímicos de redução e oxidação, na célula de combustível. Até agora, as
Tarefa B1.2
56
células MCFCs tem sido operadas com hidrogénio, monóxido de carbono, gás natural, propano. A
sua utilização com biogás tem sido igualmente testada estando em fase de demonstração. Um dos
projectos de pesquisa propõe, como caminho de optimização destes sistemas, a adaptação das
células MCFC com um módulo quente (MTU, para o uso com biogás (Ott e Tamm, 2003).
Na Europa existem actualmente no âmbito da utilização das células de combustível de alta
temperatura tipo MCFC quatro principais instalações de demonstração:
- Universidade de Nitra, Eslováquia, projecto de demonstração a operar com biogás a partir de
resíduos agrícolas. Apresenta 2.400 horas de operação no primeiro ciclo, acima de 3300 horas no
segundo ciclo e desde Dezembro de 2003 em funcionamento contínuo. Promotor do projecto:
Universidade de Nitra.
- Centro de desenvolvimento industrial, Seaborne GmbH, Owschlag, Alemanha, projecto de
demonstração a operar com biogás obtido a partir de resíduos industriais, 2.200 horas de
operação. Promotores do projecto: MTU CFC Solutions GmbH, Seaborne (Alemanha)
- Asten, Linz AG, Austria, projecto de demonstração a operar com biogás obtido a partir de
digestão anaeróbia de desperdícios de uma unidade de tratamento de água, 2.300 horas de
operação. Promotores do projecto: Profactor, STUDIA e Linz AG (Austria)
- Aterro sanitário Urbaser, Pinto, Espanha, projecto de demonstração a operar com gás de
aterro, iniciado em Fevereiro de 2004. Promotores do projecto: Urbaser, CIEMAT (Espanha)
Tarefa B1.2
57
Figura 1 – Localização das instalações de demonstração com MCFCs alimentadas com biogás.
3.1.2 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO PEMFC.
Estas células operam a temperaturas relativamente baixas (cerca de 80º C), têm alta
densidade de potência e podem variar rapidamente sua potência de saída, contudo são sensíveis às
impurezas presentes no combustível, pelo que a sua utilização com biogás envolve cuidados
especiais.
Os sistemas de PEMFC estão a ser desenvolvidos para uso estacionário com gás natural
como combustível. Como este tipo de célula de combustível pode apenas utilizar-se o hidrogénio; o
gás natural necessita ser reformado originando um gás rico em hidrogénio.
As primeiras experiências de sistemas de PEMFC abastecidas por gás natural estão em fase de
demonstração e apresentam uma eficiência de 25% para 5 kWel (Koschowitz, 2003) até 35% em
células de 200 kWel (Pokojski, 2001). A optimização de um sistema de 1 kWel na Universidade
Gesamthochschule em Essen atingiu uma eficiência eléctrica máxima de 42% (Schmitz, 2002).
Como o biogás tem propriedades similares ao gás natural torna-se um combustível
renovável eficaz. Contudo o biogás tem uma capacidade energética mais baixa, e apresenta na sua
composição dióxido de carbono e impurezas prejudiciais tais como como compostos e amónia de
enxofre.
Eslováquia
Origem do biogás:
Resíduos agrícolas
Alemanha
Origem do biogás:
Resíduos industriais
Austria
Origem do biogás:
Tratamento de águas
residuais
Nitra,
Eslováquia
Linz,
Austria Pinto
,
Owschl
ag
Projectos de demonstração - MCFC Localização na Europa
Tarefa B1.2
58
A intenção das pesquisas que actualmente estão em curso é desenvolver e testar sistemas
de PEMFC como uma tecnologia eficaz e eficiente para gerar a energia eléctrica a partir do biogás.
A pesquisa está ser focalizada, numa primeira fase, na verificação da compatibilidade dos biogás
com PEMFC e na optimização dos parâmetros do sistema.
Existem actualmente alguns projectos de demonstração a operar, dos quais destacamos um
instalado na Alemanha (Potsdam) e um outro numa quinta no Minnesota (EUA).
As descrições destes projectos são de seguida apresentadas
3.1.2.1 PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO DO INSTITUTO DE ENGENHARIA AGRICOLA (ATB), POTSDAM, ALEMANHA.
O Instituto de Engenharia Agrícola (ATB) tem neste momento a operar um projecto de
demonstração de células de combustível tipo PEM com alimentação de biogás. A equipa de
investigadores, conduzida pelo Dr. Volkhard Scholz no Instituto da engenharia agrícola Bornim
(ATB Potsdam), usa uma célula combustível tipo PEM com potência de 1 kWel para a produção
combinada de electricidade e calor.
A célula combustível usada tem a configuração base dos sistemas vocacionados para uso
doméstico e que funcionam no gás natural. Tendo sido adaptado para responder às diferentes
exigências de desempenho para este caso específico.
Comparado com o gás natural, o biogás possui uma densidade energética mais baixa e
requer a purificação por causa da presença de outros gases prejudiciais. Assim sendo o gás usado
neste projecto é desulfurizado numa etapa preliminar e reformado a um gás rico em hidrogénio,
antes de alimentar o sistema da célula combustível com potência de 1 kWel.
O biogás usado provém de uma instalação piloto de bio-metanização em fase sólida
existente no instituto.
Os resultados entretanto obtidos confirmam a aplicabilidade do uso das PEMFC com biogás.
De facto eficiências eléctricas superiores a 38% foram obtidas, com emissões de poluentes gasoso
baixos. A operação requereu igualmente baixo nível de manutenção.
3.1.2.2 PROJECTO INSTALADO NUMA FAZENDA DE MINNESOTA USANDO BIOGÁS
PROVENIENTE DE ESTRUME BOVINO.
Tarefa B1.2
59
Uma fazenda localizada no estado de Minnesota tem um projecto de demonstração a
funcionar com uma célula combustível alimentada por biogás obtido a partir de estrume de gado
vacum.
O projecto de demonstração é o primeiro de seu tipo, sendo os seus promotores o
departamento de agricultura do Minnesota (MDA), a fazenda de Haubenschild, o departamento de
bio-sistemas e engenharia agrícola da Universidade de Minnesota.
A digestão anaeróbica do estrume produz o biogás (essencialmente constituído por
metano, CO2, vapor de água e outras impurezas).
Na etapa inicial do sistema instalado (limpeza e reformação do gás) o biogás é convertido a
um gás rico em hidrogénio, que é alimentado a um sistema de célula de combustível tipo PEMFC
com uma potência de 5 kW para gerar electricidade.
O propósito do projecto é investigar a praticabilidade de usar a tecnologia da célula
combustível PEMFC com este tipo específico de combustível. Os investigadores da Universidade de
Minnesota conseguiram já assegurar o funcionamento intermitentemente da célula combustível
com biogás, e estão a trabalhar com vista a obterem o seu funcionamento contínuo. Uma célula
combustível deste tamanho é ideal para finalidades da pesquisa, mas não é suficientemente
potente para alimentar electricamente a vacaria ou produzir electricidade para venda.
Vários sistemas de baixo custo, desenvolvidos pela universidade de Minnesota, para limpeza
do biogás estão actualmente a ser testados nesta instalação de demonstração.
.
3.1.3 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO SOFC.
As células de combustível de alta temperatura do tipo SOFC podem ser utilizadas em
grandes aplicações de alta potência, industrial e estações centrais de geração de eletricidade a
grande escala. Alguns fabricantes vêem o uso das células SOFC também em veículos automotores e
estão desenvolvendo unidades de potência auxiliares com este tipo de célula de combustível
(APUs). As principais caracteristicas deste tipo de celulas encontram-se descritas na tabela 1.
Tabela 1 – Caracteristicas principais das celulas de combustivel SOFC
Tarefa B1.2
60
Electrólito Oxido sólido
Temperaturas de operação 600 – 1000 ºC
Reformador Externo/Interno
Oxidante O2 / Ar
Eficiência (sem cogeração) 45 – 60%
Máxima eficiência 85%
Potencia máxima 220 kW
Utilização do calor produzido Usado para aquecimento de água ou para gerar
vapor
A escolha de SOFCs apresenta diferentes vantagens quando comparada com outros tipos de
células de combustível:
• A alta temperatura de operação (700-1000°C) permite a co-generação a um nível elevado de
temperatura e evita o uso de metais nobres como catalisadores;
• O funcionamento a elevada temperatura permite a integração térmica da pilha com a todas as
etapas da conversão e do purificação do combustível, aumentando desse modo a eficiência do
sistema;
• Reduzem significativamente a poluição do ar e a emissão de gases com efeito de estufa;
• Apresentam baixa degradação, que permite manter a eficiência constante durante o seu tempo
da vida útil;
• Apresentam elevada eficiência, mesmo operando a carga parcial;
• Possibilidade de operar com vários tipos de combustível - como metano, gás de carvão, biogás
(gás rico em metano), hidrocarbonetos ou H2. Esta flexibilidade abre um largo espectro de
aplicações e para o cliente.
Actualmente existem em funcionamento vários projectos de demonstração com este tipo de
células a operar com diferentes combustíveis (ver tabela 2). Segundo relatórios públicos, os
projectos de demonstração com gás natural como combustível apresentam elevada eficiência e
durabilidade: O projecto de demonstração de pilha SOFC-25 kW no Japão tem 13000h de
operação e disponibilidade acima dos 90%; o projecto de100 kW na Holanda apresenta 42% de
eficiência enquanto que o sistema constituído por uma pilha de 250 kWe e micro turbina de 50
kWe (Siemens-Whestinghouse) apresenta uma eficiência de 60%.
Tarefa B1.2
61
Quanto à utilização do biogas neste tipo de células alguns trabalhos de investigação estão a
ser realizados. Esta tecnologia apresenta, em comparação com os outros tipos de células, de uma
eficiência mais elevada e uma menor sensibilidade às impurezas do biogás.
Tabela 2 – Projectos de demonstração instalados com pilhas de combustível tipo SOFC
A
no Cliente
Potên
cia da
célula
(KWe)
Tipo
de
células
Compriment
o da célula
(mm)
Núm
ero de
células
Operaçã
o
(h)
Combustív
el
1
986
TVA 0,4 TK-
PST
300 24 1760 H2/CO
1
987
Osaka Gás 3 TK-
PST
360 144 3012 H2/CO
1
987
Osaka Gás 3 TK-
PST
360 144 3683 H2/CO
1
987
Tokyo Gás 3 TK-
PST
360 144 4882 H2/CO
1
992
JGU-1 20 TN-
PST
500 576 817 GN
1
992
UTILITIES-A 20 TN-
PST
500 576 2601 GN
1
992
UTILITIES-B1 20 TN-
PST
500 576 1579 GN
1
993
UTILITIES-B2 20 TN-
PST
500 576 7064 GN
1
994
SCE-1 20 TN-
PST
500 576 6015 GN
1
995
SCE-2 27 AES 500 576 5582 GN
1
995
JGU-2 25 AES 500 576 13194 GN
1
998
SCE-
2/NFCRC
27 AES 500 576 13000+ GN
1
998
EDB/ELSAM 100 AES 1500 1152 4035+ GN
1
999
2
001
EDB/ELSAM
/
RWE
100 AES
1500 1152
12653
3701+
GN
2
000
SCE 220 AES 1500 1152 1522+ GN
2 OPG 250 AES 1500 2304 1200+ GN
Tarefa B1.2
62
002
2
002
FCT/RWE 5 AES 3100 GN
2
003
FCT/UAF 5 AES 2200 GN
2
003
FCT/JFW 5 AES 1600 GN
2
003
FCT Ford 5 AES 850
Figura 2 – Sistema instalado num projecto de investigação na Alemanha pilha
de 250 kWe e micro turbina de 50 kWe (Siemens-Whestinghouse)
Módulos de SOFC com alimentação a biogás na gama de 1 kWel (ENET, 1996) a 1 MWel
(Ledjeff-Hey et al., 2000) estão em fase de demonstração.
Como exemplo, temos a implementação de um pequeno módulo de SOFC instalado na
fazenda “Maison Blanche” em Lully, Switzerland. Esta fazenda explora há 9 anos a produção de
biogás proveniente dos animais domésticos e com o intuito de aproveitar essa recolha de uma
forma mais eficiente foi recentemente instalado no local um módulo de Sulzer HEXIS SOFC (1 kW)
(ENET, 1996), com finalidade de demonstração e da investigação (Jenne et al., 2002; Van herle et
al., 2002). Igualmente na Suiça, uma pilha combustível tipo SOFC, a operar com biogás, para
geração de energia eléctrica para uso doméstico, está presentemente em teste (Schuler, 2001)
Tarefa B1.2
63
3.1.3.1 PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO BIOSOFC – PROGRAMA LIFE - ESPANHA
Para além dos casos supra citados está de momento em curso um projecto de demonstração
denominado BioSOFC – Life program cujos promotor é uma empresa espanhola sedeada nas
Astúrias (BIOGAS FUEL CELL, S.A.). O objectivo desse projecto é o de projectar e instalar um
sistema composto por unidade de tratamento de combustível e por uma pilha de combustível do
tipo SOFC de potência 5 kW. Esse sistema será instalado em diversos aterros sanitários e será
avaliado o seu comportamento quando alimentado pelo biogás gerado nos aterros. O projecto terá
em linha de conta os requisitos e as normas de segurança assim como o necessário pré-tratamento
que é necessário fazer ao gás de aterro antes da sua alimentação à pilha.
Com vista a cumprir os objectivos desta tarefa foi agendada uma reunião com os promotores do
projecto, a quql irá ser realizada ainda durante o presente mês de Janeiro de 2007. Nessa reunião
pretende-se efectuar a avaliação das características do projecto e dos seus principais resultados
para além de recolher informação sobre alguns pontos considerados fulcrais para o bom
funcionamento do projecto de demostração a executar, nomeadamente no que concerne aos
aspectos referentes à operacionalidade e manutenção deste tipo de instalações.
3.1.4 PROJECTOS DE DEMONSTRAÇÃO COM ALIMENTAÇÃO DE BIOGÁS A CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO PAFC.
Este tipo de célula de combustível já está disponível hoje, comercialmente. Mais de 200 sistemas
de células de combustível têm sido instalados ao redor do mundo - em hospitais, casas de repouso,
hotéis, edifícios de escritórios, escolas, centrais de geração de energia, num terminal de aeroporto,
em aterros sanitários e em centrais de tratamento de água. As PAFCs geram eletricidade com mais
de 40% de eficiência – e cerca de 85% do vapor que estas geram é usado para co-geração – isto
compara-se de um modo muito favorável com o rendimento médio de produção de electricidade,
35%, nos Estados Unidos. A temperatura de operação desta células encontra-se na faixa de 150 -
200 ºC.
Porém, a utilização de células de combustível tipo PAFC com alimentação directa a biogás está
ainda e fase de demonstração. A descrição de um desses projectos de demonstração o seu historial
e principais resultados serão, nas secções seguintes, detalhadamente expostos.
Tarefa B1.2
64
3.1.4.1 PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO SITUADO EM PENROSE, CALIFÓRNIA
3.1.4.1.1 HISTORIAL DO PROJECTO
O ano de 1995 marcou o final de uma etapa importante para o estabelecimento das pilhas de
combustível como uma tecnologia promissora na utilização de biogás. Foi conduzida com sucesso
uma primeira demonstração da utilização de biogás em estações de Células de Combustível a
Ácido Fosfórico (sigla em inglês - PAFC) disponíveis comercialmente. Esta era a conclusão de um
programa de três fases que começou em 1990 quando a EPA (Environment Protection Agency dos
EUA) concedeu à IFC um contrato para demonstrar o uso do biogás com recuperação da energia. O
projecto consistia em dois pontos essenciais: (i) um método de limpeza do biogás, removendo os
contaminantes deste de forma a que as células de combustível operassem sem problemas e (ii) um
teste de demonstração em estações de células de combustível comerciais utilizando o biogás.
A primeira fase consistiu primeiramente num projecto conceptual, quantificação de custos e
num estudo de avaliação, tendo sido iniciada em Janeiro de 1991 (Sandelli, 1992). A Fase II teve
como missão a remoção de contaminantes do biogás, incluindo a construção e respectivo teste de
um módulo de pré-tratamento (Trocciola et al., 1995). Na Fase III foram testadas células de
combustível PC25TM nas instalações de um aterro que é propriedade da Pacific Energy Corporation
e se situa em Penrose em Sun Valley na Califórnia.
3.1.4.1.2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE PRÉ-TRATAMENTO DE BIOGÁS E RESULTADOS OBTIDOS
O projecto dos processos da unidade de pré-tratamento do biogás (sigla em inglês - GPU) e de
limpeza foi ditado pela pureza final do gás requerida para as células de combustível, pela
composição de entrada do biogás e da sua mistura complexa de contaminantes, e da capacidade
do processo de limpeza em lidar com as variações de composição do gás de entrada. O gás para as
células de combustível devia ser essencialmente livre de enxofre e halogéneos, consistindo
primeiramente numa mistura de metano, azoto, oxigénio e dióxido de carbono. As especificações
do projecto da GPU apenas permitem um nível máximo à saída de 3 ppm (V/V) de enxofre e 3 ppm
(V/V) de halogéneos. Estes níveis podem ainda ser removidos por um subsistema de limpeza interno
das estações de células de combustível.
