produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada ... · o sistema estudado baseia-se...

Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ciências e Tecnologia

Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e, termicamente assistida.

TÂNIA Marisa Afonso TEIXEIRA

Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a

obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Lisboa 2010

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Ficha Técnica Título: Produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada por energia eólica e, termicamente assistida. Autor: Tânia Marisa Afonso Teixeira Objectivo do presente trabalho: Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia. Âmbito do estudo: Trabalho de investigação sobre o efeito do aumento da temperatura, com recurso a um colector solar, no processo de electrólise. O processo de electrólise em si é efectuado com recurso a energia eólica. O objectivo deste estudo é a melhoria da geração de Hidrogénio com recurso ao aumento de temperatura no processo de electrólise, assim como a utilização de energias renováveis. Orientação científica do trabalho: Professor Doutor Rui F. dos Reis Marmont Lobo (Professor da UNL/FCT) Contactos do autor: [email protected] Local: Monte da Caparica Ano: 2010 O conteúdo da presente dissertação é da inteira responsabilidade do autor. Não é autorizada a reprodução, total ou parcial, do conteúdo da presente dissertação, sem a autorização prévia do autor, por escrito. É autorizada a citação do conteúdo da presente dissertação, desde que acompanhada da respectiva referência bibliográfica, de acordo com as normas internacionais e de citação de trabalhos científicos.

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Resumo O presente trabalho considera um sistema de produção de hidrogénio, através da electrólise de água, recorrendo apenas a energias renováveis. O sistema estudado baseia-se na utilização de energia eólica para produção de hidrogénio, e na aplicação de energia solar térmica para aumentar o rendimento do processo de electrólise. Foi analisado ainda um sistema autónomo de produção de hidrogénio, utilizando igualmente energia eólica e solar térmica, capaz de fornecer a totalidade de energia necessária para uma habitação e para o meio de transporte dos residentes. Ao nível do consumo de energia doméstico, a demanda de energia eléctrica e de águas quentes sanitárias terá normalmente resposta através da energia eólica e solar térmica, no entanto em alturas de baixa demanda a energia eólica produzida em excesso será usada no processo de electrólise da água, consequentemente a produção de hidrogénio que será armazenado e utilizado nos momentos de baixa ou nenhuma produção de energia eólica. O objectivo principal deste trabalho é promover o conhecimento do hidrogénio como vector energético e como armazenador de energia, e de mostrar a sua capacidade na resolução da questão de intermitência das energias renováveis.

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Abstract The present work aims a system for hydrogen production, through water electrolysis, using only renewable energy. The system studied is based on the use of wind energy to hydrogen production, and application of solar thermal energy to increase the yield of the electrolysis process. There was still analyzed an autonomous system of hydrogen production, also using wind and solar thermal energy, capable of meeting the residence energy demand of a habitation and for the resident’s means of transportation. In the domestic energy consumption, de electric energy and water heating demand will have normally an answer in wind and solar thermal energy, and so in times of lower demand the wind energy produced in excess will be used in for water electrolysis, and in the production of hydrogen that will be storage and used in moments of low or null wind production. The main propose of this work is to promote the hydrogen’s knowledge as an energetic vector and an energy’ storage, and to show is capacity in the resolution of the intermittence of the renewable energy.

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Lista de Acrónimos e Definições Energia Primária – recurso energético que se encontra disponível na natureza (petróleo, gás natural, energia hídrica, energia eólica, biomassa, solar). FER – Fonte de Energia Renovável. NUTS – Nomenclaturas de Unidades Territoriais para fins Estatísticos, padrão geocódigo para referenciar as divisões administrativas de países para fins estatísticos. Só abrange os Estados-Membros da UE. Mtep – Milhões de toneladas de equivalente de petróleo. Entalpia – energia de um sistema que se encontra sob a forma de calor. PTN – Pressão e Temperatura Normais.

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Aos meus pais, por tudo o que sou e posso vir a ser.

Ao Joaquim, pelo apoio e incentivo.

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Agradecimentos Ao Professor Dr. Rui F. dos Reis Marmont Lobo, da UNL-FCT, pela orientação do presente trabalho. Agradece-se, igualmente, as condições laboratoriais proporcionadas pelo laboratório do Grupo de Nanotecnologia e Ciência à Nano-Escala (GNCN) situado no Centro de Exª do Ambiente da FCT-UNL. À Professora Benilde Mendes, da UNL-FCT, coordenadora do Mestrado de Energia e Bioenergia, pelas palavras de apoio e ânimo transmitidos que foram de vital importância para a elaboração e finalização do presente documento. Ao Prof. Adolfo Steiger Garção, presidente do Departamento de Electrotécnia, da UNL-FCT, pela autorização na utilização de equipamento. Ao Professor João Martins e Pedro Pereira, da UNL-FCT, pelo apoio dado na determinação das medições do aerogerador. Ao Eng. Pedro Ribeiro e ao Eng. Paulo Pereira, do Grupo de Qualidade do Ar, da UNL-FCT, por terem proporcionado as condições para a realização dos ensaios da estação meteorológica e pelas informações fornecidas. Ao Sr. Ribeiro, ao Sr. Campos e ao Sr. Joel, dos serviços técnicos da UNL-FCT, pelo apoio na produção do colector solar. Aos colegas, Ricardo, Inês e Cristina, do Mestrado de Energia e Bioenergia, pelo apoio dado e pelas palavras de incentivo em momentos de dúvida.

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Índice Introdução ............................................................................................................................... 1

Capitulo 1 – Produção e consumo energético ........................................................................ 3 1.1. Perfil Energético da UE .................................................................................................. 3

1.2. Perfil Energético de Portugal .......................................................................................... 6

1.3. Emissões Fósseis ............................................................................................................ 8

1.4. Energia Eólica ................................................................................................................ 9

1.5. Energia Solar ................................................................................................................ 13

Capitulo 2 – Hidrogénio ....................................................................................................... 18 2.1. Produção de Hidrogénio ............................................................................................... 20

2.1.1. Reformação .......................................................................................................... 21

2.1.2. Oxidação parcial ................................................................................................... 21

2.1.3. Pirólise da biomassa .............................................................................................. 21

2.1.4. Bio-fotólise ........................................................................................................... 22

2.1.5. Termólise .............................................................................................................. 22

2.1.6. Foto-electrólise ..................................................................................................... 22

2.1.7. Plasmólise, Magnetólise e processo “Mechano-catalytic” ...................................... 23

2.1.8. Outros processos ................................................................................................... 23

2.2. Transporte e Armazenamento ....................................................................................... 24

Capitulo 3 – Produção de Hidrogénio via Electrólise .......................................................... 27 3.1. Descrição do Processo .................................................................................................. 27

3.2. Tecnologia da electrólise .............................................................................................. 29

3.3. Electrólise Termicamente Assistida .............................................................................. 30

3.3.1. Colectores Solares................................................................................................. 30

3.3.2. Caracterização ...................................................................................................... 31

Capitulo 4 – Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio .................................. 32

4.1. Modelo de Estudo ......................................................................................................... 32

4.2. Material e Métodos ....................................................................................................... 33

4.2.1. Breve Descrição do Sistema Eólico ....................................................................... 33

4.2.2. Descrição do Sistema de Electrólise ...................................................................... 35

4.2.3. Descrição dos Ensaios ........................................................................................... 37

Capitulo 5 – Determinação de modelos teóricos .................................................................. 38

