eden pps 2

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


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.


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.


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.


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%.


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



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


Benefícios

Energia limpa

Eficiente



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



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


Benefícios

Energia limpa

Eficiente

Easily sited



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


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


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


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


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


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


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


• ENET, 1996, Novel SOFC system for co-generation of electricity and heat, ENET News No.

9100265-5 (Energy-Net magazine of the Swiss Federal Energy office), Project no. 500, pp. 228–

237.

• Eva Frey, Manager, Stationary Fuel Cells Europe, Siemens Power Generation, SOFC Towards

Biogas Usage Technology Status - Steyr

• Ferreira, P.;( 2004) “The usage of biogas in Fuel cell systems”, CIEMAT-CSIC, Madrid, Spain,

• Grabam, J. R. and Ramaratnam, M., Chemical Engineering, February 1993.Air emissions from

municipal solid waste landfills -background information for proposed standards and guidelines.

EPA-450/3-90-Olla, NTIS PB91-197061.

• Jenne M., T. Dörk, A. Schuler, in: U. Bossel (Ed.), Proceedings of the Fifth European Solid Oxide

Fuel Cell Forum, Lucerne, Switzerland, July 2002, European Forum Secretariat, CH 5442-

Oberrohrdorf, Switzerland, pp. 460–466.

• K. Ledjeff-Hey, Brennstoffzellentechnologie, Springer Verlag, 2000, ISBN 3-7880-7629-1.

• Koschowitz, M. 2003. Felderfahrung mit Vaillant Brennstoffzellenheizgeräten. In Stationäre

Brennstoffzellen, 15-24. VDI-Berichte 1752. Düsseldorf, Germany: VDI

• Pokojski, M.2001. Die erste 250 kW PEM Brennstoffzelle in Europa 2001. In Stationäre

• Ronald j. Spiegel, J. C. Trocciola” and J. L. Preston, 1997 “Test results for fuel-cell operation on

landfill gas”, energy vol. 22, no. 8, pp. 777-186, 1997

• Sandelli, G. J.,1992 Demonstration of fuel cells to recover energy from landfill gas. Phase I Final

Report: Conceptual study, EPA-600/R-92-007, NTIS PB92-137520.

• Schmersahl, V. Scholz.; 2005; “Testing a PEM Fuel Cell System with Biogas Fuel”. Agricultural

Engineering International: the CIGR Ejournal. Vol. VII. Manuscript EE 05 002.

• Schmitz, S. 2002. Thermodynamische Analyse eines Brennstoffzellen-Systems zur dezentralen

Energieversorgung. VDI Fortschritt-Berichte 475, Düsseldorf, Germany: VDI R.

• Trocciola, J. C. and Preston, J. L.,1995 Demonstration of fuel cells to recover energy from landfill

gas. Phase II, Pretreatment system performance measurement, EPA-600/R - 95 - 155, NTSI PB96-

103601.

• Van herle J., Y. Membrez, 2002; Biogas exploitation in SOFC, in: U. Bossel (Ed.), Proceedings of

the Fifth European Solid Oxide Fuel cell Forum, Lucerne, Switzerland, , European Forum

Secretariat, CH 5442-Oberrohrdorf, Switzerland, pp. 1003–1010.

Tarefa B1.2

73

• Van herle J., F. Marechal, S. Leuenberger, M. Membrez, O. Bucheli, D. Favrat, 2004 “Process flow

model of solid oxide fuel cell system supplied with sewage biogas” J. Power Sources 131 pp.

127-134.

• 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


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

79

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.


(12) Entidade ou no caso de ser por conta própria deve também ser indicado.



(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.




(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 ___________________


Operação local: ______________________________

Tarefa B1.3

109


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


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


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


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


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%.


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


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


• 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


Daniel West (suggested contact)

ELCO-MTS Group

Tel: 49 (0) 7471 187 427


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


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.


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


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.


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


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


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


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


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


• Achenbach E., Riensche E., (1994) J. Power Sources 52:283.

• Besenbacher F., Chorkendorff I., Clausen B.S., Hammer B., Molenbroek, A.M., Nørskov, J.K.,

Stensgaard I., (1998) Science 279:1913.

• Cavallaro S., Freni S., (1996) Int. J. Hydrogen Energy 21 (6):465.

• Clarke S.H., Dicks A.L., Pointon K., Smith T.A., Swann A., (1997) Catal. Today 38 (4) 411.

• Dicks A.L., Pointon K.D., Siddle A., (2000) J. Power Sources 86:523.

• Douvartzides S.L., Coutelieris F.A., Demin K., Tsiakaras P.E., (2003) AIChE J. 49: 248.

• Emonts B., Hansen J.B., Jorgensen S.L., Hohlein B., Peters R., (1998) J. Power Sources 71:288.

• Fatsikostas A.N., Verykios X.E., (2004) J. Catal. 225 (4):439.

• Hammad M., Badarneh D., Tahboub K., (1999) Energy Convers. Manage. 40:463.

• Laosiripojana N., Assabumrungrat S. (2001), Journal of Power Sources 163:943–951

• Ledjeff-Hey K., Formanski V., Kalk T., Roes J., (1998) J. Power Sources 71 (1–2):199.

• Lundberg W.L., Veyo S.E., (2001) in: Yokohawa, S.C. Singhal (Eds.), Proceeding of the 7th

International Symposium Solid Oxide Fuel Cells VII, p. 78.

• Minh N.Q., Takahashi T.,(1995); Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Elsevier,

Amsterdam.

• Stoukides M., (2000), Catal. Rev. -Sci. Eng. 42:1.

Tarefa B1.6

154

• Van herle J., Marechal F., Leuenberger S., Membrez M., Bucheli O., Favrat D., (2004) J.

Power Sources 131 : 127.

• Van herle J., Membrez Y., Bucheli O., (2004)J. Power Sources 127:300.

• Vayenas C.G., Bebelis S.I., Yentekakis I.V., Neophytides S.N., 1997 Electrocatalysis and

Electrochemical Reactors, in: P.J. Gellings, H.J.M. Bouwmeester (Eds.), The CRC Handbook of

Solid State Electrochemistry, CRC Press, pp. 445–480 (Chapter 13).

• Wincewicz K.C., Cooper J.S., (2005) J. Power Sources 140:280.

• Yentekakis I.V., (2006), Journal of Power Sources 160:422–425

• Yentekakis I.V., Neophytides S.G., Kaloyiannis A.C., Vayenas C.G.,(1993) Proceeding of the

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


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


Resumo da Tarefa B2.1………………………………………………………………………………..163

Desenvolvimento da Tarefa B 2.1……………………………………………………………………..164

Tarefa B2.1

163


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


Resumo da Tarefa B2.2………………………………………………………………………………167

Desenvolvimento da tarefa B2.2…………………………………………………………………….179

Tarefa B2.2

167


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.

eden pps 2

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