O sistema de GPU consiste na remoção de H2S à temperatura ambiente, seguido de um
arrefecimento, condensação, secagem, novo arrefecimento, remoção de hidrocarbonetos (HC), e
numa filtração final. A unidade foi concebida para remover H2S e vapor de água nas etapas iniciais
do processo de modo a que o tratamento final possa ser realizado num leito de carvão activado
que é mantido a baixa temperatura e humidade constantes, garantindo uma remoção consistente
Tarefa B1.2
65
de elevados vestígios de contaminação. Este projecto torna o processo relativamente insensível a
variações da concentração do gás de entrada com o tempo fazendo com que seja um excelente
candidato para aterros. A GPU é constituída pelos três subsistemas seguintes: processo de
produção de gás limpo (purificação), processo da regeneração e processo de refrigeração.
A GPU foi testada com sucesso durante a Fase II deste projecto. Os resultados detalhados dos
testes bem como o plano de testes podem ser vistos na referência [3], contudo serão a seguir
sumariados juntamente com novos dados fornecidos pela Fase III.
Após ter terminado 216 h de operação contínua e um total de 616 h desde o primeiro arranque
da GPU, testes de desempenho foram conduzidos com períodos de 3 dias, no começo, no meio, e
no fim dos ciclos regenerativos do leito, para avaliar o desempenho de ciclos normais de 8 h dos
dois leitos regenerativos (leito do secador e de carbono). Em tempos específicos, as amostras
existentes no saco de Tedlar foram recolhidas dos distribuidores de amostragem posicionados na
GPU e nas entradas e saídas da tocha. Estas amostras foram analisadas fora do local usando
cromatografia gasosa/espectrofotometria de massa (GC/MS) para a detecção de compostos
orgânicos voláteis (COVs) e GC/ fotométrica de chama (FPD) para compostos de enxofre.
Adicionalmente, os compostos de enxofre foram medidos na entrada e na saída da GPU usando
GC/FPD em série. Nenhuma medição em série ou in situ foi utilizada para COVs porque se
encontrou a partir de uma análise usando uma garrafa contendo uma amostra de gás padrão que a
matriz do biogás pode ter influenciado os resultados.
Os resultados de um dos ciclos demonstram que a GPU foi muito eficaz na remoção dos
compostos de enxofre e COVs. Para compostos de enxofre, as concentrações à saída da GPU
estavam abaixo dos limites de detecção (0,01 ppm (V/V) usando o método em série e 0,004 ppm
(V/V) para as análises do fora do local) ou numa escala em ppb (V/V). Da mesma forma os
halogenados e outros COVs foram detectados com níveis inferiores a 0,002 ppm (V/V) à excepção
do cloreto de metileno, para o qual foram detectados vestígios em níveis inferiores a 0,02 ppm
(V/V). Os halogéneos totais (como cloretos) foram reduzidos a uma concentração média de entrada
de 60 ppm (V/V) e uma concentração da saída que varia de não detectável a 0,032 ppm (V/V). A
única espécie detectada na saída foi o cloreto de metileno. Tomando o nível mais elevado de
halogéneos na saída (0,032 ppm (V/V) como cloretos) e dividindo pela média dos halogéneos totais
na entrada (60 ppm(V/V) como cloretos) temos um rendimento referente à eficiência da remoção
de pelo menos de 99,95% para halogéneos.
O valor médio da concentração do enxofre total (medido como o H2S) à entrada do adsorvedor
é de 130ppm (V/V) (média de três testes) e à saída vária de não detectável a 0,047 ppm (V/V). A
eficiência total da remoção deste componente é de pelo menos de 99,96%. A única espécie de
enxofre detectada à saída da GPU é o sulfito carbónico
A concentração dos componentes particulados foi medida à saída do GPU em três ensaios,
sendo os valores destes sempre inferiores à gama detectável.
Tarefa B1.2
66
Os silanos e os siloxanos foram medidos também diversas vezes no mesmo local com uma
sensibilidade crescente, contudo o valor destes era sempre inferior ao limite de detecção de
0,076mg/cm3 a PTN na base seca. Devido a ter-se obtido valores baixos dos referidos componentes
à entrada, não foram retiradas medições destes à saída da GPU.
Tal como os componentes anteriores a quantidade de fenol foi medida à entrada da GPU. O
valor deste era inferior ao limite de detecção de 0,03ppm (V/V).
Em suma, a unidade de pré-aquecimento de biogás está a operar com uma eficiência de
remoção global de contaminantes superior a 99,9%, sendo assim o gás proveniente desta unidade
apresenta todos os requisitos necessários para alimentação de estação de células de combustível.
Um bom indicador global do desempenho de limpeza da GPU foi a remoção de NMOCs.
(compostos orgânicos para além do metano) Nos NMOCs totais (medidos como metano) verificou-
se uma redução de um valor à entrada de 5700 ppm (V/V) para um valor à saída de 13,8 ppm, ou
seja uma eficiência global remoção de 99,8%. Estes componentes não necessitam ser removidos
do biogás que alimenta estações de células de combustível, contudo a elevada eficiência de
remoção destes componentes é um indicador de alta potencialidade das GPU.
Os dados dos testes para a tocha da GPU estão sumariados na bibliografia [3]. Neste local
constatou-se que a destruição dos compostos COVs e de enxofre excederam os 99% e que as
concentrações de NOx e de CO à saída deste tinham valores de 10,4 e 3,0 ppm (V/V),
respectivamente. A matéria particulada tinha uma concentração média de 0,03 mg/m3.
Uma amostra do condensado foi recolhida do primeiro condensador durante a primeira hora de
cada ciclo para um total de três amostras. Não existia qualquer condensado no segundo
condensador. Para cada amostra foram analisadas os compostos de enxofre através de GC/FPD e os
COVs por GC/MS (cromatografia em fase gasosa com separação por peneiro molecular). Os
constituintes dos COVs encontrados foram acetona e 2-butanona. As concentrações médias destes
foram 16700 µg/l de acetona e 12700 µg/l de 2-butanona. O constituinte que se encontrou nos
compostos de enxofre com maior concentração foi o sulfureto dimetil (1720 µg/l). Um componente
de enxofre desconhecido foi detectado fazendo com que o valor da concentração total deste
elemento aumentasse para um valor 33000 µg/l.
3.1.4.1.3 DESCRIÇÃO PROJECTO DE DEMONSTRAÇÃO. PRINCIPAIS RESULTADOS
A transformação de biogás em energia consiste num conjunto de poços de biogás e respectivo
sistema de recolha fornecidos pela Pacific Energy nas suas instalações em Penrose, numa GPU
modular (atrás descrita), numa estação de células de combustível PC25 NG de 200 kW construída
pela ONSI Corporation e modificada para operar com biogás, num módulo refrigeração, e numa
conexão à rede. O biogás é recolhido de quatro poços independentes, é colectado no local e
Tarefa B1.2
67
comprimido a 90 psig (6,2 x l05 Pa relativos) antes de ser conduzido para a GPU onde são
removidos os contaminantes e o vapor para níveis adequados ao funcionamento das células de
combustível. O biogás limpo é então convertido em corrente alterna a ser comercializada. O calor
gerado na co-geração pela estação de células de combustível será rejeitado por um módulo de
refrigeração a ar.
A estação de células de combustível PC25 foi projectada para produzir 200 kW de energia
eléctrica e quando opera com gás natural liberta calor numa gama de 8,72-10,68 kcal/SL. O biogás
contém quantidades significativas de N2 e de CO2, baixando o valor para cerca de 4,45 kcal/SL. Esta
estação a operar com esse biogás produz aproximadamente 140 kW de energia. Para aumentar
esta produção é necessário aumentar o caudal de biogás de modo a se obter valores equivalentes
aquando da utilização de gás natural como combustível. Contudo as modificações necessárias para
tal não foram realizadas neste projecto.
As únicas modificações às células de combustível eram aquelas que poderiam ser instaladas em
campo a partir de kits projectados e fabricados pela IFC. Estas modificações incluíram uma válvula
de controlo de combustível maior e um venturi para o caudal de combustível, uma nova forma do
orifício de recirculação de combustível, um novo cátodo no orifício de saída e uma nova válvula de
corte na entrada do combustível. Adicionalmente, houve modificações no software de controlo.
O teste de campo começou na segunda semana de Dezembro 1994 e durou aproximadamente
6 semanas com a realização de oito testes. Durante este período, a estação de células de
combustível operou durante 707 h com biogás. Das oito paragens programadas, quatro foram
devido a causas inerentes ao local onde funcionava a instalação (uma paragem devido a um disparo
do disjuntor de circuito de Penrose, outra devido a uma perda da pressão de gás do aterro sanitário
quando a estação de poder de Penrose foi fechada para a manutenção, e duas paragens quando o
aterro sanitário ficou parcialmente desactivado). Três paragens programadas deveram-se ao GPU
(duas devido ao sistema de refrigeração da estação de células de combustível e uma devido a um
sensor de chama), e uma paragem programada era devido a uma falha do módulo do sensor do
ventilador de refrigeração do inversor no sistema de controlo da estação de células de combustível.
A estação de células de combustível operou até 137 kW, 3 kW abaixo do objectivo para a
operação com biogás em Penrose. Foi seleccionado um nível de operação de 120 kW nos testes de
campo de forma a fornecer uma margem para a operação constante da PCtendo em conta as
alterações na qualidade do gás do aterro activo (Bradley). A eficiência estação de células de
combustível foi calculada sobre dois períodos durante o teste de campo. A eficiência durante um
primeiro período de 6 dias de operação contínua foi de 37,1%. O segundo período cobriu 8 dias
com uma eficiência média de 36,5% incluindo uma pequena paragem.
As emissões gasosas da estação de células de combustível são as seguintes: NOx = 0,12 ppm
(V/V), SO2 = não detectável (limite de detecção: 0,23 ppm (V/V)) e CO = 0,77 ppm (V/V). Todas as
Tarefa B1.2
68
leituras são relativas a gás seco, corrigido para 15% O2. Os dados são baseados numa média de
seis medições, efectuadas continuamente.
Baseado na avaliação ambiental e económica do sistema de células de combustível
comercialmente disponível, há um grande potencial de mercado para esta tecnologia de conversão
energética: (i) O sistema de conversão de energia de células de combustível a biogás proporciona
uma redução das emissões totais enquanto simultaneamente é removido o metano do biogás. (ii)
com os preços iniciais do produto as células de combustível serão mais competitivas em locais onde
ocorre a produção de biogás e em locais em que existe um elevado custo eléctrico ou em regiões
com taxas comerciais médias onde o calor residual proveniente das células de combustível possa ser
utilizado. (iii) quando se atingirem preços dos produtos projectados, as células de combustível
podem fornecer no futuro retornos líquidos aos proprietários de aterros. Isto pode no longo prazo
resultar no controlo das emissões de metano para a atmosfera sem qualquer custos adicionais para
consumidor.
As unidades de pré-aquecimento de gás utilizadas na limpeza do biogás utilizado nas células de
combustível foram projectadas, instaladas, testadas e validadas com sucesso, tais como é mostrado
nas seguintes indicações sumárias: (i) Um licença foi concedida pela South Coast Air Quality
Management District em operação na bacia Los Angeles. (ii) Um total de 2297 h de operação,
incluindo 709 h de operação com células de combustíve. (iii) Uma remoção documentada do
enxofre total superior, a que é necessária para a operação das células de combustível (<3 ppm (V/V)
em enxofre total) com concentrações de contaminantes inferiores a 0,047 ppm (V/V). (iv) uma
remoção documentada de halogéneos totais superior à requerida para o funcionamento das células
de combustível (<3 ppm (V/V) em halogéneos total) com concentrações de contaminantes
inferiores a 0,032 ppm (V/V). (v) A tocha do GPU garante uma destruição efectiva dos
contaminantes do biogás acima de 99%.
Tarefa B1.2
69
3.2 – VISITAS A INSTALAÇÕES DE DEMONSTRAÇÃO
Após os primeiros contactos com os promotores do projecto de demonstração BioSOFC –
Programa Life - Espanha
Realizou-se uma visita a uma instalação de demonstração a uma instalação de
demonstração que era constituída por um sistema SOFC (5 kW) a operar com bogas proveniente da
digestão anaeróbia de resíduos animais (de um matadouro).
A pilha de combustível em questão era do fornecedor FCT (Fuel Cell Technology) com a
potência eléctrica de 5 kW.
Figura 3 - Fotografia da pilha de combustível SOFC a instalar no âmbito do projecto BioSOFC.
Durante a visita foram efectuadas as seguintes tarefas:
• Reunião com os promotores para troca de informações.
• Visita à instalação piloto de limpeza do biogás.
• Visita ao local de instalação da pilha combustível
Para além da aquisição de know-how acerca de toda a logística necessária para a realização
de um projecto deste tipo, a visita efectuada serviu também para verificar a importância de um
bom sistema de instrumentação e controlo e um eficaz método de pré-tratamento do biogás por
forma garantir o bom funcionamento do sistema.
No caso concreto da instalação visitada, a limpeza do biogás era efectuada através de um
tratamento aeróbio do mesmo para além de um sistema de filtragem por carvão activado que
PPiillhhaa ddee ccoommbbuussttíívveell SSOOFFCC
Tarefa B1.2
70
permitia assegurar a composição do gás dentro de certos limites que evitam o envenenamento da
pilha. (Figura 4)
Figura 4 - Fotografias do sistema piloto de limpeza do biogás (biofiltros e carvão activado) instalado no
âmbito do projecto BioSOFC.
BBiiooffiillttrroo ppaarraa bbiiooggááss
Tarefa B1.2
71
4444.... CCCCONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES GGGGERAISERAISERAISERAIS
Baseado na avaliação ambiental e económica de resultados de projectos de demonstração de
células de combustível a operar com biogás, podemos concluir que há um grande potencial de
mercado para esta tecnologia de conversão energética. As principais vantagens serão:
- O sistema de conversão de energia de células de combustível a biogás proporciona uma
redução das emissões totais enquanto simultaneamente é removido o metano do biogás. -- Com
preços iniciais do produto as células de combustível serão mais competitivas em locais onde ocorre
a produção de biogás e em locais em que existe um elevado custo eléctrico ou em regiões com
taxas comerciais médias onde o calor residual proveniente das células de combustível possa ser
utilizado;
- Quando se atingir preços dos produtos projectados, as células de combustível podem fornecer
no futuro retornos líquidos aos proprietários de aterros. Isto pode no longo prazo resultar no
controlo das emissões de metano para a atmosfera sem qualquer custos adicionais para
consumidor.
As unidades de pré-tratamento do biogás utilizadas nos projectos foram igualmente testadas e
validadas com sucesso.
Através da recolha da experiência de outros projectos podemos provar a exequibilidade do
projecto de demonstração a instalar na LIPOR no âmbito desta actividade B2.
Tarefa B1.2
72
5555.... RRRREFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIAS BBBBIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICAS
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• Ferreira, P.;( 2004) “The usage of biogas in Fuel cell systems”, CIEMAT-CSIC, Madrid, Spain,
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Tarefa B1.2
73
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• Van herle J., Y. Membrez, O. Bucheli, 2004, “Biogas as a fuel source for SOFC co-generators”, J.
Power Sources 127 pp. 300.
Tarefa B1.3
Contactos com instituições independentes de avaliação,
licenciamento e normalização
Tarefa B1.3
75
ÍÍÍÍNDICENDICENDICENDICE
1. Especificações de ligação à rede de uma instalação de produção de energia eléctrica …………………………………………………………………………………………….……..76
2. Licenciamento de uma central de microgeração………………………………………………..…..79
2.1. Acções desenvolvidas ao abrigo do D.L. nº 68/2002 de 25 de Março............................ 79
2.2. Acções desenvolvidas entre o promotor e a EDP-Distribuição – Gabinete de Compra de
Energia.................................................................................................................................. 82
2.3. Outras acções a desenvolver ....................................................................................... 84
2.4. Resumo cronológico de actividades............................................................................. 84
2.5. Lista de anexos........................................................................................................... 86
3.Medição da energia vendida ao SEP ……………………………………………………...…87
4. Avaliação acústica da instalação……………………………………………………………….…..89
Anexos…………………………………………………………………………………….……………..90
Tarefa B1.3
76
1.1.1.1. EEEESPECIFICAÇÕES DE LIGSPECIFICAÇÕES DE LIGSPECIFICAÇÕES DE LIGSPECIFICAÇÕES DE LIGAÇÃO À REDE DE UMA IAÇÃO À REDE DE UMA IAÇÃO À REDE DE UMA IAÇÃO À REDE DE UMA INSTALAÇÃO DE PRODUÇÃNSTALAÇÃO DE PRODUÇÃNSTALAÇÃO DE PRODUÇÃNSTALAÇÃO DE PRODUÇÃO DE O DE O DE O DE
ENERGIA ELÉCTRICAENERGIA ELÉCTRICAENERGIA ELÉCTRICAENERGIA ELÉCTRICA
A pilha de combustível que se pretende instalar não vai exceder os 10 kW. Segundo a
legislação em vigor, presente no Decreto-Lei n.º 168/99 de 18 de Maio, que especifica a potência
aparente máxima que é possível ligar à rede pública para cada nível de tensão (baixa, média e alta
tensão), a ligação da pilha de combustível deverá ser efectuada à baixa tensão, de modo a
assegurar o correcto funcionamento da mesma.
Os centros de produção de energia eléctrica devem respeitar a legislação em vigor de forma
a:
� Não diminuir a qualidade do serviço fornecido aos consumidores da rede pública;
� Evitar que se transfiram para a rede pública as perturbações que se verifiquem no
funcionamento do sistema produtor;
� Minimizar os investimentos na instalação de produção e na sua ligação do sistema
produtor, sem prejuízo de qualidade técnica suficiente.
De seguida especificam-se mais em pormenor as restrições aplicadas ao sistema produtor
de energia eléctrica.