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5.1. Dimensionamento de um Colector Solar ....................................................................... 38

5.2. Dimensionamento de um colector para uma habitação .................................................. 43

5.3. Modelo Teórico da Electrólise ...................................................................................... 44

Capitulo 6 – Discussão de Resultados .................................................................................. 49 6.1. Comportamento da corrente eléctrica em função da velocidade do vento ....................... 49

6.2. Comportamento da electrólise face à corrente eléctrica ................................................. 50

6.3. Comportamento da electrólise face à variação de temperatura ....................................... 52

6.4. Extrapolação de dados .................................................................................................. 56

Capitulo 7 – Análise Económica e Ambiental...................................................................... 58 7.1. Implementação Colector Solar ...................................................................................... 58

7.2. Transportes ................................................................................................................... 59

7.3. Sector Doméstico ......................................................................................................... 62

7.4. Análise combinada ....................................................................................................... 64

Capitulo 8 – Conclusões ....................................................................................................... 67 Capitulo 9 – Referências Bibliográficas ............................................................................... 68

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Índice de Figuras Figura 1.1 - Consumo de Energia Final por Sector, UE-27. .................................................. 3

Figura 1.2 - Produção doméstica, importação e consumo de energia primária ...................... 6

Figura 1.3 - Quota do consumo de energia primária (%) por Tipo de fonte de energia. ........ 7

Figura 1.4 - Quota do consumo final de energia (%) por sector de actividade económica – Anual. ..................................................................................................................................... 7

Figura 1.5 - Quota da produção bruta de electricidade (%) por Localização geográfica (NUTS - 2002) e Tipo de produção de electricidade – Anual. ............................................... 8

Figura 1.6 - Potência instalada em Portugal relativo á eólica. ............................................. 12 Figura 1.7 - Radiação global anual em Portugal. ................................................................. 14 Figura 1.8 - Insolação global anual em Portugal. ................................................................. 15 Figura 1.9 - Capacidade total instalada eléctrica, 2006. ....................................................... 15 Figura 1.10 - Capacidade total instalada de energia térmica, 2006. ..................................... 16

Figura 1.11 - Produção de energia a partir de Energia Solar (TWh). ................................... 17

Figura 1.12 - Produção de energia para aquecimento a partir de Energia Solar (Mtep). ..... 17

Figura 2.1 - Processos de produção de Hidrogénio. ............................................................. 20 Figura 3.1 - Esquema resumido do processo de electrólise. ................................................. 28 Figura 3.2 – Diagrama representativo do ciclo do hidrogénio, produção e consumo. ......... 28

Figura 4.1 – Modelo representativo das fases de estudo. ..................................................... 32 Figura 4.2 – Aerogerador...................................................................................................... 34 Figura 4.3 – Sistema eléctrico de conversão, inversor e rectificador. .................................. 34

Figura 4.4 - Estação meteorológica. ..................................................................................... 35 Figura 4.5 – Sistema de electrólise (unidade de medida em cm). ........................................ 36

Figura 4.6 - Electrolisador. ................................................................................................... 36 Figura 5.1 – Esquema do sistema de aquecimento do processo de electrólise através dum colector solar (unidade de medida em cm). .......................................................................... 42 Figura 5.2 – Colector solar implementado. .......................................................................... 41 Figura 5.3 – Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente eléctrica. ...... 46

Figura 5.5 – Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente, para 3 valores diferentes de temperatura...................................................................................................... 47 Figura 5.4 - Rendimento de H2 (PCS - Poder Calorífico Superior) em função da densidade de corrente. ........................................................................................................................... 48

Figura 6.1 - Aerogerador - Corrente eléctrica vs velocidade do vento................................. 49

Figura 6.2 – Produção de H2 em função da corrente eléctrica. ............................................ 51

Figura 6.3 - Comparação da produção de hidrogénio teórica (laranja) vs prática (cinza). .. 52

Figura 6.4 – Influência da Intensidade da corrente eléctrica e da Temperatura na produção de H2. .................................................................................................................................... 53

Figura 6.5 – Influência da temperatura na produção de H2. ................................................. 54

Figura 6.6 – Variação de rendimento através do aumento de temperatura. ......................... 56

xx

Figura 6.7 - Tendência de produção de hidrogénio numa electrólise a 65°C. ...................... 57

Figura 7.1 - Sistema de produção de hidrogénio para veículo ligeiro. ................................. 60

Figura 7.2 - Sistema de produção de hidrogénio para habitação. ......................................... 62

Figura 7.3 - Sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo. ......................... 65

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Índice de Quadros Quadro 1.1 – Consumo de Energia dos estados membros da UE, a sua rede de importações e taxa de dependência em 2008. ............................................................................................. 4 Quadro 1.2 - Consumo final de energia em energia renovável. ............................................. 5

Quadro 1.3 - Emissões de CO2 dos países da UE-27 e respectivas metas de Kyoto. ............. 9 Quadro 1.4 - Potencia instalada (MW) por cada estado membro da UE-15. ....................... 10

Quadro 1.5 - Potência instalada de energia eólica na UE, 2008. .......................................... 11

Quadro 1.6 - Caracterização da potência eólica em Portugal Continental. .......................... 12

Quadro 2.1 – Poder Calorífico Superior e Inferior para diferentes combustíveis. ............... 18

Quadro 2.2 - Resumo dos processos de produção de hidrogénio. ........................................ 23

Quadro 3.1 - Reacções químicas verificadas ao nível dos electrodos. ................................. 27

Quadro 3.2 - Eficiência dos sistemas de electrólise. ............................................................ 29 Quadro 5.1 – Produção teórica de hidrogénio a partir de electrólise de água. ..................... 46

Quadro 5.2 – Produção de Hidrogénio em função de duas variáveis: temperatura e intensidade de corrente. ........................................................................................................ 47

Quadro 6.1 – Volume de produção de H2 à temperatura ambiente. ..................................... 51 Quadro 6.2 - Produção de hidrogénio através de Electrólise: Teórica vs Experimental. ..... 51

Quadro 6.3 – Influência da variação da temperatura na produção de H2. ............................ 53

Quadro 6.4 - Variação de Rendimento resultante do aumento de Temperatura, comparativamente ao processo a 25ºC. ................................................................................ 55 Quadro 7.1 – Características do sistema de produção de hidrogénio para deslocação. ....... 61

Quadro 7.2 - Características do sistema de produção de hidrogénio para uma habitação. .. 63

Quadro 7.3 – Características do sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo. ................................................................................................................................. 66