Potência de curto-circuito
De forma a evitar excessivas perturbações de tensão na rede, a potência aparente do sistema
de produção de energia eléctrica não pode exceder 4% da potência de curto-circuito mínima no
ponto de interligação, para sistemas ligados à rede pública de baixa tensão (BT).
SccS %.4<
Tarefa B1.3
77
Factor de potência
Assumindo que a pilha em questão pode ser considerada dentro do grupo de geradores
síncronos, o factor de potência deverá manter-se entre 0.8 indutivo e 0.8 capacitivo perante
variações na tensão da rede pública dentro dos limites legais.
Desvio de tensão
Para instalações com potência aparente inferiores a 500 kVA, é admissível um desvio de
tensão até 0.1 p.u., em relação à tensão de referência da rede.
Desvio de frequência
Para instalações com potência aparente inferiores a 500 kVA, é admissível um desvio de
frequência de ±0.3 Hz, em relação à frequência de referência da rede.
Desvio de fase
Para instalações com potência aparente inferiores a 500 kVA, é admissível um desvio de fase
de ±20º, em relação à fase da tensão da rede.
Distorção harmónica
Tarefa B1.3
78
A limitação das harmónicas de tensão gerada pelos produtores independentes deve ser
controlada de modo a evitar efeitos prejudiciais nos equipamentos instalados pelos consumidores
da rede receptora.
Em condições normais de exploração, 95% dos valores eficazes médios de 10 minutos de
cada tensão harmónica não devem exceder os níveis de referência indicados na Tabela 1, por cada
período de medição de uma semana.
Tabela 1 – Níveis de referência para as tensões harmónicas
BT
3ª 5,0%
5ª 6,0%
7ª 5,0%
9ª 1,5%
11ª 3,5%
13ª 3,0%
15ª 0,5%
DHT 8,0%
Regime de neutro
O regime de neutro da instalação de produção deve ser compatível com o regime do neutro
existente na rede receptora a que fornece energia. Deste modo, quando a interligação é feita entre
a instalação de produção e a rede de BT, o neutro dos geradores, quando existir, deve ser ligado ao
neutro da rede.
O corte da interligação deve interromper todos os condutores activos, incluindo o neutro, se
existir.
Tarefa B1.3
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2.2.2.2. LLLLICENCIAMENTO DE UMA ICENCIAMENTO DE UMA ICENCIAMENTO DE UMA ICENCIAMENTO DE UMA CENTRAL DE MICROGERACENTRAL DE MICROGERACENTRAL DE MICROGERACENTRAL DE MICROGERAÇÃOÇÃOÇÃOÇÃO
A actividade de micro-cogeração com auto consumo com injecção na rede pública de BT
superior a 3,68 kVA em monofásico e 11,04 kVA e potência inferior a 150 kW, está enquadrada,
em termos legais, pelo D.L. n.º 68/2002, de 25 de Março e pelo Despacho de Director-Geral de
Energia, de 29 de Outubro de 2003 “Procedimentos de licenciamento de instalações eléctricas de
microprodução com autoconsumo do grupo II”.
Para além das acções previstas ao nível do relacionamento com a Direcção Regional do
Ministério da Economia (DRE), o processo de licenciamento inerente pressupõe, também, um
conjunto de acções a desenvolver entre o promotor do projecto e a entidade titular da licença
vinculada de distribuição de energia eléctrica em BT, a operar na zona em que se pretende fazer a
interligação (EDP-Distribuição).
2.1. ACÇÕES DESENVOLVIDAS AO ABRIGO DO D.L. Nº 68/2002 DE 25 DE MARÇO
De seguida especificam-se as acções a desenvolver ao abrigo do D.L. n.º 68/2002 de 25 de
Março, de forma a licenciar uma instalação de micro-cogeração:
1.1 O promotor deverá solicitar à EDP-Distribuição, as informações necessárias para a
elaboração do projecto – Ponto de Recepção (Nº PT), Tensão, Potência, Potência de curto-
circuito (Pcc), Regime de neutro com que é explorada a rede no eventual local de interligação,
características do cabo escolhido pela EDP-Distribuição e Dispositivos de Segurança adequados.
Refira-se que as informações de Pcc e as características do cabo são essenciais para calcular a
potência máxima de ligação a jusante do ramal a estabelecer (4% Pcc). A EDP-Distribuição
deverá responder no prazo máximo de 30 dias.
1.2 O promotor deverá apresentar o pedido de autorização de instalação de micro-cogeração
junto da DRE territorialmente competente. O pedido deverá ser acompanhado pelo projecto
(em duplicado) e pelos seguintes elementos:
Tarefa B1.3
80
� Requerimento de Licença de Estabelecimento dirigido ao Director Regional do
Ministério da Economia (Anexo 1).
� Requerimento de Licença de Estabelecimento dirigido ao Director Regional do
Ministério da Economia (Anexo 1);
� Ficha de informações para projecto, com informação fornecida pela EDP-Distribuição
referente à potência de ligação, tensão, ponto de recepção, potência de curto-circuito
mínima, ramal de ligação, ponto de ligação, regime de neutro compatível com a rede
pública e dispositivos de segurança (Anexo 2);
� Comprovativo do licenciamento municipal, ou da isenção, das edificações da instalação
de utilização;
� Termo de responsabilidade pelo projecto das instalações de produção - consumo e
eventual rede de venda de energia a terceiros (Anexo 3).
O projecto apresentado deverá conter os seguintes elementos:
� Ficha de identificação do projecto (Anexo 4);
� Memória descritiva e justificativa indicando a natureza, importância, função e
características das instalações de utilização, de produção - consumo e as de eventuais
terceiros consumidores, as condições gerais do seu estabelecimento e da sua
exploração, sistema de ligação à terra compatível com a do distribuidor público, as
disposições principais do equipamento de produção de energia eléctrica
(microgeradores), origem e destino da energia a produzir, as características dos
aparelhos de protecção contra sobreintensidades, sobretensões, poder de corte e os
respectivos cálculos;
� Descrição, tipos e características dos equipamentos de produção de energia eléctrica
(microgeradores), aparelhagem de corte e protecção, bem como a indicação das
Normas e certificação a que obedecem;
� Planta geral de localização da instalação, devidamente assinalada, em escala não
inferior a 1/25 000;
� Planta com implantação de toda a instalação do produtor - consumidor e de eventuais
terceiros, em escala não inferior a 1/2000;
� Plantas, alçados e cortes, em escala não inferior a 1/200, da instalação com a disposição
do equipamento de produção, da interligação e de toda a instalação de utilização
consumidora, com pormenor suficiente para se verificar o cumprimento das disposições
regulamentares de segurança;
Tarefa B1.3
81
� Esquemas unifilares dos quadros e esquemas eléctricos gerais das instalações, com
indicação de todos os aparelhos de medida, contagem, protecção, comando e
características dos cabos e condutores.
1.3 A DRE, após análise do projecto, e antes de conceder a Licença de Estabelecimento,
procede à emissão de uma factura, referente à Taxa de Estabelecimento de Serviço Particular.
1.4 Após envio de confirmação à DRE, do pagamento da referida Taxa, junto da Tesouraria da
Fazenda Pública, a DRE emite Licença de Estabelecimento.
1.5 Após a conclusão das obras (ou ligeiramente antes da sua conclusão), de acordo com o
projecto aprovado, o promotor deverá solicitar a Vistoria da instalação junto da DRE. Os
documentos a enviar são:
� Requerimento de Vistoria (Anexo 5);
� Termo de Responsabilidade pela Execução da Instalação (Anexo 6);
� Termo de Responsabilidade pela Exploração das Instalações (Anexo 7);
� Ficha de Execução (Modelo nº 936 da IN-CM);
� Relatório tipo do Técnico Responsável (Modelo 937 da IN-CM);
� Fotocópia do contrato de prestação de serviços (anexo IV do Dec. Reg. 31/83, de 18-4),
ou declaração assinada pelo técnico responsável e o requerente, a atestar que foi
cumprido o prescrito no artigo 23º. do Estatuto do Técnico Responsável por Instalações
Eléctricas de Serviço Particular (Anexo 8). Em alternativa, e no caso do técnico
responsável pertencer aos quadros da empresa promotora, poderá enviar-se uma
declaração assinada pelo Responsável pela Exploração e o Requerente, atestando o
modo de exploração da central (Anexo 9);
� Comprovativo da inscrição do instalador (parte eléctrica) no IMOPPI (Instituto dos
Mercados das Obras Públicas e dos Particulares do Imobiliário).
1.6 Após realização de Vistoria, a DRE emite a Licença de Exploração.
1.7 Após a entrada em exploração, o promotor deverá, anualmente, fornecer à DGGE,
informação sobre os quantitativos de energia eléctrica produzida, e os quantitativos de energia
eléctrica adquirida e vendida ao SEP, assim como os quantitativos de energia eléctrica
consumida ou eventualmente vendida a terceiros. Esta informação deverá ser prestada no 1º
trimestre após o período anual em referência.
Tarefa B1.3
82
2.2. ACÇÕES DESENVOLVIDAS ENTRE O PROMOTOR E A EDP-DISTRIBUIÇÃO – GABINETE DE COMPRA DE ENERGIA
As acções a desenvolver entre o promotor do projecto e a EDP Distribuição, mais
precisamente o Gabinete de Compra de Energia, especificam-se de seguida:
2.1 O promotor solicita informação técnica sobre o Ponto de Recepção à EDP-Distribuição –
Gabinete de Compra de Energia (GBCE). Ver ponto 1.1.
2.2 Uma vez “concedido” o Ponto de Recepção pela EDP-Distribuição - GBCE, e após a
realização de um “ante-projecto” de engenharia, o promotor deverá solicitar à mesma
entidade, um pedido de orçamento e definição das condições de execução do Ramal de
Ligação da instalação de Microgeração. Note-se que, tal como no ponto anterior, apesar de a
informação solicitada ser de cariz técnico e estar sob a competência da Direcção de
Planeamento de Rede (DPR) e da Área de Rede em que se insere a instalação, deverá manter-se
como interlocutor da EDP-Distribuição, o GBCE.
2.3 A EDP-Distribuição - GBCE deverá orçamentar o referido ramal, descrever as respectivas
condições de execução da obra e enviar esta informação para o promotor. Considera-se que
todo o processo será simplificado se for nomeado, nesta fase, um interlocutor da Área de Rede
da EDP-Distribuição do local em que se insere a instalação, de modo que haja uma maior
coordenação com o promotor, nomeadamente, ao nível do esclarecimento das condições de
obra / orçamentação.
2.4 Em condições normais (preços / condições de execução de mercado), deverá optar-se por
adjudicar a execução do ramal à EDP-Distribuição, uma vez que esta medida resultará numa
simplificação e maior integração de todo o processo. Caso decida adjudicar a obra do ramal à
EDP-Distribuição, o promotor deverá fazê-lo junto da EDP-Distribuição – GBCE.
2.5 Durante a fase de execução da obra (ramal), a EDP-Distribuição - GBCE poderá vir a delegar
na Área de Rede respectiva todo o acompanhamento operacional (nomeadamente, para mais
fácil coordenação com os “empreiteiros da EDP-Distribuição”). Este acompanhamento
Tarefa B1.3
83
operacional deverá ser assegurado também pelo promotor (melhor conhecimento das
especificações / condições locais).
2.6 No caso de o promotor desejar a instalação de Telecontagem, o promotor deverá formalizar
o respectivo pedido junto da EDP-Distribuição - GBCE, que por sua vez, coordenará com o
Gabinete de Telecontagem (GBTC).
2.7 A EDP-Distribuição - GBCE deverá orçamentar e descrever as respectivas condições
instalação de Telecontagem e enviar esta informação para o promotor.
2.8 No caso de o promotor aceitar as condições propostas para a Telecontagem, deverá
coordenar-se a instalação entre o GBCE, o GBTC e o promotor.
2.9 A EDP-Distribuição - GBCE deverá enviar ao promotor minutas dos seguintes documentos:
� Contrato de compra e venda de energia;
� Protocolo de exploração (Anexo 10);
� Auto de ligação (Anexo 11).
2.10 Na posse dos documentos acima, o promotor deverá enviar à EDP-Distribuição - GBCE as
seguintes informações:
� Identificação do signatário do contrato de compra e venda de energia e indicação do
respectivo cargo;
� Identificação do signatário do protocolo de exploração, incluindo indicação do n.º de
inscrição na DGE;
� Identificação do responsável pela operação local, incluindo n.º de telefone, fax e n.º de
inscrição na DGE;
� Identificação do signatário do auto de ligação;
� Identificação do interlocutor do Promotor, incluindo n.º de telefone, fax, e-mail e n.º de
inscrição na DGE.
2.11 Uma vez concedida pela DRE a Licença de Exploração, haverá lugar à assinatura do
contrato, a estabelecer entre o respectivo signatário do lado do promotor e a EDP-Distribuição.
2.12 Uma vez concedida pela DRE a Licença de Exploração, haverá lugar à assinatura do
protocolo de exploração, a celebrar entre o respectivo signatário do lado do promotor e a EDP-
Distribuição.
Tarefa B1.3
84
2.13 Uma vez assinados, o contrato e o protocolo de exploração, e imediatamente antes da
colocação do ramal em tensão, deverá ser assinado o auto de ligação, pelo respectivo
signatário do lado do promotor e pela EDP-Distribuição.
2.3. OUTRAS ACÇÕES A DESENVOLVER
No que toca às obras de construção civil eventualmente necessárias à instalação da central,
e sempre que se justifique, deverão ser realizados os projectos de arquitectura, especialidade e
execução, e apresentados nos foros competentes, a nível municipal.
2.4. RESUMO CRONOLÓGICO DE ACTIVIDADES
Do conjunto de actividades listadas nos pontos 1 e 2, apresenta-se, na Tabela 1, uma
ordenação possível para o conjunto de acções a desenvolver no processo de licenciamento /
implementação de uma unidade de micro-cogeração.
Refira-se que a ordem estabelecida tem por base, ou o modo como se realizou, tendo em
conta a experiência prévia adquirida a este nível (unidade da LABELEC), ou modo como se
consideraria desejável realizar, em resultado de uma análise crítica efectuada aos “erros” ocorridos
na referida experiência
Tabela 1 – Ordenação cronológica das actividades
Sequênc
ia
N. º
Activ.
Actividade Comentári
o
1º 1.1=2.1 Pedido informação EDP-Distribuição 1
2º 2.2 Pedido orç. ramal EDP-Distribuição
3º 1.2 Pedido autorização instalação DRE 2
4º 2.3 Apres. orç. ramal EDP-Distribuição
Tarefa B1.3
85
5º 1.3 Emissão factura taxa DRE
6º 1.4 Emissão licença estabelecimento DRE
7º 2.4 Adjudicação ramal EDP-Distribuição
8º 2.5 Execução ramal
9º 1.5 Pedido vistoria DRE 3
10º 2.6 Pedido orç. telecont. EDP-Distribuição
11º 2.7 Apres. orç. telecont. EDP-Distribuição
12º 2.8 Adjudicação telecont. EDP-Distribuição
13º 1.6 Emissão licença exploração DRE
14º 2.9 Envio minutas docs. EDP-Distribuição
15º 2.10 Envio informações EDP-Distribuição
16º 2.11 Ass. cont. comp/vend EDP-Distribuição
17º 2.12 Ass. protocolo explor. EDP-Distribuição
18º 2.13 Ass auto ligação EDP-Distribuição
19º 1.7 Informação anual DGE
1 – Esta actividade compreende também a resposta por parte da EDP-Distribuição. Havendo
uma referência legal para o período máximo de resposta, por parte da EDP-Distribuição, estima-se
para a duração desta actividade, os 30 dias definidos para a resposta daquela instituição.
2 – O pedido de autorização de instalação de micro-cogeração junto da DRE inclui o projecto de
engenharia associado à unidade. Nesse sentido, trata-se de uma actividade consumidora em termos
de tempo, e a sua duração depende fortemente do tipo de instalação.
3 – Formalmente, o pedido de vistoria pela DRE deve ser apresentado logo que a obra esteja
concluída. Contudo, dado o tempo de resposta das entidades competentes, considera-se prudente,
efectuar o referido pedido (assim como a preparação de toda a documentação inerente), cerca de
duas ou três semanas antes do fim, estimado, da obra.
NOTA Refira-se que, no relacionamento com a DRE, é possível ir monitorizando o estado do
processo. Aconselha-se, de resto, o conhecimento das pessoas responsáveis pela avaliação (técnica
e administrativa) do processo, no sentido de mais facilmente prestar todos os esclarecimentos
necessários e resolver eventuais problemas que surjam.
Tarefa B1.3
86
2.5. LISTA DE ANEXOS
Na Tabela 2 apresenta-se uma listagem dos anexos referidos ao longo do texto, associando-
se cada um deles à actividade a que diz respeito.
Tabela 2 – Lista de anexos
N.º Anexo Actividade
1 Requerimento licença de estabelecimento - DRE 1.2
2 Ficha informações projecto - EDP-Distribuição 1.1, 1.2, 2.1
3 Termo responsabilidade projecto 1.2
4 Ficha identificação projecto 1.2
5 Requerimento vistoria - DRE 1.5
6 Termo responsabilidade execução instalações 1.5
7 Termo responsabilidade exploração instalações 1.5
8 Declaração técnico responsável exploração (estatuto) 1.5
9 Declaração técnico responsável exploração (interno) 1.5
10 Protocolo exploração 2.9, 2.12
11 Auto ligação 2.9, 2.13
12 Requerimento licenciamento gás - DRE 3
13 Requerimento licenciamento gás – Câmara Municipal 3
Tarefa B1.3
87
3.3.3.3.MMMMEDIÇÃO DA ENERGIA VEEDIÇÃO DA ENERGIA VEEDIÇÃO DA ENERGIA VEEDIÇÃO DA ENERGIA VENDIDA AO NDIDA AO NDIDA AO NDIDA AO SEPSEPSEPSEP
O ponto 4 da regulamentação do D.L. 68/2002, de 25 de Março, especifica a forma de
medição de energia vendida ao SEP. Deste modo, temos que, para um cliente alimentado
directamente pela Rede Pública de BT com potência contratada não superior a 41,40kVA., a
contagem de energia eléctrica consumida pelo utilizador na instalação é feita por meio de um
contador de energia activa de ligação directa e o controlo da potência contratada é feito por meio
de um disjuntor de entrada calibrado para a corrente correspondente a essa potência. O controlo
da potência contratada deve passar a ser feito por um contador que permita a medição da ponta
tomada em 15 min.
Quando esse cliente passar a Produtor, deve ser suprimido o disjuntor de entrada, a fim de
permitir ao Produtor injectar, potência na rede, respeitando a regra legal de consumir um mínimo
de 50 % da energia produzida. A medição da energia entregue ao SEP deve ser feita por meio de
um contador idêntico ao do distribuidor (mas propriedade do Produtor). Deve ainda existir um
outro contador que permita a medição da energia total produzida pela instalação de produção, do
qual o produtor deve dar conhecimento à entidade licenciadora da instalação os registos, para
efeitos de controlo da relação entre as energias produzida e entregue ao SEP.
O “Órgão de Corte de Segurança” poderá ser substituído por um dispositivo de comando à
distância, do “Órgão de Corte da Interligação”, de modo a tornar possível o encravamento do
“Órgão de Corte da Interligação”, na posição aberto, bem como a sua religação, pelo pessoal do
Distribuidor, sempre que não seja conveniente a injecção de energia do microgerador na rede de
distribuição pública. Deve ser obtida a aprovação prévia do Distribuidor para o tipo e localização do
dispositivo de comando à distância a usar, e de forma a garantir a sua inacessibilidade a terceiros.
Tarefa B1.3
88
Figura 1 – Esquema de contagem de energia vendida ao SEP.
Tarefa B1.3
89
4.4.4.4. AAAAVALIAÇÃO ACÚSTICA DAVALIAÇÃO ACÚSTICA DAVALIAÇÃO ACÚSTICA DAVALIAÇÃO ACÚSTICA DA INSTALAÇÃO INSTALAÇÃO INSTALAÇÃO INSTALAÇÃO
Do ponto de vista ambiental, importa avaliar o processo de micro-cogeração em termos de
emissões sonoras.
O Regulamento Geral do Ruído, aprovado pelo D.L. n.º 9/2007, de 27 de Fevereiro,
enquadra, em termos legais, as actividades ruidosas em geral. Em particular, são definidos os níveis
máximos de ruído admissíveis em zonas sensíveis ou mistas.
O local onde se pretende instalar a Pilha de Combustível - Instalações da Lipor (Serviço
Intermunicipalizado de Gestão de Resíduos do Grande Porto) – é uma instalação tipo industrial,
enquadrando-se, em termos legais, na legislação em vigor, na zona mista. Deste modo é imposto
que não seja excedido o ruído exterior de 65dB, medidos a, pelo menos, 3,5 metros de qualquer
estrutura reflectora de ruído e entre 3,8 metros e 4,2 metros de altura acima do solo.
É de todo o interesse fazer uma avaliação acústica da instalação da Pilha de Hidrogénio
visto se tratar de um projecto de demonstração.
Tarefa B1.3
90
AAAANEXOSNEXOSNEXOSNEXOS
Tarefa B1.3
91
I.ANEXO 1
REQUERIMENTO DE LICENÇA
DE
ESTABELECIMENTO
Exmo Senhor
Director Regional d_ ______ do Ministério da Economia
(Nome ou designação social do produtor-consumidor) _________________________________
com sede em __(lugar, freguesia, concelho) _________________________________ telefone
_________, fax ___________, com o número fiscal de contribuinte _____________, desejando
estabelecer a seguinte instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: __
(5)
_______________________________________________________________________________ ,
na sua _____ (indicar e caracterizar o tipo de actividade comercial, industrial, agrícola, prestação
de serviços, doméstica), sita em ______ (lugar, freguesia, concelho), de harmonia com o projecto,
em duplicado, em anexo, vem solicitar a necessária autorização para o estabelecimento da
instalação de produção-consumo de energia eléctrica, ao abrigo do disposto no artigo 4.º do
Decreto-Lei n.º 68/2002, de 25 de Março.
Pede deferimento
Local e data _________________________
Assinatura___________________________
(5) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual
fornecimento a terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia
utilizada.
Tarefa B1.3
92
Tarefa B1.3
93
II.ANEXO 2
MICROPRODUÇÃO COM AUTOCONSUMO (DEC. LEI Nº 68/2002)
INFORMAÇÕES PARA PROJECTO
(nº 3 do Artº 3º)
PROC. Nº
REQUERENTE (1):
PROMOTOR: NIF:
INSTALAÇÃO:
Localização (CIL):
Freguesia: Concelho: Distrito:
(1) Devidamente mandatado pelo promotor
•••• POTÊNCIA DE LIGAÇÃO: kVA TENSÃO: 400 V (+6%, −−−−10%)
230 V (+6%, −−−−10%)
•••• PONTO DE RECEPÇÃO:
Localização:
Potência de curto-circuito mínima: kVA
•••• RAMAL DE LIGAÇÃO
Constituição :
Comprimento: m
•••• PONTO DE LIGAÇÃO:
•••• REGIME DE NEUTRO DA REDE BT : Neutro ligado directamente à terra
•••• DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA:
(A preencher de acordo com as Normas Técnicas e de Segurança a publicar pela DGE)
NOTA(S) IMPORTANTE(S):
Data:
Tarefa B1.3
94
III.ANEXO 3
TERMO DE RESPONSABILIDADE PELO PROJECTO
Eu, abaixo assinado (6) _____________________________________________________,
(7) ____________________________________, inscrito no Ministério da Economia com o
nº ______________, portador do bilhete de identidade nº _______________, passado pelo serviço
de Identificação de __________________________, em _____-___-___, domiciliado em
_________________________________________________________________, autor do projecto
junto da seguinte instalação eléctrica de microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: ______
__________________________________________________________________________________
(8)
_________________________________________________________________________________ ,
declaro que nele se observaram as disposições regulamentares em vigor, bem como outra
legislação aplicável.
Declaro também que esta minha responsabilidade terminará com a provação do projecto ou
dois anos após a sua entrega ao proprietário da instalação, caso o projecto não seja submetido a
aprovação.
Data: _____-___-___
_____________________________
(Assinatura)
(6) Nome.
(7) Categoria profissional.
(8) Identificação do local e principais características.
Tarefa B1.3
95
_____________________________
(Assinatura)
Tarefa B1.3
96
IV.ANEXO 4
FICHA DE IDENTIFICAÇÃO DO PROJECTO ELÉCTRICO DE PRO DUÇÃO-CONSUMO Câmara Municipal de : Distribuidor: Direcção Regional da Economia de 1- Requerente: 1.1 Nome do Produtor-Consumidot 1.2 Número fiscal de contribuinte: 1.3 Morada: 2- Instalação: 2.1 Local: 2.2 Freguesia: 2.3 Concelho: 2.4 Descrição sumária: 3- Técnico responsável pelo projecto: 3.1 Nome: 3.2 Morada: ___________________________________________ Telef one: 3.3 Número de inscrição no Ministério da Economia;
Tarefa B1.3
97
V.ANEXO 5
3.6.1. REQUERIMENTO PARA PEDIDO DE VISTORIA
Exmo Senhor
Director Regional d_ ______ do Ministério da Economia
(Nome ou designação social do produtor-consumidor) ____________________________, com
sede em __ (lugar, freguesia, concelho) _________________________________
telefone ___________, fax __________, com o número de contribuinte ____________, tendo
concluído os trabalhos de estabelecimento da seguinte instalação eléctrica de microprodução com
autoconsumo do 2º Grupo:
(9)
,
na sua _____ (indicar e caracterizar o tipo de actividade comercial, industrial, agrícola, prestação
de serviços, doméstica), sita em __________________ (lugar, freguesia, concelho), correspondente
ao processo n.º _______, conforme projecto aprovado em 20____-____-____ , vem solicitar a
respectiva vistoria e emissão da licença de exploração ao abrigo do n.º 3, do artigo 4.º, do Decreto-
Lei n.º 68/2002, de 25 de Março.
Para os devidos efeitos junta:
Termo de Responsabilidade pela Execução da Instalação Eléctrica;
Termo de Responsabilidade pela Exploração da Instalação Eléctrica;
Relatório do técnico responsável pela Exploração da Instalação Eléctrica (mod. 937 IN-CM);
Ficha de execução (mod. 936 IN-CM);
Cópia do contrato de prestação de serviços entre o técnico responsável pela exploração e o
produtor-consumidor ;
Comprovativo da inscrição do instalador no IMOPPI.
(9) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a
terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada.
Tarefa B1.3
98
Data 20__-__-__
(Assinatura)
_______________________________________
Tarefa B1.3
99
VI.ANEXO 6
TERMO DE RESPONSABILIDADE PELA EXECUÇÃO DAS INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS
Eu, abaixo assinado (10) ,
(11) ___________________________________, inscrito no Ministério da Economia com o
nº __________, portador do bilhete de identidade nº _______________, passado pelo serviço de
Identificação de __________________________, em ____-_____-_____, domiciliado em
________________________________________________________________, ao serviço de
(12) _______________________________________________________________, declaro que tomo
toda a responsabilidade pela execução das seguintes instalações eléctricas de microprodução com
autoconsumo do 2º Grupo :
(13)
, de
(14)
em ________________________________________________________, de acordo com o respectivo
projecto aprovado e as disposições regulamentares em vigor.
Data: ____-___-_____
______________________________
(Assinatura)
(10) Nome.
(11) Categoria profissional.
(12) Entidade ou no caso de ser por conta própria deve também ser indicado.
(13) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a
terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada.
(14) Produtor-consumidor da instalação eléctrica.
Tarefa B1.3
100
Tarefa B1.3
101
VII.ANEXO 7
TERMO DE RESPONSABILIDADE
PELA
EXPLORAÇÃO DA INSTALAÇÃO ELÉCTRICA
Eu, abaixo assinado (15) ______________________________________________________,
(16) ____________________________________, inscrito no Ministério da Economia com o nº
__________, portador do bilhete de identidade nº ___________, passado pelo serviço de
Identificação de ____________________________, em _____-___-___, domiciliado em
_____________________________________________________, declaro que tomo toda a
responsabilidade técnica pela boa exploração das seguintes instalações eléctricas de microprodução
com autoconsumo do 2º Grupo :
(17)
, de
(18) ____________________________________________________________________, sitas
em _______________________________________________________________, de acordo com as
disposições regulamentares de segurança em vigor e demais legislação aplicável, e da exploração
das instalações que o mesmo venha a estabelecer, desde que estas sejam do meu conhecimento
expresso.
Declaro, também, que esta minha responsabilidade durará enquanto aquelas instalações
estiverem em exploração, salvo declaração expressa em contrário.
(15) Nome.
(16) Categoria profissional.
(17) Indicar as características da instalação eléctrica de produção-consumo e de eventual fornecimento a
terceiros, potência, tensão, tipo de equipamento de produção, tipo de energia utilizada.
(18) Produtor-consumidor da instalação eléctrica.
Tarefa B1.3
102
Data: _____-___-___
_______________________
(Assinatura)
Tarefa B1.3
103
VIII.ANEXO 8 - Exemplo
DECLARAÇÃO
Em relação aos termos em que ocorrerá a exploração da instalação eléctrica de
microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: projecto de demonstração constituído por um
central de micro-cogeração a gás, com consumo próprio e venda do excedente legal de
energia eléctrica à EDP-Distribuição, com uma potência instalada de 30 kWe, produzindo em
Baixa Tensão (400 V), da LABELEC, S.A., declara-se que foi cumprido o prescrito no artigo 23º
do ESTATUTO DO TÉCNICO RESPONSÁVEL POR INSTALAÇÕES ELÉCTRICAS DE
SERVIÇO PARTICULAR.
A LABELEC O TÉCNICO RESPONSÁVEL PELA EXPLORAÇÃO
Tarefa B1.3
104
ANEXO 9 - Exemplo
DECLARAÇÃO
Em relação aos termos em que ocorrerá a exploração da instalação eléctrica de
microprodução com autoconsumo do 2º Grupo: projecto de demonstração constituído por um
central de micro-cogeração a gás, com consumo próprio e venda do excedente legal de
energia eléctrica à EDP-Distribuição, com uma potência instalada de 30 kWe, produzindo em
Baixa Tensão (400 V), da LABELEC, S.A., declara-se que José Fortunato de Jesus Sequeira,
Engenheiro Electrotécnico, inscrito na Direcção Geral de Energia como técnico responsável
pela exploração de instalações eléctricas com o nº 33081, residente na Avenida Movimento das
Forças Armadas, 61, 2710-434 Sintra, integrante do quadro de pessoal da EDP-Distribuição de
Energia, S.A. (empresa pertencente ao Grupo EDP, tal com a LABELEC, S.A.), na sua
qualidade de técnico, assume a responsabilidade pela exploração das instalações eléctricas
acima identificadas, com observância de legislação e normas de segurança aplicáveis. Mais,
declara-se que o mesmo técnico realizará as visitas obrigatórias previstas no n.º 1 do artigo
15.º do Estatuto do Técnico Responsável por Instalações Eléctricas de Serviço Particular, e as
visitas solicitadas pelo proprietário.
Data: ____-___-_____
_______________________________________________
(A LABELEC)
Tarefa B1.3
105
IX.ANEXO 10
3.6.2. PROTOCOLO DE EXPLORAÇÃO
ANEXO AO CONTRATO DE VENDA E AQUISIÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA PELA EDP DISTRIBUIÇÃO AO PRODUTOR COM AUTO-
CONSUMO “________________________________________________________.”, AO ABRIGO DO DEC. - LEI Nº 189/88 DE 27 DE MAIO, COM A
REDACÇÃO DADA PELA PORTARIA Nº 416/90 DE 6 DE JUNHO, COM AS ADAPTAÇÕES NECESSÁRIAS À APLICAÇÃO DO DEC.-LEI Nº
68/2002 DE 25 DE MARÇO
1. INTRODUÇÃO
1.1 Para efeitos do estabelecido na cláusula 6ª. do Contrato de Compra de Energia Eléctrica pela EDP Distribuição Energia, SA, seguidamente designada por EDP Distribuição, ao Produtor em Regime Especial, __________________________________, seguidamente designado por Produtor, é acordado o presente protocolo de exploração da _______________________________ sita na freguesia de __________, concelho de _________.
1.2 Dá-se por reproduzido no presente Protocolo de Exploração, o prescrito sobre a matéria no “Regulamento da Rede de Distribuição”, publicado no DR-2ª Série, nº 164 de 16-07-1999, do Ministério da Economia, Direcção Geral de Geologia e Energia, no “Guia Técnico das Instalações de Produção Independente de Energia Eléctrica” da Direcção Geral de Geologia e Energia – Parte 5 – Condições Técnicas de Ligação à Rede Receptora, no aplicável, nos Procedimentos de Licenciamento de Instalações Eléctricas de Microprodução com Auto Consumo (PLIEMA) do Grupo II, aprovados por Despacho da Direcção Geral de Energia de 29 de Outubro de 2003 e ainda o estabelecido nos seguintes pontos.
1.3 Descrição das Instalações. Caracterização do Ponto d e Ligação.
A instalação é constituída por uma portinhola, onde liga o troço de rede BT subterrânea derivada do Posto de
Transformação da EDP Distribuição e o armário que contém o equipamento de medida e contagem de venda e
aquisição de energia à Rede Pública.
O Ponto de Ligação é definido nos
________________________________________________________________.
Em anexo apresenta-se o esquema unifilar da instalação.
1.4 Cumprido o disposto no ponto 2 da cláusula 24ª do Contrato, a primeira ligação à rede receptora é estabelecida pelo Produtor, após assinatura do Auto de Ligação por ambas as partes, seguindo a exploração o regime programado no autómato de comando do microgerador ou as regras estabelecidas para o caso de exploração com comando manual.
1.5 As manobras programadas de alteração do regime regular de fornecimento por necessidade de operações de manutenção, conservação ou outras na Central, podem implicar a alteração da consignação da rede, o que deverá ser feito com as devidas precauções e avisos, como se refere no ponto 2 deste Anexo.
1.6 Os interlocutores e as comunicações, entre a EDP Distribuição e o Produtor, a estabelecer no âmbito do presente protocolo, constarão de listagem divulgada e permanentemente actualizada pelas partes, que fará parte integrante do presente protocolo.
2. EXPLORAÇÃO DA REDE – CONSIGNAÇÃO
2.1 Regime normal de exploração
A alimentação da instalação de microprodução com autoconsumo é efectuada através do _________________________________________.
2.2 Acessibilidade
É garantido aos técnicos da EDP Distribuição o acesso às instalações do Produtor 24 horas por dia, por forma a confirmar o isolamento dos circuitos de alimentação em situação de avaria ou trabalho programado.
Tarefa B1.3
106
2.3 Procedimentos de Operação – Manobras
As manobras programadas de alteração do regime regular de fornecimento por necessidade de operações de manutenção, conservação ou outras na ______________ podem implicar alteração da configuração da rede, o que deverá ser feito com as devidas precauções e avisos, como se refere no ponto 2. deste protocolo.