0 Introdução

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Introdução Na actualidade, verifica-se uma crise a nível mundial no sector dos combustíveis fósseis, mais concretamente no petróleo. Sendo Portugal um dos países da União europeia com maior dependência energética, é dos que mais sofre com o aumento do preço do petróleo e da consequente subida de preço de vários produtos e serviços. O impacte que a crise económica tem gerado e as metas impostas pela UE, resultantes de preocupações ambientais como as alterações climáticas e o aquecimento global, levaram a uma revisão das políticas energéticas de cada país. Considera-se que a solução para esta problemática consiste num maior desenvolvimento e interesse nas energias renováveis, nomeadamente a eólica, hídrica, fotovoltaica, solar térmica, geotérmica e culturas energéticas. Apesar de Portugal já apresentar um grande investimento a nível de energia eólica, o mesmo não se verifica com as outras energias renováveis. Surgindo assim a necessidade de melhorar, desenvolver e diversificar as formas de energia, limpas e sustentáveis, como as energias renováveis e de solucionar a questão da sua intermitência. Neste contexto, surge o hidrogénio como uma promissora fonte de energia intermédia, que a par com a energia eléctrica é considerado um vector energético, possível de ser armazenado. O hidrogénio é o elemento mais abundante no Universo, com cerca de 70% da massa total do Universo, e o terceiro mais abundante da crusta terrestre. É o elemento mais leve, e com mais baixa densidade de massa por m3, mas é o combustível de utilização mais eficiente, o que é corroborado quando comparamos o poder calorífico superior (141,86 kJ/g, em condições PTN) e inferior do hidrogénio (119,93 kJ/g, em condições PTN) em relação a outros combustíveis, como a gasolina (poder calorífico superior é de 47,50 kJ/g e o inferior é de 44,50 kJ/g, em condições PTN). No entanto, o hidrogénio encontra-se associado a outros elementos, sendo necessário separá-lo ou produzi-lo. A sua produção pode ser efectuada de diferentes formas e através de diferentes fontes, sendo uma delas através da água. É num dos processos de produção de Hidrogénio a partir de água, mais concretamente no processo de electrólise que este estudo incide. Este projecto, surge com o objectivo de estudar o processo de produção de hidrogénio a partir de electrólise alimentada por energia eólica e os efeitos da temperatura na mesma. O projecto desenvolve-se em 4 fases:

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Fase 1 - Recolha de dados referentes à produção de energia eólica de um aerogerador, montado no topo do Departamento de Electrotécnica, da Faculdade de Ciências e Tecnologia - Universidade Nova de Lisboa. Caracterização do aerogerador em causa, determinação da corrente eléctrica produzida em função da intensidade/velocidade do vento. Fase 2 – Estudo do processo de electrólise no Laboratório do Grupo de Nanotecnologia e Ciência à Nano-Escala (GNCN) situado no Centro de Exª do Ambiente da FCT-UNL. Determinação, em laboratório, do rendimento deste processo, através da introdução (“input”) de energia eléctrica e da quantidade de Hidrogénio obtido. Fase 3 – Estudo do processo de electrólise termicamente assistido no Laboratório do GNCN da FCT-UNL. Determinação laboratorial do efeito da temperatura no processo de electrólise, através do aquecimento da água existente na célula electroquímica. Dimensionamento de um colector solar para a produção de um aumento de temperatura da água até 65ºC (temperatura máxima aconselhada para o electrolisador em causa). Fase 4 – Análise e comparação dos dados obtidos. Comparação do volume de Hidrogénio obtido, no processo de electrólise convencional e no de electrólise termicamente assistida, para as mesmas intensidades de corrente utilizadas. Consequente identificação de qual será o processo mais eficiente. Assim, a presente dissertação apresenta-se distribuída em 3 partes distintas:

1) Capitulo I, II e III, onde se efectua uma contextualização do estudo, sobre a energia Eólica, o Hidrogénio e a energia solar térmica.

2) Capitulo IV, V e VI, em que se apresenta a metodologia associada ao projecto, os resultados obtidos, dimensionamento de um colector solar para o projecto em causa e discussão de resultados.

3) Capitulo VII, no qual se apresentam as conclusões deste trabalho.

Capitulo 1 – Produção e consumo energético

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Capitulo 1 – Produção e consumo energético O presente projecto “debruça-se” sobre a melhoria na produção de Hidrogénio por electrólise com recurso a energias renováveis (solar para o aumento de temperatura da água, e eólica para a realização do processo de electrólise). As alterações estudadas pressupõem a redução de emissões fósseis assim como da dependência de combustíveis fósseis por utilização de energias renováveis num âmbito nacional. Neste contexto, o presente capítulo apresenta:

a) O perfil energético europeu e nacional, identificando os níveis de consumo energético por sector e/ou por energia a percentagem de utilização de energia por sector e tipo de energia. Este perfil permite identificar o grau de dependência de combustíveis fósseis assim como do potencial energético de renováveis.

b) O nível de emissões fósseis a nível Europeu, impactes do mesmo, assim como planos e directivas para a sua redução.

c) O potencial de crescimento das energias eólica e solar a nível Europeu e em particular em Portugal.

1.1. Perfil Energético da UE Nos últimos anos a União Europeia tem vindo a criar várias políticas energéticas e ambientais de forma a diminuir os níveis de consumo de energia e dependência energética. Em 2006, a União Europeia apresentava consumos de energia elevados, na ordem de 1200 Mtep (Figura 1.1).

Figura 1.1 - Consumo de Energia Final por Sector, UE-27.

(EEA; Eurostat, 2008).

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A nível de consumo destaca-se o sector dos transportes com uma quota de 31,5%, seguindo-se o sector da indústria com 27,6% e o da habitação com 25,9%. Como resultado do elevado consumo energético, a União europeia recorre a importações de recursos energéticos para fazer face às suas necessidades energéticas, criando assim uma dependência energética. A União Europeia apresenta um nível de dependência energética de 53,8%, registando-se 17 países com níveis de dependência superiores a este, entre os quais Portugal (Quadro 1.1). Verificando-se que apenas 10 países apresentam um nível de dependência energética inferior à média europeia. O país que se encontra melhor classificado na tabela é a Dinamarca, que apresenta uma dependência energética na ordem de -36,8%, valor que corresponde na realidade à sua percentagem de exportações. Seguem-se a Polónia e o Reino Unido com apenas 19,9% e 21,3%.

Quadro 1.1 – Consumo de Energia dos estados membros da UE, a sua rede de importações e taxa de dependência em 2008.

(Europe’s Energy Portal)

1) Grosso de Consumo de Energia em Milhões de toneladas de equivalente de petróleo (Mtep). Definido como produção primária mais importações, menos exportações. 2) Importações líquidas significa importações menos exportações. 3) Importações divididas pelo grosso do consumo. 4) Dinamarca é um exportador de energia.

Estado Membro UE

Grosso do Cons. de Ener.1)

Import.Líq. 2)

Dependência Energética 3)

Estado Membro EU

Grosso do Cons. de Ener.1)

Import.Líq. 2)

Dependência Energética 3)

1 Chipre 2,6 3 100% 15 Alemanha 349 215,5 61,30% 2 Malta 0,9 0,9 100% 16 Finlândia 37,8 20,9 54,60% 3 Luxemburgo 4,7 4,7 98,9% 17 UE27 1825,2 1010,1 53,80% 4 Irlanda 15,5 14,2 90,9% 18 Eslovénia 7,3 3,8 52,10% 5 Itália 186,1 164,6 86,8% 19 França 273,1 141,7 51,40% 6 Portugal 25,3 21,6 83,1% 20 Bulgária 20,5 9,5 46,20% 7 Espanha 143,9 123,8 81,4% 21 Holanda 80,5 37,2 38% 8 Bélgica 60,4 53,5 77,9% 22 Suécia 50,8 19,8 37,40% 9 Áustria 34,1 24,9 71,9% 23 Estónia 5,4 1,9 33,50%

10 Grécia 31,5 24,9 71,9% 24 România 40,9 11,9 29,10% 11 Letónia 4,6 3,2 65,7% 25 República Checa 46,2 12,9 28% 12 Lituânia 8,4 5,5 64% 26 Reino Unido 229,5 49,3 21,30% 13 Eslováquia 18,8 12 64% 27 Polónia 98,3 19,6 19,90% 14 Hungria 27,8 17,3 62,5% 28 Dinamarca 20,9 -8,1 -36,8% 4)


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A diminuição dos níveis de importação da UE passa pela consciencialização dos cidadãos no que respeita ao consumo desregulado de energia, e maioritariamente pela melhoria da eficiência energética e implementação de energias renováveis. No ano de 2006 a média europeia, para a EU-27, de energia consumida produzida por FER (Fontes de Energia Renováveis) era de 9,2%, sendo a o valor médio da meta a atingir em 2020 de 20%, faltando assim em média aumentar em 10,8% a produção de energia renovável (Quadro 1.2).