2.3.1 Em regime normal
O Produtor, é responsável pelas manobras no interior das suas instalações, tendo em vista a localização das eventuais avarias na rede, isolamento das instalações e reposição de serviço. Poderão haver situações em que esta responsabilidade é atribuída à EDP Distribuição.
2.3.2 Em regime perturbado
A coordenação das manobras será sempre da responsabilidade da EDP Distribuição, através do Centro de Condução ___________, salvo manobras de desligação em situações de risco iminente para pessoas e bens. Estas manobras serão comunicadas posteriormente, logo que possível, com informação do sucedido (data, hora, causa e eventuais danos, assim como o envio dos relatórios que forem efectuados).
No caso de falta de alimentação em qualquer das instalações, deve o Produtor, contactar o Centro de Condução a qualquer hora do dia, por forma a manter-se informado dos condicionalismos da interrupção.
2.4 Consignação da rede
2.4.1 Para se proceder à consignação da rede que interliga com a instalação de produção, para efeitos de trabalhos programados, a parte interessada comunicará, por escrito, o respectivo pedido prévio, discriminando data, período e causa da consignação, pedido que deverá ser apresentado com 4 dias de antecedência.
A separação do ramal de ligação da instalação de produção será realizada da seguinte forma (adoptar a forma que se julgue mais conveniente de entre as que a seguir se referem, a acordar com o Produtor em cada caso específico):
- Abertura e encravamento do seccionador de entrada da instalação de produção;
- Abertura e encravamento de linhas ou ramais que separem a instalação de produção;
- Abertura e encravamento do seccionador de separação do conjunto dos geradores da restante instalação.
Considera-se que a separação do ramal de ligação da instalação de Produção será efectivada retirando o aparelho de corte/isolamento visível, da seguinte forma:
a) A pedido da EDP Distribuição: A desactivação da portinhola será realizado, por técnicos da EDP Distribuição devidamente identificados, que procederão à sua selagem.
b) A pedido do Produtor: Após aviso à EDP Distribuição, a desactivação da portinhola será realizado, por técnicos da EDP Distribuição devidamente identificados, que procederão à sua selagem.
2.4.2 Nesta situação o Produtor poderá auto-abastecer-se, de acordo com o estabelecido no PLIEMA, tendo no entanto presente a prescrição usual de segurança de que as instalações devem ser consideradas em tensão, precavendo-se contra eventuais paralelos intempestivos aquando da reposição do serviço por parte da EDP Distribuição.
Operadores do Cliente reconhecidos pela EDP Distribu ição
O Produtor manterá actualizada a lista dos seus profissionais, por si qualificados, aptos para a realização das
manobras nas suas instalações .
O Centro de Condução será responsável pela coordenação das manobras e pela elaboração dos Processos de
Consignação que visem, de uma forma programada, indisponibilizar as instalações.
A EDP Distribuição através do responsável de consignação por si nomeado, garantirá ao responsável de trabalhos o total isolamento do ramal de alimentação onde se vão efectuar os trabalhos/ensaios.
PROTECÇÕES
O Produtor tem instalado, na interligação com a EDP Distribuição, as protecções próprias da interligação de acordo com o “Guia Técnico das Instalações de Produção Independente de Energia Eléctrica” da Direcção Geral de Energia.
Tarefa B1.3
107
As protecções próprias da interligação e as equipas de contagem estão instaladas no edifício da instalação de produção.
Os dispositivos de protecção serão regulados de acordo com os valores acordados com a EDP Distribuição que procederá à selagem das protecções do ponto de interligação.
A desselagem e/ou alteração da regulação das protecções só pode efectuar-se com o prévio acordo da EDP Distribuição.
A EDP Distribuição reserva-se o direito de solicitar e assistir aos ensaios das protecções quando o considerar conveniente.
PARALELO COM A REDE
4.1 Em regime de comando manual, o Produtor comunicará previamente à EDP Distribuição a pretensão de realizar o paralelo com a rede receptora (ou acordará um programa de ligação à rede em horários pré-fixados).
4.2 Em regime de comando automático, o Produtor comunicará previamente à EDP Distribuição a programação a introduzir no autómato de comando central.
4.3 Após trabalhos de reparação, modificação, verificação das protecções, ensaios ou outros, para além da rotina, o paralelo com a rede receptora não poderá realizar-se sem o consentimento prévio da EDP Distribuição, via Centro de Condução _________, e nos termos do disposto nos pontos 4.1 ou 4.2 conforme os casos.
4.4 O Produtor avisará, com a devida antecedência, a EDP Distribuição, via Centro Condução, quando voluntariamente tencionar sair do paralelo ou alterar o regime de funcionamento. Deverão ainda ser remetidos, periodicamente, os mapas de registo e dos incidentes verificados, de acordo com o modelo em vigor.
4.5 Incidentes
A ocorrência de quaisquer incidentes que provoquem a saída intempestiva do paralelo ou a interrupção do fornecimento de energia à rede, terá os seguintes procedimentos:
4.5.1 Incidentes nas instalações do Produtor
a) A ocorrência de quaisquer incidentes que provoquem a saída intempestiva do paralelo ou a interrupção do fornecimento de energia eléctrica à rede, deverá ser posteriormente comunicada à EDP Distribuição, indicando a protecção que actuou, a causa provável e o tempo previsto de reposição do serviço.
b) Em caso de incidentes nas instalações do Produtor que impossibilitem a ligação da linha, este deverá avisar de imediato a EDP Distribuição, via Centro de Condução Oeste.
4.5.2 Incidentes na rede da EDP Distribuição
a) No caso da oscilação da tensão, deverá o Produtor contactar o Centro de Condução ___________ a fim de se informar da oportunidade de restabelecer o paralelo das redes;
b) Em caso de incidentes nas linhas da rede da EDP Distribuição, deverá o Produtor contactar o Centro de Condução __________ a fim de se informar da oportunidade de restabelecer o paralelo das redes;
c) Logo que a rede da EDP Distribuição esteja em condições de restabelecer o serviço, a alimentação será ligada sem prévio aviso. O estabelecimento do paralelo ficará sempre a cargo do Produtor.
4.6 Para além das operações de entrada e saída de paralelo, a comunicação de ocorrências referidas no ponto 4.5.1, deverá indicar o dia, hora e minuto de ocorrência e constará de registo próprio, acessível ao pessoal da EDP Distribuição para o efeito credenciado.
5. EXECUÇÃO DOS TRABALHOS NAS INSTALAÇÕES DE PRODUÇÃO
5.1 Para quaisquer trabalhos na instalação de produção que possam ter reflexos na rede receptora, o Produtor informará previamente a EDP Distribuição sobre todas as manobras pretendidas assim como a sua duração, para serem acordadas as respectivas datas.
5.2 Antes de se proceder à execução de quaisquer trabalhos na instalação ou manobras de exploração, deverão observar-se as regras de segurança de condução de instalações eléctricas, nomeadamente a de considerar o ramal de ligação em tensão.
5.3 De acordo com o ponto 2.2.1 do capítulo II do referido Regulamento da Rede de Distribuição, considera-se, para os efeitos mencionados em 2.4, que a rede da EDP Distribuição termina na portinhola afecta à instalação de produção.
6. ALTERAÇÕES AO PROTOCOLO
Tarefa B1.3
108
O presente protocolo considera-se sujeito a revisão quando razões de ordem técnica o aconselhem.
Na falta de acordo, a parte que pretenda a sua revisão, submeterá o caso à Direcção Geral de Energia, que arbitrará a divergência.
7. REGISTO DE OCORRÊNCIAS
De acordo com Regulamento da Rede de Distribuição o Produtor deverá, por razões de acompanhamento, fiscalização e segurança, manter actualizados os registos de todas as comunicações efectuadas com o Centro de Condução, bem como das ocorrências verificadas nas suas instalações, nomeadamente das que sejam relevantes para o funcionamento da Rede de Distribuição.
Coimbra, ___/___/2004 Pela EDP Distribuição Energia, S.A. Pelo PRODUTOR Eng.º ________________________ Eng.º ______________________
(Responsável pelo CC _________) (DGE nº _________)
COMUNICAÇÕES ENTRE A EDP DISTRIBUIÇÃO E O PRODUTOR
(PONTO 1.6 DO PROTOCOLO DE EXPLORAÇÃO)
De acordo com o ponto 1.6 do presente protocolo, as comunicações entre o Produtor e a EDP Distribuição, Centro de Condução de Média Tensão, efectuar-se-á através dos seguintes meios:
1 – Da EDP Distribuição - Centro de Condução ________ ________
Responsável do Centro de Condução: Eng.º ____________________________
Operação da Rede: Técnicos de Condução de serviço ao Centro de Condução
Telefones Telemóvel Fax
2 – Do Produtor: ___________________________________ __________
Responsável Eng.º ___________________
Telefones Telemóvel Fax
Operação local: ______________________________
Tarefa B1.3
109
Telefones Telemóvel Fax
ESQUEMA DA(S) ALIMENTAÇÃO (ÕES)
(PONTO 1.3 DO PROTOCOLO DE EXPLORAÇÃO)
Tarefa B1.3
110
X.ANEXO 11
3.6.3. AUTO DE LIGAÇÃO
Aos ......... dias do mês de ............................ do ano dois mil e ..........., pelas ............ horas e
......... minutos, em conformidade com o preceituado no nº 3 da cláusula 24ª da Portaria
416/90 de 6 de Junho, depois de lavrado auto de inspecção das protecções de interligação e
celebrado o protocolo de exploração, respectivamente de acordo com a cláusula 8ª e o anexo I da
mesma portaria e exibida ainda a Licença de Exploração , se declara que foi realizado com êxito o
primeiro paralelo entre a __________________________ sita em ___________, na freguesia de
____________, concelho de ____________, e a rede eléctrica de Baixa Tensão, na
__________________________.
Mais se declara que a potência de ligação é de ______ KVA.
Este auto vai ser assinado pelos representantes das duas Empresas contraentes, presentes neste acto.
Pela EDP Distribuição Pelo Produtor
_______________________________ ______________________________
(Eng.º _______________________________)
(Responsável pelo ____MC)
Tarefa B1.3
111
XI.ANEXO 12
Exmo. Senhor Director da Delegação Regional da Indústria e Energia do ______________________ do Ministério da Economia ______________________________________________________, pessoa colectiva nº _________, com sede em ______________________________ ____________________________________________________________, freguesia de _________________, concelho de ___________________, distrito de _______________, requer nos termos do Artº 5º do Decreto - Lei nº 125/97 de 23 de Maio de 1997, que lhe seja concedida licença para a montagem de uma rede de distribuição de combustíveis gasosos ligados à instalação de armazenagem constituída por ____ reservatório ___________, com a capacidade de ____ m3, licenciada nos termos da alínea a) do nº1 do Artº 5º do Decreto nº 267/2002, de 26 de Novembro de 2002, sita em ____________________________________________________________, freguesia de ___________________, concelho de ___________________, distrito de _____________________, em local de que é proprietário , pelo prazo de vinte anos, juntando para tal a documentação exigida. ________________, _______de _________________de _________ Pede Deferimento
Tarefa B1.3
112
XII.ANEXO 13
Exmo. Senhor
Presidente da Câmara Municipal
de _______________________
3.6.4.
3.6.5.
_______________________________________________, pessoa colectiva nº_____________, com sede em __________________________________ _________________________________________________, freguesia de _________________, concelho de _____________________, distrito de __________________, requer nos termos da alínea a) do nº1 do Artº 5º, do Decreto nº 267/2002, de 26 de Novembro de 2002, que lhe seja concedida licença para a construção de uma instalação destinada à armazenagem de combustíveis gasosos, constituída por ___ reservatório _____________, com a capacidade de ______ m3, para consumo próprio, sita em ____________________________________________________________, freguesia de _____________________, concelho de ______________________, distrito de __________________, de que é proprietário pelo prazo de vinte anos, juntando para tal a documentação exigida.
_________________________,_______de ______________de _________
Pede Deferimento
Tarefa B1.4
Análise comparativa das soluções existentes e
pré-qualificação de fornecedores
Tarefa B1.4
114
ÍÍÍÍNDICENDICENDICENDICE
1. Resumo da tarefa……………………………………………………………………………………115
2. Introdução……………………………………………………………………………………………116
3. Actividade I&D Realizada…………………………………………………………………………..117
3.1. Análise comparativa das tecnologias existentes no mercado e sua adequação ao projecto
........................................................................................................................................... 117
3.2. Levantamento de informação fornecida pelos fornecedores para pilha de combustível
SOFC alimentada a Biogás.................................................................................................... 119
4. Conclusões Gerais………………………………………………………………………………….125
5. Referências Bibliograficas…………………………………………………………………………..126
Tarefa B1.4
115
1.1.1.1. RRRRESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFA
No decorrer desta tarefa será efectuado um estudo comparativo das tecnologias alternativas
oferecidas, vantagens e inconvenientes específicos, perspectivas de evolução, problemas
tecnológicos associados e estimativa de evolução de custos.
Com base nesta avaliação, proceder-se-á à pré-qualificação de fornecedores a contactar no
âmbito da Actividade 2
Tarefa B1.4
116
2222.... IIIINTRODUÇÃONTRODUÇÃONTRODUÇÃONTRODUÇÃO
A partir do levantamento de informação efectuado (Tarefa B1.1) e das especificações do
projecto de demonstração a instalar procedeu-se à análise comparativa das várias tecnologias
existentes no mercado.
Da análise efectuada resultou a escolha de quatro potenciais fornecedores aos quais será
enviado um pedido de informação com vista à aquisição de uma pilha de combustível para operar
com biogás como combustível.
.
Tarefa B1.4
117
3333.... AAAACTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE I&DI&DI&DI&D RRRREALIZADAEALIZADAEALIZADAEALIZADA
3.1. ANÁLISE COMPARATIVA DAS TECNOLOGIAS EXISTENTES NO MERCADO E SUA ADEQUAÇÃO AO PROJECTO
O biogás pode ser utilizado como combustível para vários tipos de células de combustível.
Consoante o tipo de pilha de combustível a usar no sistema este terá de estar equipado com
diferentes tipos de unidade de pré-tratamento/reformação do combustível. Tudo isso porque,
diferentes tipos de pilhas de combustível apresentam diferentes níveis de tolerância a compostos
diferentes (ver Tabela 1).
Tabela 1 – Efeito de vários componentes quando alimentados directamente aos diferentes tipos de
células de combustível.
Células de Combustível
Componente PEMFC PAFC MCFC SOFC
H2 Combustível Combustível Combustível Combustível
CO Nocivo Nocivo Combustível Combustível
CH4 Inerte Inerte Combustível Combustível
Amónia Nocivo Nocivo Combustível Combustível
Enxofre Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo
Halogéneos Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo
Por análise da tabela 1 verifica-se que, por exemplo, o CO e a amónia são componentes
nocivos quando alimentados às células do tipo PEMFC e PAFC enquanto que podem servir de
combustível directo nas células de alta temperatura (SOFC e MCFC). Por sua vez o Metano embora
não possa ser utilizado directamente como combustível nas PEMFC e nas PAFC não apresenta
características nocivas para o funcionamento das células. Com o uso de reformadores externos será
possível extrair o Hidrogénio do Metano e assim alimentar estes tipos de células (baixa
temperatura).
Assim sendo diferentes etapas de tratamento do biogás são necessário consoante o tipo de
pilha de combustível a usar (ver Figura 1).
Tarefa B1.4
118
Figura 1- Etapas de tratamento do biogás
Por análise à figura 1 pode-se concluir que as pilhas de combustível de alta temperatura
(MCFC e SOFC) podem ser alimentadas directamente por biogás após este ter sofrido um
tratamento de remoção dos hidrocarbonetos halogenados, dos componentes sulfurosos e dos
siloxanos. Estas pilhas de combustível podem operar com misturas de H2/CO/CO2.
Para as pilhas de baixa temperatura, o tratamento do biogás terá obrigatoriamente de ser
constituído de outras etapas para além das referidas para as MCFC e SOFC. De facto, nestas uma
unidade de reformação é essencial para além de que se tem de garantir um combustível com níveis
de CO inferiores a 10 ppm.
Como conclusão pode-se referir as pilhas de combustível de alta temperatura são mais
indicadas para operar com alimentação directa a biogás.
As principais vantagens destas são:
- Maior tolerância a impurezas
- Maior eficiência
- Unidade de tratamento para o biogás mais simples
Biog
M
CFC
PA
PEM
Remoção de
Halogenar
HC
Silox
Humid
Sólid
Reformação para
Conversão de
Remoção do
baixo nível de CO
Adsorção em
Adsorção em
Adsorção em
Arrefecimento a -2 ºC / adsorção em
Ajuste do nível de
Filtro de
Elevados custos de
investimento
Baixos custos de investimento
Elevados custos de operação
SMR/POX/ATR/Reformação
WGS (HT +
PSA
PROX
Purificação por
Tarefa B1.4
119
Dentro das pilhas de combustível de alta temperatura a escolha de SOFCs apresenta diferentes
vantagens quando comparada com as MCFC:
• A alta temperatura de operação (700-1000°C) permite a co-geração a um nível elevado de
temperatura e evita o uso de metais nobres como catalisadores;
• O funcionamento a elevada temperatura permite a integração térmica da pilha com a todas as
etapas da conversão e do purificação do combustível, aumentando desse modo a eficiência do
sistema;
• Reduzem significativamente a poluição do ar e a emissão de gases com efeito de estufa;
• Apresentam baixa degradação, que permite manter a eficiência constante durante o seu tempo
da vida útil;
• Apresentam elevada eficiência, mesmo operando a carga parcial;
• Possibilidade de operar com vários tipos de combustível - como metano, gás de carvão, biogás
(gás rico em metano), hidrocarbonetos ou H2. Esta flexibilidade abre um largo espectro de
aplicações e para o cliente.