Quadro 1.2 - Consumo final de energia em energia renovável.


Estados Membros EU

2006 Meta 2020 % Por atingir:

1 Reino Unido 1,5 % 15 % 13,5 %

2 Irlanda 2,9 % 16 % 13,1 %

3 Dinamarca 17,2 % 30 % 12,8 %

4 França 10,5 % 23 % 12,5 %

5 Holanda 2,7 % 14 % 11,3 %

6 Espanha 8,7 % 20 % 11,3 %

7 Grécia 7,1 % 18 % 10,9 %

EU 9,2 % 20 % 10,8 %

8 Itália 6,3 % 17 % 10,7 %

9 Letónia 31,4 % 42 % 10,6 %

10 Bélgica 2,6 % 13 % 10,4 %

11 Chipre 2,7 % 13 % 10,3 %

12 Alemanha 7,8 % 18 % 10,2 %

13 Luxemburgo 1 % 11 % 10 %

14 Malta 0 % 10 % 10 %

15 Portugal 21,5 % 31 % 9,5 %

16 Eslovénia 15,5 % 25 % 9,5 %

17 Finlândia 28,9 % 38 % 9,1 %

18 Áustria 25,1 % 34 % 8,9 %

19 Lituânia 14,6 % 23 % 8,4 %

20 Estónia 16,6 % 25 % 8,4 %

21 Hungria 5,1 % 13 % 7,9 %

22 Suécia 41,3 % 49 % 7,7 %

23 Polónia 7,5 % 15 % 7,5 %

24 Eslováquia 6,8 % 14 % 7,2 %

25 Bulgária 8,9 % 16 % 7,1 %

26 Roménia 17 % 24 % 7 %

27 República Checa 6,5 % 13 % 6,5 %

Países como o Reino Unido, Holanda e Espanha apresentavam níveis de consumo de energia produzida por FER inferiores à média europeia e superiores relativamente à necessidade de aumentar a produção de energia renovável.

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Os restantes países da EU-27 apresentam níveis mais optimistas que os países acima referidos. Neste último grupo, encontra-se inserido Portugal ocupando a 5º posição no que respeita aos países da EU-27 que apresentam melhores níveis de energia consumida produzida por FER assim como das metas mais elevadas estabelecidas para 2020, e a 12ª posição para as quotas a aumentar em produção de energia renovável. Em 2008, a Comissão Europeia estabeleceu um plano de acção para a energia, mais vulgarmente designada pela “Estratégia dos 20-20-20”. Este plano a atingir em 2010, que consiste em 3 metas: na diminuição em 20% das emissões de gases com efeito de estufa, no aumento em 20% da energia produzida por Energias Renováveis, e em 10% de biocombustíveis nos transportes, e no aumento da eficiência energética em 20%. Esta estratégia deu origem ao “Pacto do Autarcas”, ao qual aderiram 350 autarquias europeias, das quais 7 são portuguesas.

1.2. Perfil Energético de Portugal Portugal é um país com escassos recursos energéticos, nomeadamente petróleo, carvão e gás, sendo estes combustíveis a base da economia nacional verifica-se uma elevada dependência energética. Até o ano de 2006, Portugal registou um aumento do consumo e das importações de energia primária (Figura 1.2). Apesar de se ter verificado uma tendência para o aumento de produção de energia este não foi suficiente para acabar com a dependência energética nacional.

Figura 1.2 - Produção doméstica, importação e consumo de energia primária

(DGEG, 2008).

O consumo de energia primária em Portugal baseia-se essencialmente no petróleo, cujo consumo em 2007 encontrava-se nos 54% (Figura 1.3). Outros combustíveis fósseis, como


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o gás natural e o carvão, asseguram as necessidades energéticas nacionais tendo apresentado para o ano de 2007 consumos de 15% e 11,3%, respectivamente. O contributo das energias renováveis no consumo total de energia primária de 17,1%, sendo o maior contributo da energia hídrica seguindo-se a energia eólica.

Figura 1.3 - Quota do consumo de energia primária (%) por Tipo de fonte de energia.

(Adaptado de Direcção-Geral de Geologia e Energia).

O maior consumo final de energia a nível nacional dá-se no sector dos transportes, tendo-se mantido a quota de 36% em 2004 e 2007 (Figura 1.4). O mesmo se verifica nos sectores da agricultura (2%), das pescas (1%), da indústria extractiva (1%) e transformadora (28%), que mantiveram as suas quotas em 2004 e 2007. Foi nos sectores das construções e obras públicas, doméstico e de serviços que se registaram as alterações de consumo, tendo as construções e obras públicas passado de uma quota de 16% para 17%, o doméstico de 4% para 3%, e os serviços de 13% para 12%.

2%

1%

1%

28%

4%

36%

16%

13%

2004

Agricultura

Pescas

Ind. Extractiva

Ind. Transformadora

Const. e obras públ.

2% 1%1%

28%

3%36%

17%

12%

2007 Agricultura

Pescas

Ind. Extractiva

Ind. Transformadora

Const. e obras públ.

Transportes

Sector doméstico

Serviços

Figura 1.4 - Quota do consumo final de energia (%) por sector de actividade económica – Anual.

(Direcção-Geral de Geologia e Energia).

De forma a reduzir esta dependência, Portugal tem vindo a investir em Fontes de Energia Renovável (FER) e em campanhas para a redução do consumo de energia (Figura 1.5).

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Figura 1.5 - Quota da produção bruta de electricidade (%) por Localização geográfica (NUTS - 2002) e Tipo de produção de

electricidade – Anual.

(Direcção-Geral de Geologia e Energia)

1.3. Emissões Fósseis Com o Livro Branco, a Comissão Europeia fixou o objectivo indicativo de 12% de contribuição das FER para o consumo bruto de Energia da União Europeia até 2010 (o seu consumo em 1995 era de 5,44%). Num dos vários pontos Livro Branco, a União europeia deverá aumentar a produção da electricidade a partir de fontes de energia renovável de 337 TWh em 1995 a 675 TWh em 2010 ou seja aumentar a produção de electricidade a partir das FER de 14% para 22%. Neste contexto a capacidade instalada de energia eólica deverá passar de 2,5GW em 1995 para 40.000 MW (40 GW) em 2010, a qual poderá produzir 80 TWh de electricidade (2,8% da produção de electricidade da UE), contra 4TWh (0,2% da produção de electricidade da UE) em 1995, e evitar a emissão de 72 milhões de toneladas do CO2 por ano (Comissão Europeia, 1997). A União Europeia (UE), com a directiva 2001/77/EC, reconhece a necessidade de promover as fontes de energia renovável considerando-as vectores estratégicos na protecção ambiental e no desenvolvimento sustentável (Comissão Europeia, 2001). Através desta directiva, a UE estabeleceu como meta indicativa para a Europa a produção, a partir de fontes renováveis, de 22 % da energia eléctrica consumida em 2010. Espera-se alcançar este objectivo através de quotas assumidas pelos diferentes estados-membros. Essa quota foi recentemente revista, aquando da adesão dos 10 novos estados-membros, passando para 21 %. Em Portugal, a directiva comunitária traduziu-se num plano estratégico para promoção das fontes de energia renovável, designado Programa E4 (Eficiência Energética e Energias


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Endógenas). Com este programa de apoio, Portugal pretende atingir a meta dos 39 % de produção de energia eléctrica a partir de fontes de energia renovável, obedecendo ao estabelecido na directiva 2001/77/EC. Para tal, Portugal deverá mobilizar cerca de 5 mil milhões de euros de investimento para este sector. Com a implementação desta directiva a produção energia eólica nacional foi em 2002 trezentas e sessenta vezes superior ao registado em 1991 e a sua aplicação faz prever a instalação em Portugal de cerca de 2500 a 3000 MW de conversores eólicos, no horizonte de 2010 (Castro, 2007).

Quadro 1.3 - Emissões de CO2 dos países da UE-27 e respectivas metas de Kyoto.

(EEP, 2008)

O “Pacto dos Autarcas” pretende reduzir, até 2020, em 20% as emissões de gases com efeito de estufa (GEE) produzidos pelos municípios signatários, no âmbito do Plano Europeu de Acção para Eficiência Energética.

1.4. Energia Eólica

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A energia eólica é das energias renováveis em que se investiu mais em Portugal. O seu crescimento tem sido exponencial ao longo dos anos, principalmente devido á contribuição da Europa onde está a maior parcela de produção. Em 2002, a UE era detentora de 75% da potência total instalada em todo o mundo, correspondendo esta percentagem em grande parte à forte contribuição de países como a Alemanha, a Espanha e a Dinamarca (Quadro 1.4).

Quadro 1.4 - Potencia instalada (MW) por cada estado membro da UE-15.

(EWEA)

Ano/país Áus. Bél. Din. Finl. Fra. Alem. Gré. Irlan. Itá. Lux. Hol. Port. Esp. Sue. R.U. Total

1996 10 4 842 7 6 1552 29 11 70 2 299 19 249 103 273 3476 1997 20 4 1129 12 10 2081 29 53 103 2 319 38 512 122 319 4753 1998 30 6 1443 17 14 2875 39 73 180 9 361 60 834 174 333 6448 1999 34 6 1771 39 25 4442 112 74 277 10 433 61 1812 220 362 9678 2000 77 13 2417 39 66 6113 189 118 427 10 446 100 2235 231 406 12887 2001 94 31 2489 39 78 8754 272 125 697 15 493 125 3337 240 474 17263 2002 139 44 2880 41 145 12001 276 137 785 16 688 194 4830 328 552 23056 2003 415 68 3115 52 256 14609 375 191 904 22 910 296 6203 399 648 28463 2004 606 96 3118 82 390 16629 473 339 1265 35 1079 522 8263 442 907 34246 2005 819 167 3122 82 757 18428 573 496 1717 35 1219 1022 10027 500 1353 40317

Legenda: Áus - Áustria; Bel - Bélgica; Din – Dinamarca; Finl – Finlândia; Fra – França; Alem – Alemanha; Gré – Grécia; Irlan – Irlanda; Itá – Itália; Lux – Luxemburgo; Hol – Holanda; Port – Portugal; Esp – Espanha; Sue – Suécia; R.U. – Reino Unido

Em 2005, estes três países detinham 31577MW de capacidade instalada, ou seja 78% do total da UE (15). Nesse mesmo ano o total de potência instalada na UE-15 era de 40317MW o que superou a meta estabelecida de 40000MW. Em 2003, surge a “European Wind Energy Association” com uma nova visão mais ambiciosa que a Comissão Europeia, revendo o objectivo de potência instalada em energia eólica para os 75 GW, em 2010, e 180 GW, em 2020. Em 2008, a Alemanha e Espanha mantinham-se como os países com maior potência instalada de energia eólica, com 23903 MW e 16740MW (Quadro 1.5). O mesmo não se verifica com a Dinamarca que foi suplantada pela Itália, França e Reino Unido. A evolução de energia eólica em Portugal foi notória. Portugal passou de 1022MW em 2005 para 2862 MW em 2008, mais do dobro. No âmbito da Directiva do Parlamento Europeu e do Conselho nº 2001/77/CE, de 27 de Setembro de 2001, Portugal assumiu um objectivo agressivo na vertente da promoção das


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energias renováveis. Assim, Portugal estabeleceu, como meta para 2010, aumentar o contributo das energias renováveis para 39% do consumo bruto anual de electricidade.

Quadro 1.5 - Potência instalada de energia eólica na UE, 2008.


Estado Membro Potência instalada(MW)

1 Alemanha 23903

2 Espanha 16740

3 Itália 3736

4 França 3404

5 Reino Unido 3241

6 Dinamarca 3180

7 Portugal 2862

8 Holanda 2225

9 Suécia 1021

10 Irelanda 1002

11 Austria 995

12 Grécia 985

13 Polónia 472

14 Bélgica 384

15 Bulgária 158

16 Rep. Checa 150

17 Finlândia 143

18 Hungria 127

19 Estónia 78

20 Lituânia 54

21 Luxemburgo 35

22 Letónia 27

23 Roménia 10

24 Eslováquia 3

25 Chipre 0

26 Malta 0

27 Eslovénia 0

De 1995 a 2005, num período de 10 anos, Portugal apresentou um aumento de cerca de 1000MW da potência instalada em energia eólica (Figura 1.6). No entanto, foi a partir do ano 2000 que este crescimento se acentuou, mais concretamente de 2004 para 2005 em que a potência quase duplicou.

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Figura 1.6 - Potência instalada em Portugal relativo á eólica.

(DGGE)

Em Portugal, devido à sua situação geográfica e geo-morfologia, apenas nas montanhas a velocidade e a regularidade do vento é susceptível de aproveitamento energético. A maior parte dos locais com essas características situa-se a norte do rio Tejo e, a sul, junto à Costa Vicentina e Ponta de Sagres. A produção, em 2006, foi 2892GWh correspondendo a uma potência eólica instalada de 1681 MW distribuída ao longo de todo o território continental (Quadro 1.6). A potência instalada em Julho de 2007 situava-se em 1939 MW, dando origem a uma produção de 2268GWh. O aumento acentuado no investimento nacional na Energia Eólica ao longo dos últimos anos resultou num aumento da potência instalada como verificado no gráfico anterior. Esta evolução coloca Portugal numa frente de desenvolvimento.

Quadro 1.6 - Caracterização da potência eólica em Portugal Continental.