Com base nos dados acima referidos optou-se por proceder à escolha de uma pilha de
combustível do tipo SOFC para utilizar no projecto de demonstração a instalar.
3.2. LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO FORNECIDA PELOS FORNECEDORES PARA PILHA DE COMBUSTÍVEL SOFC ALIMENTADA A BIOGÁS.
Após a caracterização do mercado efectuada a tarefa B2.1 e com base na sua análise
procedeu-se à sistematização da informação focalizando apenas nas que se poderão aplicar ao
projecto de demonstração a instalar num aterro sanitário.
Da análise de informação foram pré-seleccionados quatro potenciais fornecedores de pilhas
de combustível SOFC.
Para o funcionamento de qualquer uma destas pilhas com alimentação directa a biogás será
também necessário projectar e construir uma unidade de pré-tratamento do gás por forma a retirar
as impurezas nocivas ao desempenho da pilha, visto não haver disponível no mercado nenhuma
unidade disponível.
Tarefa B1.4
120
Os fornecedores pré-seleccionados assim como as características principais dos produtos são
de seguida apresentados.
Fornecedor Ceramic Fuel Cells Limited
A Ceramic Fuel Cells Limited é uma das principais companhias principais do mundo no
desenvolvimento contínuo da célula combustível de alta temperatura (SOFC), tendo projectado
uma pilha SOFC de 1kW e a partir dela produziu um sistema de produção de energia eléctrica e
calor a partir de uma pilha combustível do óxido (SOFC) (CHP) denominado Net~Gen.
A Net~Gen é uma unidade pré-comercial da demonstração, que permite avaliar o potencial
do dispositivo. Estes testes de campo permitem explorar mais o potencial da produção eficiente e
limpa de electricidade a partir dos sistemas micro-CHP com SOFC, tais como a Net~Gen.
A Ceramic Fuel Cells Limited está a produzir quantidades limitadas deste tipo de unidades.
Características técnicas
Energia eléctrica 1kW
Calor 1 kW
Eficiência eléctrica ≈ 40 %
Eficiência total ≈ 80 %
Voltagem – 1 ph 220/240 VAC 50
Hz
Dimensões 700x600x1200
mm
Peso 150 kg
Tarefa B1.4
121
Figura 2 – Unidade Net-Gen.
Para além das células de combustível e respectivos sistemas combinados de produção de
electricidade e calor, a Ceramic Fuel Cells Limited desenvolveu também uma estação de teste
Esta estação de teste é constituída por plataforma funcional e versátil que contém o
equipamento essencial tal como unidade da aquisição de dados (DAQ), controlo de caudais,
sistema de humidificação do combustível e sistema total de segurança para a unidade.
.
Fornecedor HT Ceramix
A unidade de demonstração HoTbox™ é um sistema completo de demonstração de uma pilha
de combustível (SOFC) com potência de 500W. O sistema inclui também um isolamento contra as
baixas temperaturas, os controlos, um computador pessoal integrado num painel com software
dedicado, uma bateria ácida de ligação.
O sistema funciona com hidrogénio ou gás de reformação, e a pilha opera a uma temperatura
de 750°C. Este sistema é inteiramente autónomo e está equipado com uma bateria para o
arranque independente.
Foi projectado de forma a garantir uma fácil acessibilidade da pilha para manutenção. A
unidade de demonstração HoTbox™ é ideal para os clientes que pretendam ter uma unidade de
SOFC para mostrar as suas potencialidades, ou para aqueles interessados em testar o HoTbox™
num sistema já existente.
Tarefa B1.4
122
Figura 3 – Unidade Hotbox.
O combustível usado é o hidrogénio ou gás rico em hidrogénio proveniente da reformação
e a potência eléctrica fornecida é de 0.5 a 2 kW.
Fornecedor Siemens
A partir de um acordo cooperativo com a empresa Fuel Cell Technologies (FCT), a Siemens
Power Generation é actualmente o fornecedor de um sistema de geração de energia eléctrica e
calor com tecnologia SOFC de potência 5 kW a operar com gás natural.
Tarefa B1.4
123
Figura 4 – Sistema FCT 5 kW SOFC.
Especificações Técnicas
Dimensões 137 x 87 x 221 cm
Peso 1140 kg
Saída Energia
Eléctrica
1 a 4 kW – 120/240 V AC –
50/60 Hz
Calor Aproximadamente 4 kW
Eficiência Eléctrica ~ 40 %
Eficiência Global ~ 80 %
Combustíveis
Usados
Gás Natural, Hidrogénio, Metano
Fornecedor Acumentrics
Este fornecedor comercializa os modelos RP-SOFC-5000 (5 kWe) e o RP-SOFC-10000 (10 kWe).
As pilhas de combustível RP-SOFC podem ser alimentadas directamente com gás natural, propano ou
outros combustíveis similares. Isto permite eficiências eléctricas que variam entre 40%-50%. A alta
temperatura de operação permite aproveitar o calor gerado pela pilha aumentando a eficiência global para
valores acima dos 75%.
Características técnicas:
RP-SOFC-5000 [RP-SOFC-10000]
Saída eléctrica:
Tarefa B1.4
124
Potência de saída da SOFC: 5 kW / 5 kVA [10 kW / 10 kVA]
Tensão de saída: 120/240 V AC mono-fásicos
Corrente eléctrica: 31 amps [62 amps]
Tempo de arranque: Aquecimento de 10-30 min
Combustivel usado:
Tipos de combustível: gás natural, metano (standard)
propano, etanol, metanol e hidrogénio (opcional)
Dimensões: 68” L x 36” W x 60” H [68” L x 36” W x 72” H]
Peso: < 1,200 lbs [< 1,500 lbs]
Temperatura de operação: -20 a 120 degF
Emissões acústicas: 65 dBA
Manutenção:
Filtro de entrada do ar: Limpeza anual
Filtro de enxofre: Mudar após 9000 horas de operação
Garantia: Um ano.
Figura 5 – Pilha RP-SOFC-5000.
Tarefa B1.4
125
5555.... CCCCONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES GGGGERAISERAISERAISERAIS
De acordo com as especificações do projecto efectuou-se a pre-selecção dos forncecedores.
Os fornecedores pré-seleccionados foram a Siemens, Ceramic Fuel Cells Limited, a HT Ceramix a
Ecumentrics. O motivo da escolha prendeu-se com o facto destes fornecedores apresentarem
soluções de sistemas de produção combinada de energia eléctrica e calor com pilhas de
combustível tipo SOFC com alimentação directa a Gás Natural.
Na sequência desta pré-selecção serão efectuados contactos com os referidos fornecedores.
Convém ainda referir a necessidade de projectar e executar uma unidade de pré tratamento do
biogás produzido no aterro para que se possa proceder à alimentação da pilha com este tipo de
combustível.
Tarefa B1.4
126
5555.... RRRREFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIAS BBBBIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICAS
• Ferreira, P.;2004; “The usage of biogas in Fuel cell systems”, , CIEMAT-CSIC, Madrid, Spain.
Catálogos de pilhas de combustível comercializados disponíveis em:
www.cfcl.com.au
www.htceramix.ch
www.acumentrics.com
www.powergeneration.siemens.co
m
Tarefa B1.5
Lançamento de Request for Information aos fornecedores
pré-qualificados
Tarefa B1.5
128
ÍNDICE DA TAREFA B1.5
1. Resumo da Tarefa B1.5………………………………………………………………………….129
2. DESENVOLVIMENTO DA TAREFA B1.5……………………………………………………..130
2.1 Estudo Comparativo………………………………………………………………………139
3. Conclusões………………………………………………………………………………………..147
Tarefa B1.5
129
1. RESUMO DA TAREFA B1.5
Com base na pré-qualificação de fornecedores potenciais da PC a instalar será feito um pedido
de informação cujo objectivo será obter informação mais detalhada sobre os equipamentos de
forma a facilitar a elaboração de um caderno de encargos dirigido apenas à solução que se
pretende implementar e aos fornecedores que se mostrem interessados e ofereçam garantias de
fornecimento e manutenção do equipamento em Portugal.
Tarefa B1.5
130
2. DESENVOLVIMENTO DA TAREFA B1.5
Após uma cuidadosa pré-selecção de fornecedores foram pré seleccionados quatro
potenciais fornecedores para a pilha de combustível a instalar neste projecto de demonstração
(Acumentrics, Fuel Cells Technology, Ceramic Fuel Cell Limited e Siemens).
Com base nessa pré selecção foram desenvolvidos contactos com os quatro fornecedores.
Um dos contactos revelou-se infrutífero visto a Empresa Fuel Cells Technology ter sido
extinta após o período em que se realizou o levantamento de informação (Tarefa B1.1). Os
contactos efectuados permitiram realizar um estudo comparativo dos três sistemas seleccionados.
O estudo comparativo teve como base informações dos fornecedores e utilizadores e nele
são apresentados os orçamentos e as vantagens e desvantagens de cada sistema.
2.1 – ESTUDO COMPARATIVO
2.1.1 - ACUMEMTRICS
Descrição do sistema:
Alimentação Gás: 0,84 Nm3/h NG (8.5kW)
Potência Eléctrica: DC 3.5kW
AC 3kW
Potência Térmica: 3kW
Eficiência Eléctrica 34%
Global 70%
Tecnologia Stack Acumentrics (tubular, não pressurizado)
Sistema Acumentrics
Referências (Ensaios campo)
Dr. Dennis Witmer
Director, Arctic Energy Technology
Development Laboratory (AETDL)
Tarefa B1.5
131
Tel: 1-907-474-7082
Email: [email protected]
James Buckley
President, Energy Alternatives
Mobile: 1-907-227-7191
Email: [email protected]
Daniel West (suggested contact)
ELCO-MTS Group
Tel: 49 (0) 7471 187 427
Email: [email protected]
Estado da arte: Desenvolvimento de produto
Mercado Futuro UPS, residencial,
militar (vários kW)
Análise Técnica
Tecnologia
Vantagens:
- Vasta experiência
- Equipamento robusto e com elevada tolerância a rápidas mudanças de temperatura
- Baixo custo por kW
- Sistemas em rápido desenvolvimento com prespectivas de atingir a ordem dos MW
- Reformação interna sem recirculação,
- Inversor e outras partes do sistema são também desenvolvidos pela Acumentrics
Desvantagens:
- Dificuldades em obter formação.
- Manutenção e mudança da pilha só pode ser efectuada por técnicos americanos
Experiência em sistemas SOFC
Tarefa B1.5
132
- 31 unidades em ensaios de campo, mais 16 a entregar durante o ano de 2007
- Ensaios de campo com 3000 horas de operação
Experiência na operação com biogas
Pequena experiencia. Pequenos ajustes podem ser realizados por forma a utilizar cobustivel
diferente do gás natural
Tabela 1 – Custos associados à entrega do sistema Acumentrics.
ITEM OBSERVAÇÕES
Sistema US$ 210.000
Envio
Despesas de envio não incluidas.
Despesas de do reenvio do aparelho a cargo do cliente
O Risco de perda ou estrago do sistema durante a entrega é da
responsabilidade do cliente
Seguros Não incluídos
Data de entrega Setembro 2007
Modo de pagamento
(a) 50% pré-pagamento e 50% 30 dias apos entrega
(b) C.O.D.
Tabela 2 – Custos associados à operação do sistema Acumentrics.
ITEM CUSTO / TEMPO INCLUIDO NÃO INCLUIDO
Start-up US$10.500 Despesas técnicas Viagem e estadia de
técnicos
Monitorização US$2.500/mês
Mínimo 6 meses
Custos de operação Essencialmente custos de
combustivel
Manutenção Estimativa: US $5000/ano
Garantia
6 meses ou
1000 horas de operação
ou 25 ciclos térmicos
Peças em falta ou
arranjo de peças Substituição de peças
Tarefa B1.5
133
Serviço pós-venda
(logística)
Realizado pela Acumentrics
Corp. e representado pela
TEQMA, Spain.
2.1.2 - SIEMENS
Descrição do sistema:
Alimentação Gás: 1,62Nm3/h biogas CH4-CO2 53/47 (8,14kW)
Potência Eléctrica: DC 4kW
AC 3,3kW
Potência Térmica: 2,7kW
Eficiência (com biogás)Eléctrica 38%
Global 69%
Tecnologia Stack Siemens (tubular, pressurizado)
Sistema Siemens
Referencias (Ensaios campo) HERA (Torino)
Estado da arte: Desenvolvimento de Produto
Mercado Futuro Geradores de electricidade até a gama dos MW (elevada eficiência eléctrica
quando combinado com micro-turbinas)
Análise Técnica
Tecnologia
Vantagens:
- Vasta experiência, sendo o sistema desenvolvido há mais tempo
- Sistema robustos com tolerância a mudanças bruscas de temperatura
- Elevada eficiência eléctrica a operar com biogás
- Reformador a vapor externo à pilha
- Serviços de manutenção técnica Europeus
Desvantagens:
Tarefa B1.5
134
- Reformação a vapor com recirculação, pequena possibilidade para alterar a percentagem de
CO2.
- Custo / kW elevado
Experiencia em sistemas SOFC
4 unidades actualmente em ensaios de campo (Powerco, Szencorp e EWE), 10 para entrega em
2007 (EWE)
Experiencia com biogás
Os sistemas podem operar com um biogás cuja concentração seja estável e conhecida
Tabela 3 – Custos associados à entrega do sistema Siemens.
ITEM OBSERVAÇÕES
Sistema US $ 360.000
Envio Não incluído no preço
Seguros Não incluidos
Gás Compressor 12.914$
Data de Entrega Outubro 2007
Tabela 4 – Custos associados à entrega do sistema Siemens.
ITEM CUSTO / TEMPO INCLUIDO NÃO INCLUIDO
Formação, instalação e
start-up 9.100$ Formação 5 pessoas
Viagens e alojamento
técnico
Monitorização 32.700$/ano ou
2.725$/mês
Garantia 4.000hr de
operação ou 1 ano
Diagnostico de
problemas / arranjo
Tarefa B1.5
135
2.1. 3 - CERAMIC FUEL CELLS LIMITED
Descrição do sistema:
Alimentação Gás: 0,2Nm3/h NG (2kW)
Potência Eléctrica: DC 1,24kW
AC 1kW
Potência Térmica: até 500W (depente da temperatura do liquido refrigerante)
Eficiência (com GN) Eléctrica 50%
Global 70%
Technologia Stack Ceramic Fuel Cell (plana, não
pressurizado, reformador a vapor interno)
Sistema Ceramic Fuel Cell
Referências (Ensaios campo) Powerco, Szencorp e EWE
Estado da arte: Desenvolvimento produto
Mercado Futuro Residencial / comercial até 20kW
Análise Técnica
Tecnologia
Vantagens:
- Vasta experiência
- Elevada eficiência eléctrica
- Reformador interno
- Fabrica situada na Europa.
Desvantagens:
- Geometria plana do Stack que conduz a um pior desempenho sob efeito de fadiga térmica.
- Custo / kW elevado
- Desenvolvimento do produto para sistemas nunca superiores a 20kW
Experiência em sistemas SOFC
4 unidades em ensaios de capo (Powerco, Szencorp and EWE)
Tarefa B1.5
136
Experiência a operar com biogás
Pode operar com biogas desde que a composição seja estável
Tabela 5 – Custos associados à entrega do sistema CFCL.
ITEM OBSERVAÇÕES
Sistema 70 000€
Envio Incluído no preço a menos das despesas alfandegárias e de impostos
aduaneiros
Seguros Não incluídos
Modo Pagamento 33 % Adjudicação - 33 % aquando do envio – 34 % final
Data de Entrega Outubro 2007
Tabela 6 – Custos associados à entrega do sistema CFCL.
ITEM CUSTO / TEMPO INCLUIDO NÃO INCLUIDO
Formação, instalação e
start-up
Incluído no preço
sistema
Monitorização Incluído no preço
sistema
Manutenção
Garantia 70000€
1 ano de garantia
Substituição ilimitada
de peças
Serviço pós-venda
(logística)
£500 por dia mais
impostos
Tarefa B1.5
137
3.3.3.3.CCCCONCLUSÕESONCLUSÕESONCLUSÕESONCLUSÕES
Analisando cuidadosamente os orçamentos recebidos e as respostas aos RFI’s lançados aos
fornecedores optou-se por negociar a aquisição da pilha com o fornecedor Acumentrics pelo facto
de ser o fornecedor que, para as condições requeridas, melhor preço apresentou com garantia de
bom funcionamento com biogas. O fornecedor CFCL foi excluído por, ao contrário do inicialmente
previsto, não ter capacidade, no imediato de fornecer um sistema SOFC com a potência requerida
(5 kWe)
A decisão não teve unicamente a ver com o preço mas também com contactos com promotores
de projectos de demonstração deste tipo que deram as melhores referências dos sistemas
actualmente em ensaios.