(DGGE, 2007)


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2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Julho 2007

Totalidade dos Parques Potencia Instalada (MW) 76 114 175 253 537 1047 1681 1939 Produção (GWh) 154 239 341 468 787 1741 2892 2268 Nº de parques instalados 9 16 24 42 71 103 139 147 Nº de aerogeradores instalados 123 173 213 276 441 701 964 1083

Parques com potencia instalada estabilizada Potencia Instalada (MW) 51 71 111 183 266 611 999 1218 Produção (GWh) 114 177 271 420 594 1405 2119 1538

Potencia média (MW) dos parques 8,4 7,1 7,3 6,0 7,6 10,2 12,1 13,2 dos aerogeradores instalados 0,6 0,7 0,8 0,9 1,2 1,5 1,7 1,8 dos aerogeradores instalados em cada ano 0,5 0,8 1,5 1,2 1,7 2,0 2,4 2,2

1.5. Energia Solar Responsável pela existência de vida na Terra e sua manutenção, o Sol é a principal fonte de energia terrestre, permitindo a existência de vida. A energia que provêm do Sol, energia solar, é inesgotável, praticamente constante (pois pode-se verificar alterações resultantes da actividade solar e da órbita terrestre), e limpa. O Sol fornece, para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x 1018 kWh/ano, o que equivale a 10.000 vezes o consumo anual mundial de energia. Esta energia, ao atingir a atmosfera terrestre pode ser absorvida ou reflectida pelos seus diferentes componentes. A radiação solar incidente no topo da atmosfera é de 1367 W/m2, correspondendo a cerca de 1000 W/m2 a radiação solar que atinge diariamente a superfície terrestre, registando-se uma perda de 30%. A radiação incidente é constituída por: radiação directa (atinge directamente a superfície terrestre sem nenhuma interferência), radiação difusa (desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera) e radiação reflectida (proveniente da reflexão no solo e objectos circundantes). A nível nacional verifica-se que a radiação solar global varia entre 140kcal/cm2 no Norte do País e 170 kcal/cm2 no Sul (Figura 1.7).

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Figura 1.7 - Radiação global anual em Portugal.

(Solar Térmico, 2004)

O potencial disponível de energia solar comparativamente com a UE é bastante elevado, dispondo de um número médio anual de horas de Sol entre 1800-3100 para o continente (Figura 1.8). Esta energia solar pode ser utilizada directamente para aquecimento, sobre a forma de colectores solares, e para produção de energia eléctrica, através de painéis fotovoltaicos. Apesar do elevado potencial desta energia e de algumas medidas implementadas pelo Estado, não se verifica uma grande aposta e evolução desta energia. Á excepção da central fotovoltaica de Moura, com uma potência instalada de 62 MW, ocupa uma superfície aproximada de 114 hectares. E da central fotovoltaica de Serpa, com uma potência instalada de 11MW através de 52.000 painéis fotovoltaicos numa área de 64 hectares. A sua grande vantagem reside no facto de se tratar de uma fonte de energia repartida equitativamente.


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Figura 1.8 - Insolação global anual em Portugal.

(Solar Térmico, 2004)

Em 2006, a capacidade total instalada eléctrica de origem solar a nível nacional era praticamente inexistente, ao contrário de países como a Alemanha que apesar de terem um potencial solar inferior ao de Portugal apresentam um investimento em energia solar muito superior, neste caso em energia fotovoltaica (Figura 1.9).

Figura 1.9 - Capacidade total instalada eléctrica, 2006.

(Eurostat)

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No que respeita a energia solar térmica, em 2006, Portugal apresentava uma capacidade instalada muito reduzida. Enquanto a Alemanha, Áustria, França, Holanda e Dinamarca, com potenciais inferiores, têm uma capacidade instalada muito superior (Figura 1.10). Existe ainda o caso da Grécia, que com condições semelhantes a Portugal, apresenta uma capacidade instalada superior em larga escala.

Figura 1.10 - Capacidade total instalada de energia térmica, 2006.

A nível europeu, para o ano de 2006, a contribuição da energia solar térmica na produção de energia eléctrica era nula e na produção de 0,77Mtep, tendo-se verificado um aumento de cerca de 51% desde 2002. Considerando a situação energética, ambiental e económica em que o mundo se encontra a União Europeia traçou metas a atingir a nível comunitário e de cada estado membro. Foram assim efectuadas projecções das metas consideradas tangíveis de serem alcançadas nos anos de 2010 e 2020. Para a produção de energia eléctrica a partir de energia solar foi projectado para 2010, 20TWh para fotovoltaica e 2 TWh para a solar térmica (Figura 1.11). Tendo sido estipulada para 2020 uma meta de 180TWh para a fotovoltaica e 43TWh para a solar térmica. Verifica-se que existe uma maior aposta na produção de energia através de fotovoltaica do que através de solar térmica.


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Figura 1.11 - Produção de energia a partir de Energia Solar (TWh).

(EREC, 2008)

No entanto, a nível de produção de energia para aquecimento verifica-se um investimento na energia solar térmica. Tendo sido projectado para 2010 uma produção de energia para aquecimento de 1,8 Mtep e para 2020 de 12Mtep (Figura 1.12).

Figura 1.12 - Produção de energia para aquecimento a partir de Energia Solar (Mtep).

(EREC, 2008)

Verifica-se assim uma preocupação por parte da União Europeia em aumentar a produção de energia a partir de FER, de forma a fazer face à problemática dos combustíveis fósseis.

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Capitulo 2 – Hidrogénio O hidrogénio é o elemento mais abundante do Universo, apresenta uma massa atómica de aproximadamente 1,0 u, uma baixa energia de ignição de 0,019mJ e uma baixa densidade, de 84 g/m3, a uma temperatura de 15 ºC e uma pressão de 1 bar. Apresenta-se normalmente na sua forma molecular (H2), formando um gás inflamável, incolor, inodoro, não-metálico, insípido e insolúvel em água. É considerado o combustível de utilização mais eficiente, o que é corroborado quando comparamos o poder calorífico superior e inferior do hidrogénio a outros combustíveis (Quadro 2.1).

Quadro 2.1 – Poder Calorífico Superior e Inferior para diferentes combustíveis.

Poder Calorífico Superior, a 25ºC e 1atm (kJ/g)

Poder Calorífico Inferior, a 25ºC e 1atm (kJ/g)

Hidrogénio 141,86 119,93 Metano 55,53 50,02 Propano 50,36 45,60 Gasolina 47,50 44,50 Gasóleo 44,80 42,50

Gás Natural 42,5 38,1 Carvão 34,1 33,3 Metanol 19,96 18,05

O hidrogénio é o combustível com mais energia por unidade de peso, ou seja, a energia libertada pelo hidrogénio é cerca de 2,5 vezes superior à dos outros combustíveis, o que significa que para fornecer a mesma quantidade de energia é necessário menos massa de hidrogénio. Como foi dito anteriormente, o hidrogénio está sempre associado a outros elementos, por isso para ser obtido é necessário fornecer energia para a sua dissociação, razão pela qual não é tratado como uma fonte de energia, mas como um vector energético. O grande problema do hidrogénio reside no seu transporte e armazenamento, porque apesar de apresentar um elevado poder energético por unidade de massa, em condições PTN está no estado gasoso, e o seu valor energético por unidade de volume é muito baixo, por isso é necessário armazená-lo a elevadas pressões, ou mantê-lo no estado liquido, para que seja armazenada uma quantidade significativa deste composto. O hidrogénio não é considerado nem mais e nem menos perigoso que os outros combustíveis. É um gás incolor, inodoro e sem sabor, não sendo perceptível através dos