Tarefa B1.6
Análise de soluções possíveis para fornecimento de
combustível para alimentação da Pilha de Combustível
Tarefa B1.6
139
ÍÍÍÍNDICENDICENDICENDICE
1. Resumo da tarefa B1.6......................................................................................................... 140
2. Introdução........................................................................................................................... 141
3. Actividade I&D Realizada...................................................................................................... 142
3.1 Levantamento de informação acerca dos tipos de combustíveis usados para alimentação
de células de combustível..................................................................................................... 142
3.2 Levantamento de informação acerca dos tipos de combustíveis usados para alimentação
de células de combustível tipo SOFC..................................................................................... 143
3.3. Utilização do biogás como combustível ..................................................................... 145
3.3.1 - Caracterização do biogás. Diferentes usos do combustível biogás. ........................ 145
3.3.2 Caracterização do biogás produzido por um aterro (gás de aterro)........................... 147
3.3.3 Utilização do biogás como combustível em células de combustível SOFC.................. 148
3.4 Unidade de pré-tratamento do biogás (gás de aterro) ................................................. 149
4. Conclusões Gerais ............................................................................................................... 152
5. Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 153
Tarefa B1.6
140
1.1.1.1. RRRRESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFAESUMO DA TAREFA B1.6B1.6B1.6B1.6
Esta tarefa consiste em efectuar uma análise comparativa das possíveis soluções de
armazenamento/fornecimento de combustível a ser utilizado pela PC. Pretende também avaliar a
possibilidade de utilização do biogás produzido por um aterro, bem como o eventual tratamento
necessário.
Tarefa B1.6
141
2222.... IIIINTRODUÇÃONTRODUÇÃONTRODUÇÃONTRODUÇÃO
Na presente tarefa foi, até à data, efectuado um levantamento de informação quanto a tipo
de combustível a usar no projecto de demonstração.
Visto a actividade na qual esta tarefa está inserida visar a instalação de um projecto de
demonstração (com a utilização de uma pilha de combustível do tipo SOFC) num aterro sanitário a
pesquisa incidiu, nesta primeira fase, sobre os vários tipos de combustível que podem ser usados
numa pilhas de combustível de alta temperatura do tipo SOFC.
Foi ainda realizado um levantamento de informação quanto à caracterização genérica do biogás
proveniente de um aterro assim como acerca do pré tratamento a realizar ao gás de aterro por
forma a poder ser utilizado como combustível para a célula de combustível.
Tarefa B1.6
142
3333.... AAAACTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE I&DI&DI&DI&D RRRREALIZADAEALIZADAEALIZADAEALIZADA
3.1 LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO ACERCA DOS TIPOS DE COMBUSTÍVEIS USADOS PARA ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Muitos trabalhos vêm sendo desenvolvidos em todo o mundo, visando um futuro no qual o
hidrogénio substitua os hidrocarbonetos como o vector energético ideal.
Para que isso aconteça, no entanto, será preciso resolver problemas relacionados com o
armazenamento e transporte do gás, que apresentam muitas dificuldades. O sucesso da era do
hidrogénio vai depender, em um primeiro momento, da existência de células combustível de baixo
custo, usando reformadores.
Apesar de estar associada à tecnologia do hidrogénio, o reagente redutor usado nas células
combustível não é necessariamente o H2 embora este, no seu estado puro, seja o combustível ideal.
Enquanto a economia do hidrogénio não se torna uma realidade, o ideal é usar combustíveis
homogéneos para que os reformadores funcionem melhor. Quanto menor a cadeia de carbono dos
hidrocarbonetos, mais vantajoso. Um combustível importante é o gás natural. O metanol e o etanol
(álcool comum) também podem servir. A gasolina é menos conveniente, pois trata-se de uma
mistura de diversas moléculas.
Na tabela 1 resume o efeito de alguns componentes nos diferentes tipos de células de
combustível. Verifica-se que o CO e a amónia são componentes nocivos quando alimentados as
células do tipo PEMFC e PAFC enquanto que podem servir de combustível directo nas células de
alta temperatura (SOFC e MCFC). Por sua vez o Metano embora não possa ser utilizado
directamente como combustível nas PEMFC e nas PAFC não apresenta características nocivas para
o funcionamento das células. Com o uso de reformadores externos será possível extrair o
Hidrogénio do Metano e assim alimentar estes tipos de células (baixa temperatura).
Tabela 1 – Efeito de vários componentes quando alimentados directamente aos diferentes tipos de
células de combustível.
Tarefa B1.6
143
Células de Combustível
Componente PEMFC PAFC MCFC SOFC
H2 Combustível Combustível Combustível Combustível
CO Nocivo Nocivo Combustível Combustível
CH4 Inerte Inerte Combustível Combustível
Amónia Nocivo Nocivo Combustível Combustível
Enxofre Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo
Halogéneos Nocivo Nocivo Nocivo Nocivo
Visto o projecto de demonstração que se pretende instalar no âmbito deste projecto seja
com a utilização de células de combustível de alta temperatura (SOFC) incidimos, nesta primeira
fase de realização da tarefa nos combustíveis que possam ser usados neste tipo de células. O
levantamento de informação efectuado encontra-se na seguinte secção.
3.2 LEVANTAMENTO DE INFORMAÇÃO ACERCA DOS TIPOS DE COMBUSTÍVEIS USADOS PARA ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL TIPO SOFC
As células combustível de óxido sólido (SOFC) são unidades electroquímicas de conversão que
converte energia química em energia eléctrica e térmica com uma eficiência elevada e com
emissões de poluentes inferiores quando comparados com os processos de combustão (Minh et al.,
1995). Este tipo de célula combustível pode ser aplicada em centrais eléctricas e em centrais de
cogeração (Minh et al., 1995; Lundberg et al.,2001). As SOFC podem também ser usadas como
unidades de potência auxiliar (APU) em aplicações móveis (Minh et al., 1995).
É sabido que o monóxido de Carbono e o hidrogénio podem tipicamente serem usados como
combustíveis para SOFC. Além disso, como as SOFC operam geralmente em altas temperaturas
(700-1100 ºC), alguns hidrocarbonetos (isto é metano) podem também ser usados directamente
como combustíveis, em vez do hidrogénio e do monóxido de carbono, através da alimentação
directa ao lado anódico da célula; esta operação é denominada por reformação interna directa nas
SOFC (DIR-SOFC). De acordo com esta operação, os hidrocarbonetos, que servem de combustível,
são reformados no ânodo produzindo o monóxido de carbono e o hidrogénio, que por sua vez são
consumidos electroquimicamente gerando electricidade e calor simultaneamente. A vantagem da
DIR-SOFC é que o consumo do hidrogénio pela reacção electroquímica pode directamente
promover a reformação ou a conversão dos hidrocarbonetos no lado do ânodo. Dessa forma, a
operação das DIR-SOFC tem como característica uma elevada conversão e uma elevada eficiência
(Clarke et al., 1997). A operação de DIR-SOFC requer um ânodo constituído por um material que
Tarefa B1.6
144
apresente boa reactividade no que diz respeito à reformação catalítica e boa reactividade
electroquímica. O material mais comum para o ânodo das SOFC é o Ni/YSZ devido a seu baixo
custo quando comparado com o de outros metais (por exemplo, Co, Ru, e Rh) e também devido à
sua boa adequação às exigências do projecto da célula combustível. Além disso, este material
fornece também a actividade catalítica benéfica para a operação de DIR-SOFC. A fracção de níquel
no ânodo de Ni/YSZ é de geralmente 40-60% por forma a contrabalançar a expansão térmica de
YSZ (Wincewicz et al.,2005).
Alguns investigadores estudaram o desempenho operacional da DIR-SOFC comparativamente ao
desempenho da SOFC alimentada directamente por metano. Por sua vez outros autores como
Yentekakis et al. (Yentekakis et al., 1993) investigaram o efeito do vapor na taxa de reformação do
metano sobre os eléctrodos Ni/YSZ numa gama de temperaturas de 800 a 930 ºC, variando
igualmente a relação de H2O/CH4 entre 0,15 a 2,0. Os resultados indicaram uma forte influência do
vapor na taxa de reformação. Em contraste com aquelas conclusões, Achenbach e Riensche (1994)
não relataram nenhuma influência da pressão parcial do vapor na entrada. Dicks et al. (2000)
observaram, por sua vez, que a dependência da taxa reformação do metano sobre o ânodo Ni/ZrO2
era função da temperatura e da composição do gás. A maioria dos trabalhos publicados acerca da
operação DIR-SOFC indicam que a maior dificuldade da operação, quando efectuada sobre o
eléctrodo Ni/YSZ, é a possível deposição de carbono na superfície do Ni devido à quebra das
ligações dos hidrocarbonetos Ni/YSZ. Esta formação pode obstruir o acesso do gás e degradar o
desempenho do ânodo, já que pode obstruir os locais activos do catalisador, resultando numa
perda do desempenho da célula e numa diminuição da sua durabilidade.
Uma outra operação de reformação interna é a denominada reformação interna indirecta (IIR-
SOFC). Através desta operação, a reacção de reformação ocorre no reformador, que está em
contacto térmico com o ânodo da SOFC. Este sistema (IIR-SOFC) tem a vantagem de permitir uma
boa transferência de calor entre o reformador e a célula combustível. Além do que, contrariamente
ao processo DIR-SOFC, a reformação e o ânodo são independentes pelo que o catalisador para a
reacção de reformação e o material para reacções electroquímicas no lado do ânodo da célula
combustível podem ser optimizados individualmente, impedindo a degradação do ânodo por
deposição do carbono.
Actualmente, o metano é o combustível principal para SOFC por motivos técnicos e económicos.
Não obstante, o uso dos álcoois (isto é metanol e etanol) é também possível quando se opera com
um reformador interno. O metanol é favorável devido a sua disponibilidade, elevada energia
específica e conveniência de transporte e de armazenamento (Emonts et al., 1998 ; Ledjeff-Hey et
al., 1998), no entanto o etanol é também um candidato prometedor, já que está a ser produzido a
partir de recursos renováveis (por exemplo, fermentação da biomassa) e tem um índice
razoavelmente elevado de hidrogénio (Cavallaro et al., 1996; Fatsikostas et al. , 2004).
Douvartzides et al. (2003) aplicaram uma análise termodinâmica por forma a avaliar a
Tarefa B1.6
145
praticabilidade dos combustíveis diferentes, isto é metano, metanol, e etanol para SOFC. Os
resultados obtidos em termos de eficiência mostram que o etanol e o metanol são alternativas
muito prometedoras ao hidrogénio.
Um outro combustível que pode ser usado directamente neste tipo de células de combustível
(SOFC) é o biogás. Visto o projecto de demonstração que se pretende instalar no âmbito deste
projecto seja com alimentação directa de gás de aterro (biogás) serão, nas secções subsequentes,
descritas as suas principais características assim como a exequibilidade e requisitos para a utilização
como combustível em células de combustível de alta temperatura (SOFC).
3.3. UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL
3.3.1 - CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS. DIFERENTES USOS DO COMBUSTÍVEL BIOGÁS.
O biogás é uma mistura gasosa de dióxido de carbono e metano produzido em meio
anaeróbico por acção de bactérias em matérias orgânicas, que são fermentadas dentro de
determinados limites de temperatura, teor de humidade e acidez. O metano, principal componente
do biogás, não tem cheiro, cor ou sabor, mas os outros gases presentes conferem-lhe um ligeiro
odor desagradável.
O biogás pode ser, genericamente, de dois tipos diferentes consoante a sua origem: gás de
aterro ou gás de digestão anaeróbica. O gás de digestão anaeróbica é produzido durante o
tratamento de água do desperdício industrial, estabilização de lamas, reciclagem de bio-
desperdícios, desperdício agrícolas.
É uma fonte de energia renovável e o seu uso como tal está progressivamente a ganhar
expressão por forma a garantir um desenvolvimento sustentável e a diminuir o recurso a
combustíveis fosseis. Para além da produção de calor e electricidade em sistemas de co-geração
também pode o biogás ser usado como combustível para veículos ou para células de combustível
para alem da possibilidade de ser integrado na rede de distribuição de Gás Natural após devido
tratamento (Figura 1). A principal desvantagem desta utilização é a variabilidade de sua composição
que depende da fonte e varia com tempo.
Aterros Sanitários
Biog
Calo
r
Electricid
ade
Tarefa B1.6
146
Figura 1 – Uso do biogás como fonte de energia renovável.
De facto, dependendo da aplicação final a qualidade do biogás tem que ser melhorada.
Tipicamente os componentes principais a remover são: H2S, H2O, HC-X e CO2. A remoção do H2S e
dos HC-X previnem problemas associados a corrosão, para além do que concentrações elevadas de
H2S pode ser tóxico e permitir a formação de SO2/SO3 nos queimadores. A eliminação do vapor de
água evita problemas associados a condensações nas linhas de gás e consequente formação de
soluções ácidas. O CO2, por sua vez reduz a energia específica do biogás.
O biogás pode ser usado em diferentes tipos de células de combustível, preferencialmente
em células de combustível de alta temperatura (MCFC, SOFC) desde que se promova, antes da
reformação, a remoção dos compostos de enxofre e hidrocarbonetos halogenados. Estas células
são mais tolerante às impurezas e operam com misturas H2/CO/CO2, alguns dos elementos
presentes no biogás.
Quanto às células de combustível de baixa temperatura, nomeadamente as PEMFC, a
utilização de biogás como combustível é também possível desde que seja assegurada, a montante
do processo de reformação externa, a remoção dos compostos de enxofre, NH3, hidrocarbonetos
halogenados. Os níveis do CO terão de ser obrigatoriamente menores do que 10 ppm.
Tarefa B1.6
147
3.3.2 CARACTERIZAÇÃO DO BIOGÁS PRODUZIDO POR UM ATERRO (GÁS DE ATERRO)
O gás de aterro é produzido a partir de desperdícios orgânicos dispostos num aterro sanitário.
Os desperdícios são cobertos e comprimidos mecanicamente. Através de um processo de
decomposição anaeróbica o desperdício orgânico produz gás de aterro. Este gás é libertado
lentamente na atmosfera sendo que a essa libertação provoca um mau cheiro na vizinhança do
aterro, contribui para poluição atmosférica local e oferece perigo da explosão. Adicionalmente, o
gás de aterro é aproximadamente 50 por cento de metano em volume, um gás com efeito de
estufa que contribui para o aquecimento global.
No entanto, este metano constituinte do gás de aterro é também fonte energia que, se não for
recolhida, será desperdiçada.
O processo de recolha deste gás está normalizado e legislado tendo sido emitidos pela EPA
(Estados Unidos) os padrões de desempenho para o controle do gás de aterro. Os regulamentos
dizem respeito à emissão de compostos orgânicos para além do metano (NMOCs), compreendendo
umas 100 variedades de compostos orgânicos e de poluentes perigosos, tais como o cloreto de vinil
e o benzeno, que são emitidos no gás de aterro. Estas emissões representam geralmente menos de
1% da composição total do gás de aterro sendo que em termos volumétrico o metano representa
cerca de 50% da composição enquanto que o CO2 (25-50%). O gás de aterro tem um poder
calorífico que é aproximadamente metade do do gás natural.
De acordo com este regulamento, os aterros que emitem mais de 55 L por ano de NMOCs são
obrigados para instalar um sistema de recolha do gás e um sistema de tratamento capaz de destruir
98% dos NMOCs do gás ou de reduzi-los a menos do que 20 ppm. Neste processo, o potencial do
metano em termos de efeito de estufa também é destruído ou então utilizado para produzir
electricidade ou calor. Uma vez instalado, o sistema da recolha deve operar até que as emissões de
NMOC sejam inferiores a 55 L/ano.
A recolha do gás de aterro é uma tecnologia bem desenvolvida. O método usual consiste fazer
furos verticais com diâmetro de 0,6 m no aterro, espaçados em cerca de15-92 m. Uma tubagem
perfurada é introduzida no furo, o furo é então preenchido com cascalho. Estas tubagens são
conduzidas a um distribuidor, daí ao sistema da remoção de lixiviados, e a uma bomba do gás. O
gás recolhido pode subsequentemente ser utilizado para produção de electricidade e calor. Já que
o gás de aterro poderia produzir cerca de 1% das exigências de energia dos Estados Unidos, o EPA
está a incentivar a produção de energia a partir destes métodos. Nessa perspectiva o uso de células
de combustível é uma tecnologia emergente que pode promover o uso limpo, eficiente, e
económico da energia do gás de aterro, apresentado contudo alguns problemas sendo um deles a
variabilidade de composição molar do gás que depende da fonte e varia com tempo.
Tarefa B1.6
148
A utilização do biogás e o pré-tratamento a realizar por forma a ser alimentado a células de
combustível de altas temperaturas (tipo SOFC) são de seguida caracterizados.
3.3.3 UTILIZAÇÃO DO BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL EM CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SOFC
O metano e o CO2 são os constituintes principais dos biogás (Hammad et al., 1999; Van Herle et
al.,2004), produzidos extensivamente por tratamento anaeróbico de desperdícios biológicos ou
obtido a partir de aterros sanitários. Pese embora seja variável no tempo, a composição molar
média do biogás encontra-se geralmente dentro das seguintes margens: CH4 = 50-70%, CO2 = 25-
50%, H2 = 1-5% e N2 = 0.3-3% para além de outras impurezas menores, nomeadamente NH3,
H2S. O hidrogénio, monóxido de carbono ou misturas de H2+CO, produzidas por processos de
reformação do metano constituinte do biogás, podem então ser usadas como combustível eficiente
para células combustíveis de alta temperatura (SOFCs) por forma a produzir electricidade e calor
(Vayenas et al., 1997; Stoukides, 2000) . Logo, a fim utilizar o metano, as células combustíveis
empregam geralmente um processo de reformação externo do combustível onde os combustíveis
prontamente disponíveis são convertidos a CO e H2, antes que serem fornecidos à pilha de
combustível.
Alternativamente, o conceito de reformação interna foi considerado como uma solução mais
atractiva e mais vantajosa. Neste conceito, a reacção de reformação ocorre directamente - sem a
necessidade de um reformador externo - no eléctrodo anódico da célula pelos processos descritos
na secção 5.2 para o combustível Metano.
A cinética da reacção de reformação do metano, assim como as das oxidações de H2 e de CO
por O2−, são rápidas à temperatura normal de operação das SOFCs. Além disso, a reacção
reformação é endotérmica o que pode provocar uma refrigeração severa do ânodo. Tal refrigeração
pode ter um forte efeito adverso no desempenho da pilha mas pode, em princípio, ser equilibrada
através do uso de uma parcela do calor produzido pela oxidação paralela do H2 e do CO.
Yentekakis (2006) realizou estudos com o objectivo de avaliar a praticabilidade de operar as
SOFC directamente com o biogás (CH4 +CO2). Para tal utilizou um electrólito sólido do tipo GDC
(óxido de Cério estabilizado com óxido de Gadolinium) e com os seguintes eléctrodos: Ni(Au)- GDC
como ânodo e La0.54Sr0.46MnO3 como cátodo. Ouro foi usado como um componente do ânodo
do por forma a inibir a deposição de carbono. De facto estudos experimentais recentes mostraram
que a incorporação de Au no eléctrodo de Ni promove a formação do carbono adsorvido que é
oxidado prontamente por O2 ou por O2− (Besenbacher, 1998), não tendo assim uma influência
negativa no desempenho da pilha.
Visto as impurezas de enxofre poderem causar a desactivação quer da maioria dos catalisadores
da reformação do metano quer do ânodo da célula combustível, o biogás utilizado como
Tarefa B1.6
149
combustível em pilhas da célula combustível tem de ser primeiramente tratado. A amónia não é
muito problemática na alimentação das SOFC, já que pode facilmente ser oxidada em N2 e H2O.
Uma descrição genérica das unidades de pré-tratmento do biogás (gás de aterro) é de seguida
efectuada.
3.4 UNIDADE DE PRÉ-TRATAMENTO DO BIOGÁS (GÁS DE ATERRO)
Tal como foi citado o biogás utilizado como combustível em pilhas da célula combustível tem de
ser primeiramente tratado.
A diluição ou remoção de contaminantes gasosos pode ser obtida através de diferentes
métodos.
Para efectuar a remoção de contaminantes gasosos podem ser utilizadas basicamente 3 tipos de
tecnologia: lavagem, retenção, destruição dos compostos.
O princípio da lavagem utiliza a água (lavadores) para captar os contaminantes gasosos. O
caudal de ar é obrigado a atravessar água pulverizada que simultaneamente arrasta as poeiras e
partes dos componentes gasosos que com ela se combinam. A ocorrência de uma reacção entre os
contaminantes e a água leva à necessidade do tratamento continuado da água utilizada, para além
da necessidade de reposição de água para compensar a evaporação e eventuais purgas.
O princípio da retenção utiliza substâncias altamente porosas, com uma superfície específica
muito elevada (“filtros activados”). Estes filtros usam o princípio da adsorsão, sendo os gases
adsorvidos pelos poros e capilares da substância porosa que constitui o filtro, geralmente carvão
activado ou alumina (óxido de alumínio). Deve ter-se em atenção que quando estes filtros ficam
saturados, gases anteriormente adsorvidos são arrastados no caudal de ar, deixando o filtro de ter
qualquer eficácia
O princípio da destruição dos compostos pode ser obtido por duas vias: eléctrica e térmica. No
primeiro caso são utilizados geradores de iões (positivos) o que permite eliminar alguns
contaminantes (não confundir com os geradores de iões negativos que servem para eliminar
poeiras). Aqueles equipamentos produzem uma baixa concentração de ozono que remove
contaminantes orgânicos do ar, convertendo os compostos que produzem cheiros noutros que não
produzem cheiros mas que em alguns casos podem também ser tóxicos. No segundo caso é
efectuada a queima do ar “poluído” sendo os contaminantes destruídos devido à temperatura
atingida pelo gás (ar + produtos da combustão) resultante da queima. Neste processo, alguns dos
contaminantes podem ser “queimados”, dependendo da sua composição química.
Todos os princípios acima indicados, excepto a queima, podem ser aplicados na destruição dos
contaminantes do gás de aterro. A combinação do princípio da lavagem com o da retenção ou
Tarefa B1.6
150
destruição por via eléctrica pode ainda ser utilizada, permitindo desta forma garantir que a
concentração dos contaminantes gasosos no ar à saída é muito reduzido ou nulo (inferior aos
limites legais, em termos de emissões gasosas).
Outro problema identificado para o caso particular dos gases de aterro é a formação de
siloxanos. Apresenta-se de seguida um resumo do capitulo 24 ‘Control of Siloxanes’ do livro:
Biofuels for Fuel Cells - Renewable Energy from Biomass Fermentation; ed. P.Lens, P.Westermann,
M.Haberbauer, A.Moreno; IWA Publishing (2005).
A limpeza da maior parte das espécies gasosas provenientes dos aterros pode ser efectuada com
filtro de carbono activado. Para além das espécies mais comuns a presença de silício pode dar
origem a componentes gasosos contendo este elemento.
Designam-se por siloxanos os compostos com ligações em sequência de silício e oxigénio e são
usados em muitos equipamentos domésticos. O silicone é um exemplo e pensou-se ser inerte.
Verifica-se no entanto por um processo de hidrólise que se combinam com orgânicos formando
compostos voláteis em cadeias lineares ou cíclicas, com radicais metil.
Devido aos siloxanos formados inicialmente serem insolúveis em água e terem elevada massa
molecular criam ligações fortes com compostos orgânicos e fazem parte do biogás. A presença dos
siloxanos nos gases conduz à formação de depósitos e ao desgaste de superfícies por erosão. No
caso das superfícies no interior da pilha de combustível os depósitos podem formar uma camada
vítrea inibindo o acesso ao catalisador e aos sítios activos.
Apesar de ainda não existir um método standard para a remoção dos siloxanos em geral
utilizam-se métodos de separação física. Um dos métodos descritos consiste em arrefecer os gases
a –30ºC de modo a formar gelo e absorver os siloxanos no gelo, garantindo um valor inferior a 1
mg/Nm3.
A Applied Filter Technology utiliza adsorsão em filtros de carbono porosos que são muito
selectivos para os siloxanos. Os filtros garantem um valor inferior a 0,3 mg/Nm3 e podem ser
regenerados. O carbono activado é usado em muitos casos podendo em alternativa ser usada sílica
gel e polímeros.
Existem também diversos sistemas testados com absorção em líquidos, sendo os mais usados
dimetileter e polietileno glycol. Estes sistemas preparados para capturar CO2, H2S, COS,
mercaptanos também são eficientes para os siloxanos. Os contaminantes são absorvidos numa
coluna em contra-corrente sendo depois o óleo hidrocarboneto contaminado aquecido e
bombeado para uma coluna de desorção onde os contaminantes são vaporizados em vácuo. A
eficiência de remoção está relacionada com a temperatura de ebulição dos contaminantes. O ácido
sulfúrico é também eficiente para eliminar os siloxanos mas a sua utilização é limitada devido ao
seu potencial corrosivo. Deste modo já foram testadas soluções com acido sulfúrico em várias
concentrações e ácido nítrico.
Tarefa B1.6
151
A análise do processo de biodegradação dos siloxanos permitiu verificar que se podem formar
moléculas mais pequenas e compostos solúveis em água como produtos finais. Deste modo uma
alternativa à separação física consiste em utilizar bio-reactores para os quais é necessário identificar
as bactérias responsáveis e as condições óptimas do processo para desenvolver um sistema
biológico de limpeza dos gases, que teria menos custos de operação quando comparado com
processos físicos.
Tarefa B1.6
152
4444.... CCCCONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES ONCLUSÕES GGGGERAISERAISERAISERAIS
Durante os meses de Novembro e Dezembro de 2006 foi efectuado um levantamento de
informação acerca dos diferentes tipos combustíveis passíveis de serem usados em pilhas de
combustível.
Visto esta tarefa estar relacionado com a execução de um projecto de demonstração e, em
sequência dos progresso obtidos nas tarefas B1.1, B1.2 e B1.3, optou-se por focalizar essa pesquisa
nos tipos de combustíveis usados na alimentação de células de combustível de alta temperatura
nomeadamente as do tipo SOFC.
Foram enumerados os combustíveis possíveis de utilizar com esse tipo de células e os requisitos
necessários do sistema (tecnologias actuais) para a optimização dos processos quando operados
com diferentes tipos de combustível.
As células de combustível tipo SOFC podem então ser alimentadas por H2 puro (presencialmente)
mas também com Metano, Metanol e Etanol. O Biogás é também um combustível adequado
(devido ao seu elevado teor de Metano) no entanto é necessário ter algumas cautelas
nomeadamente na remoção das impurezas contidas no biogás proveniente de um aterro.
Uma unidade de pré-tratamento é, desse modo, necessária para evitar a contaminação da célula
provocada principalmente por impurezas sulfurosas.
Com uma eficaz unidade de pré-tratamento é então possível, segundo alguns autores, utilizar o
biogás como combustível directo de uma SOFC desde que esta esteja equipada devidamente (com
catalisador e ânodo apropriado) para a utilização directa do Metano. O principal problema desta
utilização prende-se com a variabilidade da composição do biogás produzido por um aterro ao
longo do tempo.
No mercado existem soluções disponíveis comercialmente que cumprem esse s requisitos, tal
como pode ser verificado nos relatórios de progresso correspondentes às tarefas B1.1 e B1.3.
Tarefa B1.6
153
5555.... RRRREFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIASEFERÊNCIAS BBBBIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICASIBLIOGRÁFICAS
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Tarefa B1.6
154
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3rd International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, vol. 4, Honolulu, HI, USA, p. 904.
Tarefa B1.7
Lançamento de Request for Information aos fornecedores de
combustível para as Pilhas de Combustível
Tarefa B1.7
156
ÍNDICE DA TAREFA B1.7
Resumo da Tarefa B1.7………………………………………………………………………………..157
Desenvolvimento da Tarefa B1.7………………………………………………………………………169
Tarefa B1.7
157
RESUMO DA TAREFA B1.7
Será efectuada uma análise comparativa das possíveis soluções de
armazenamento/fornecimento de combustível a ser utilizado pela PC. Será avaliada a possibilidade
de utilização do biogás produzido por um aterro, bem como o eventual tratamento necessário.
Tarefa B1.7
158
DDDDESENVOLVIMENTO DA ESENVOLVIMENTO DA ESENVOLVIMENTO DA ESENVOLVIMENTO DA TTTTAREFA AREFA AREFA AREFA BBBB 1.71.71.71.7
A tarefa B 1.7 consistia no lançamento de RFI aos fornecedores de combustível para as PC
pré-seleccionadas.
Para respeitar o principio estabelecido aquando da candidatura do projecto foram
desenvolvidos, desde o início do projecto contactos com um aterro sanitário da zona do grande
Porto (concretamente a LIPOR) por forma a acordar a realização de um projecto de demonstração
nas suas instalações constituído por um sistema SOFC (5 kWe) alimentado com biogás proveniente
de um dos seus aterros.
Assim sendo foram efectuadas, no âmbito desta tarefa, as seguintes actividades:
• Reuniões com o conselho de administração da LIPOR com vista a acordar condições para
instalação da pilha de combustível num dos aterros sanitários da zona do grande Porto. Nessas
reuniões foram realizadas pequenas apresentações técnicas onde, para além de uma descrição
pormenorizada do projecto e da tecnologia a usar, foram apresentados os benefícios esperados
elo consorcio EDEN e pela LIPOR na eventualidade da concretização do acordo que permitisse
realizar o projecto de demonstração. Os benificios apontados foram:
• Benefícios globais
• Redução de emissão de poluentes e de gases de efeito de estufa (“Act global, think
local”)
• Benefícios para o consorcio
• Aquisição de conhecimento prático efectivo das capacidades e limitações destas
tecnologias
• Conhecimentos adquiridos e resultados obtidos servirão de base para futuros
projectos desenvolvimento nesta área específica
• Benefícios para a LIPOR
• Utilização de um produto excedentário (Biogás)
• Poupança nos consumos energéticos (com pouca expressão já que a potência a
instalar será pequena)
• Aumentar o conhecimento da LIPOR sobre este tipo de tecnologias
Tarefa B1.7
159
• A divulgação deste projecto poderá trazer alguma visibilidade da qual a LIPOR
poderá beneficiar e potenciar.
• Contactos para definição do local para instalação da pilha, utilização do calor/electricidade
proveniente da pilha.
• Elaboração de proposta para condições de utilização/exploração do sistema e contribuição da
LIPOR no processo na sua globalidade.
Após a realização das actividades supra-citadas o consorcio EDEN aguarda ainda resposta da
parte da administração da LIPOR. Dessa resposta está dependente o tipo de combustível a usar no
projecto de demonstração.
No caso de não ser possível chegar a um acordo a pilha de combustível será instalada no novo
edifício do INEGI e irá operar com gás natural.
PROJECTO EDEN – Actividade B2
160
AAAACTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE CTIVIDADE BBBB2222 –––– IIIINSTALAÇÃO DE NSTALAÇÃO DE NSTALAÇÃO DE NSTALAÇÃO DE DDDDEMONSTRAÇÃO NUM EMONSTRAÇÃO NUM EMONSTRAÇÃO NUM EMONSTRAÇÃO NUM AAAATERRO TERRO TERRO TERRO SSSSANITÁRIO NA ANITÁRIO NA ANITÁRIO NA ANITÁRIO NA
ZZZZONA ONA ONA ONA NNNNORTE DO ORTE DO ORTE DO ORTE DO PPPPAÍSAÍSAÍSAÍS
No âmbito desta actividade proceder-se-á à preparação do caderno de encargos para o processo
de selecção a realizar para o fornecimento da unidade a instalar. As tarefas subsequentes nela
incluídas compreendem:
� Elaboração de especificações dos sistemas a adquirir e cadernos de encargos a cumprir pelos
fornecedores a seleccionar;
� Lançamento de concursos, selecção e contratação de fornecedores;
� Elaboração do projecto da instalação, construção de infra-estruturas e instalação do
equipamento e sua ligação à rede eléctrica. Ensaios de recepção do equipamento, ensaios de
ligação à rede eléctrica, ensaios de qualidade de onda de tensão, ensaios de fornecimento de
energia térmica e ensaios de ruído;
� Operação e monitorização e avaliação económica dos resultados.
Tarefa B2.1
Elaboração de especificações
Tarefa B2.1
162
ÍNDICE DA TAREFA B2.1
Resumo da Tarefa B2.1………………………………………………………………………………..163
Desenvolvimento da Tarefa B 2.1……………………………………………………………………..164
Tarefa B2.1
163
RESUMO DA TAREFA B2.1
Elaboração de especificações dos sistemas a adquirir e respectivos cadernos de encargos a
cumprir pelos fornecedores a seleccionar
Tarefa B2.1
164
DESENVOLVIMENTO DA TAREFA B 2.1
A tarefa B 2.1 consiste na elaboração de especificações para o projecto de demonstração a
instalar.
Devido ao atraso inerente à definição da pilha a adquirir e do local de instalação a tarefa está só
agora a ser iniciada.
Até à data estão a ser elaboradas, pelo consórcio, especificações dos seguintes parâmetros:
• Composição do combustível a alimentar
• Especificações do sistema SOFC
• Especificações da saída de corrente eléctrica
• Especificações da saída de energia térmica
• Especificações do sistema de controlo
Tarefa B2.2
Selecção e contratação de fornecedores
Tarefa B2.2
166
ÍNDICE DA TAREFA B2.2
Resumo da Tarefa B2.2………………………………………………………………………………167
Desenvolvimento da tarefa B2.2…………………………………………………………………….179
Tarefa B2.2
167
RESUMO DA TAREFA B2.2
Lançamento de um processo de selecção internacional para fornecimento das unidades e
componentes a instalar. Avaliação de propostas recebidas, selecção e contratação de fornecedores.
Tarefa E3.7
168
DDDDESENVOLVIMENTO DA ESENVOLVIMENTO DA ESENVOLVIMENTO DA ESENVOLVIMENTO DA TTTTAREFA AREFA AREFA AREFA BBBB 2.22.22.22.2
A tarefa B 2.2 consiste na selecção de fornecedores e na aquisição dos componentes
nomeadamente na selecção e contratação de fornecedores para os seguintes componentes do
projecto de demonstração:
• Pilha de combustível
• Sistema de limpeza do gás (gás de aterro)
• Sistema de instrumentação e controlo (ao processo)
• Sistema de controlo de gestão e potência eléctrica
Tal como descrito exaustivamente nos relatórios de progresso referentes às tarefas da actividade
B1, foi efectuada um cuidado e completo levantamento de informação acerca das tecnologias
disponíveis na área das pilhas de combustível e dos correspondentes fornecedores.
Após a realização de uma pré-selecção (baseada em informação recolhida junto de utilizadores e
promotores de projectos de demonstração) foi efectuado um estudo comparativo entre as várias
soluções.
Após uma análise cuidada aos resultados desse estudo foi decidido adquirir o sistema SOFC
(5kWe) da Acumentrics. Para a negociação das condições de aquisição foi realizado uma reunião
com um representante espanhol da Acumentrics.
A aquisição da pilha será formalizada nos primeiros dias do segundo semestre de 2007.
No que concerne aos outros elementos constituintes do sistema (Sistema de limpeza do gás,
Sistema de instrumentação e controlo, Sistema de controlo de gestão e potência eléctrica), visto
estes estarem directamente relacionados com o local de instalação e com o tipo de combustível a
usar, os fornecedores dos mesmos não foram ainda seleccionados havendo, no entanto, uma pré-
selecção para os diferentes cenários possíveis.