Capitulo 2 – Hidrogénio

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sentidos aos humanos, felizmente não se trata de um gás venenoso. Apesar de quando presente numa concentração igual ou superior a 30%, a sua inalação poder resultar em asfixia por substituição do oxigénio do ar. O hidrogénio é considerado como um combustível muito inflamável e explosivo no ar, pelo facto de necessitar de quantidades de energia muito baixas para a sua ignição, 0,019mJ, cerca de 1/10 da do propano. O hidrogénio, sendo um gás muito leve devido à sua baixa densidade, de 84 g/m3a 15 ºC e 1 bar, e com moléculas de dimensões muito pequenas, pode resultar facilmente numa fuga através de materiais fundidos ou com fissuras finas. Uma fuga de hidrogénio dispersar-se-á rapidamente subindo no ar, assim como, uma chama de hidrogénio também subirá em lugar de se espalhar horizontalmente. No entanto, caso o processo de queima ocorrer num espaço fechado, devido ao calor resultante, há um rápido aumento de pressão que pode ser muito destrutivo. O hidrogénio líquido, devido à sua baixa temperatura, apresenta uma capacidade de reagir com o oxigénio ligeiramente mais reduzida. A sua baixa temperatura, pode resultar em fissuras de materiais, como a borracha, plásticos, aço e carbono, comprometendo a ductilidade destes materiais. O hidrogénio criogénico no estado líquido ou gasoso (após evaporado) pode causar queimaduras criogénicas por contacto com a pele. Não representa um risco para o meio ambiente, não afectando a camada de ozono e não contribuindo para o efeito de estufa, pois os gases libertados na sua combustão não contêm qualquer CO2 ou fuligem. Apesar das vantagens que o hidrogénio apresenta em termos ambientais e energéticos, a evolução na implementação do hidrogénio têm se vindo a verificar mais lentamente do que nas energias renováveis. No entanto tem se denotado nos últimos anos um maior interesse e investimento no Hidrogénio, com o objectivo de produzir energia. No ano de 2007, a Comissão Europeia adoptou 2 propostas, a constituição da iniciativa “Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative” (JTI), um programa de investigação, desenvolvimento tecnológico e demonstração, e a introdução no mercado de alguns carros movidos a hidrogénio. Em 2008, a Comissão Europeia recebe apoio do Parlamento Europeu na proposta de simplificação da aprovação de veículos movidos a hidrogénio. Em 2009, foram disponibilizados cerca de 140 milhões de euros, dos quais 71,3 milhões de euros foram disponibilizados pela Comissão e igualados em valor pelos parceiros industriais, para 29 projectos com o objectivo de colocar 2 a 5 anos mais cedo a tecnologia das células de combustível e hidrogénio. O ano de 2009 terminou em grande com a 15ª Conferência das Partes sobre o Clima (COP-15), em Copenhaga. Esta conferência iniciou-se com veículos movidos a hidrogénio do projecto HyRaMP, que contou com a colaboração de 30 municípios e regiões europeias

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para a promoção do hidrogénio. Registaram-se empresas de peso como a Air liquide, Honda, Horizon, Peugeot com medidas energéticas com base no hidrogénio.

2.1. Produção de Hidrogénio

A produção de hidrogénio pode ser feita de diversas formas e através de variadas fontes, consoante a quantidade e o grau de pureza desejados. Os processos de produção podem ser químicos, físicos e biotecnológicos. Os processos químicos são Feedstocks, Reformação, Oxidação parcial de gás natural e Gaseificação de carvão; os físicos são Electrólise, Termólise, Plasmólise, Magnetólise e Foto-electroquímico; os biotecnológicos são: Pirólise e Gaseificação de biomassa, Digestão anaeróbica, Fermentação e Bio-fotólise (Figura 2.1).

Figura 2.1 - Processos de produção de Hidrogénio.

(Hydrogen Production and Storage, 2006)

Segue-se uma breve descrição destes processos, à excepção do processo de electrólise que será abordado em capítulo posterior em maior detalhe.


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2.1.1. Reformação A produção de hidrogénio a partir do processo de Reformação (“Reforming” )consiste na conversão de hidrocarbonetos leves, como o metano e a gasolina, pela exposição ao vapor de água em gases. Este processo é o mais utilizado pelo seu elevado rendimento de 65-85%. O processo de Reformação ou de Reforma a vapor do metano, principal constituinte do gás natural e biogás (produzido por fermentação e digestão anaeróbia), apresenta duas etapas. Na 1ª etapa, é utilizado vapor a altas temperaturas, entre 700 - 1000°C, que vai reagir com o composto para produzir hidrogénio. Na 2ª etapa, designada por "water-gas shift reaction", o monóxido de carbono e o vapor produzem mais hidrogénio e dióxido de carbono.

2.1.2. Oxidação parcial A produção de hidrogénio a partir do processo de Oxidação parcial consiste na conversão de hidrocarbonetos pesados, como o petróleo e o carvão. Por serem dificilmente volatilizáveis, devem ser parcialmente oxidados para depois serem volatilizados na presença de vapor de água. A produção de hidrogénio a partir de petróleo consiste num processo de oxidação parcial dos hidrocarbonetos que o constituem, sendo aquecido até os 1400°C, seguindo-se uma reacção de "water-gas shift reaction". A partir do carvão, assim como da biomassa, necessita de um pré-tratamento, processo de gaseificação pelo facto de se tratar de um combustível sólido, e em seguida, o gás sintético obtido neste processo sofrerá uma oxidação parcial como a efectuada no petróleo. O rendimento do processo de oxidação parcial é da ordem dos 50%, para centrais de grande dimensão.

2.1.3. Pirólise da biomassa A produção de hidrogénio a partir de biomassa pode também ser efectuada através da pirólise da biomassa, que consiste na quebra das ligações moleculares constituintes da biomassa por acção do calor (500-600ºC), sem a intervenção de ar ou outro reagente. Este processo extrai os álcoois presentes na biomassa, que após sujeitos a um processo de reforma a vapor produzem hidrogénio.

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2.1.4. Bio-fotólise A produção de hidrogénio pode ser efectuada por bio-fotólise, processos biológicos realizados por intermédio de algas e bactérias. Com o recurso de sistemas catalíticos e de engenharia o rendimento do processo biológico de produção de hidrogénio pode atingir um rendimento de 24%. (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). A produção de hidrogénio por bio-fotólise pode ser efectuada a partir de algas verdes, que consiste na existência de uma enzima hidrogenante reversível que produz hidrogénio através de protões em condições anaeróbicas. De microalgas, que utilizam o N2 e CO2 atmosféricos como fontes de azoto e carbono, água como fonte de electrões e poder redutor, e a luz como fonte de energia. E a partir de bactérias, fotossintéticas através das enzimas nitrogenase e hidrogenase em que é necessária iluminação, uma atmosfera inerte e anaeróbica, ou fermentativas em que as hidrogenases, presentes nestas bactérias, produzem hidrogénio por forma a eliminar o excesso de electrões gerados durante a degradação de um substracto orgânico.

2.1.5. Termólise A termólise consiste na decomposição da água em hidrogénio e oxigénio, através do fornecimento de energia térmica, quer de uma forma directa quer através de diferentes reacções químicas (brometo ou iodeto). A eficiência teórica da termólise simples é de 64%, para uma temperatura de 2500 K e uma pressão de 1 bar. Este processo pode ser efectuado em centrais solares, cuja energia térmica é fornecida por meio de colectores solares, de forma a maximizar a energia solar térmica, e em centrais nucleares, através da energia térmica produzida numa central deste tipo (1573K) e do líquido de refrigeração.

2.1.6. Foto-electrólise Fotólise da água ou foto-electrólise, é um processo de produção de hidrogénio que consiste na conversão de luz solar directa em H2. A foto-electrólise consiste numa electrólise através do uso directo da radiação solar, na conversão da luz em corrente eléctrica e então a transformação duma entidade química (H2O, H2S, etc.) em energia química utilizável (H2). Para este processo é necessário o uso


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de uma célula foto-electroquímica para realizar as várias reacções foto-eléctricas, sendo esta célula composta por um dispositivo semicondutor que absorve a energia solar e gera a corrente necessária para separar as moléculas da água.

2.1.7. Plasmólise, Magnetólise e processo “Mechano-catalytic” A plasmólise, magnetólise e o processo “Mechano-catalytic são processos de decomposição da água, podendo ser considerados como casos particulares da electrólise. A plasmólise consiste numa electrólise cuja água é um plasma, criado através dum campo eléctrico de baixa frequência (8,1Hz). No geral, o processo envolve a pulverização de água ou a passagem de vapor de água num plasma produzido em um reactor e na recolha dos produtos, como o hidrogénio, à saída. Pode atingir eficiências na ordem dos 2,9%. A magnetólise é uma electrólise em que a d.d.p. eléctrica necessária é criada no interior do electrolisador por indução magnética. A produção de hidrogénio pelo processo “Mechano-catalytic” consiste na decomposição de água destilada quando certos óxidos em pó são dispersados nesta e agitados através duma barra de agitação magnética. A eficiência deste processo pode atingir os 4,3%.

2.1.8. Outros processos A produção de hidrogénio pode ser realizada através de reacções de metais como o alumínio com água de cal (hidróxido de cálcio), ou com hidróxido de sódio. Ou pela acção de ácido sulfúrico o clorídrico como ferro ou zinco (ex: H2SO4(aq) + Zn → ZnSO4(aq) + H2). O hidrogénio pode ainda ser produzido pelo aquecimento de hidretos (MHx + calor →M + x/2 H2) e pela decomposição térmica de amoníaco ( 2NH3 + catalizador → N2+ 3H2).

Quadro 2.2 - Resumo dos processos de produção de hidrogénio.

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Método Primário

Processo Fonte Energia Outro

Térmico

Reformação a Vapor

Gás natural Calor Rendimento de 70%.

Termólise Água Calor (temperaturas elevadas).

Sem emissões.

Gasificação Carvão, Biomassa

Vapor e Oxigénio (temperatura e pressão elevadas).

Algumas emissões.

Pirólise Biomassa Vapor (Temperatura média-alta).

Algumas emissões.

Electroquímico

Electrólise Água Electricidade Algumas emissões (depende da fonte de produção de electricidade)

Foto-electrólise Água Radiação solar directa.

Baixas emissões

Biológico

Bio-fotólise Água, algas e bactérias

Radiação solar directa

Sem emissões.

Digestão anaeróbia

Biomassa Vapor (temperaturas elevadas)

NOVO (a desenvolver)

Fermentação/ Microrganismos

Biomassa Vapor (temperaturas elevadas)

NOVO (a desenvolver)

2.2. Transporte e Armazenamento Cerca de 83% do hidrogénio é produzido no local de consumo, não sendo necessário o seu transporte, evitando-se assim o alto custo e ineficiência associados a este. Os restantes 17% do hidrogénio produzido necessita de ser transportado, sendo este transporte efectuado essencialmente por “pipelines” , garrafas e tanques. O hidrogénio ao ser transportado no estado gasoso por “pipelines” , usa uma rede de tubagens idêntica às utilizadas para transporte de gás natural, e necessita que seja bombeado três vezes mais volume de hidrogénio para se conseguir a mesma quantidade de energia.


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Sob a forma gasosa o hidrogénio também pode ser transportado em cilindros e reboques com tanques próprios para o efeito, podendo ser utilizados camiões, vagões e barcos. Para o transporte de hidrogénio a grandes distâncias, este é efectuado sob a forma líquida através de camiões, barcos e vagões, evaporando-se no local de uso. Estes meios de transporte devem conter tanques refrigerados com bons isolamentos para que o hidrogénio se mantenha frio e se evite a passagem deste do estado líquido para o estado gasoso. Ao nível de armazenamento, as tecnologias actuais permitem armazenar grandes quantidades de hidrogénio de três formas: como gás comprimido a elevadas pressões, como hidrogénio líquido a baixas temperaturas (-253ºC) ou dissolvido em substâncias sólidas.

O armazenamento de hidrogénio no estado gasoso é efectuado pela sua compressão, é usado normalmente em frotas de autocarros e em unidades de pilhas de combustível usadas nas habitações. Esta forma de armazenamento é efectuada em cilindros (botijas) ou tanques sobre pressão, sendo um método de armazenamento directo amplamente usado quando são necessárias pequenas quantidades de gás ou quando não existe problemas de espaço. A pressão de compressão do hidrogénio ronda os 200-250 bar para tanques de armazenamento de 50 litros, podendo atingir os 500-600 bar para utilização em larga escala (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). O armazenamento de hidrogénio no estado líquido tem a particularidade de ser bastante mais caro pelo facto de ser necessária bastante energia para mantê-lo sob pressão e a uma temperatura muito baixa (inferior a –253ºC), e de ser menos eficiente energeticamente, pois cerca de 40% da energia contida no hidrogénio pode ser perdida nos transvases. O armazenamento de hidrogénio no estado líquido permite o armazenamento de grandes quantidades de energia em espaços pequenos, o que é ideal para automóveis e aviões pois os tanques podem ser pequenos e leves.

O armazenamento do hidrogénio pode ainda ser feito no estado sólido por absorção em um metal ou por formação de um hidreto de metal. Este método consiste na combinação de vários tipos de metais, com alguma percentagem de pureza ou puros, com o hidrogénio (sob alguma pressão), ao qual corresponde a equação geral (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.):

M + H2 � MH2 equilibrio

Existe também a possibilidade de absorção de moléculas de hidrogénio em carbonos activos, que consiste essencialmente na ligação do carbono com átomos de hidrogénio. O carbono absorve o hidrogénio de -185 a -85ºC e de 21 a 48 bar, aumentando

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a quantidade absorvida a temperaturas mais baixas, sendo necessário aquecê-lo a 150ºC para libertar o hidrogénio(dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.). Assim como, o uso de hidretos alcalinos que envolve a utilização do hidróxido de sódio, potássio ou componentes de lítio, que em contacto com água libertam hidrogénio sem ser necessária a adição externa de calor (dos Santos, F.M.S. e dos Santos, F.A.C.M.).

Outras formas de armazenamento de hidrogénio são as microesferas, e os nanotubos. As primeiras, respectivamente, são esferas de vidro muito pequenas que podem armazenar o hidrogénio a pressões elevadas. Consistindo este processo na introdução de hidrogénio a temperaturas elevadas nas esferas de vidro, mantendo-se no seus interior com o abaixamento da temperatura, sendo necessário fornecer novamente calor para este ser libertado. Os nanotubos consistem num sólido cristalino constituído por tubos muito pequenos de carbono que armazenam hidrogénio debaixo de pressão, este processo ainda se encontra em estudo.

Capitulo 3 – Produção de Hidrogénio via Electrólise

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Capitulo 3 – Produção de Hidrogénio via Electrólise Dos vários processos de produção de hidrogénio destaca-se o processo de electrólise da água, o qual é focado neste estudo. Trata-se do processo mais conhecido de produção de hidrogénio e que apresenta maior rendimento.

3.1. Descrição do Processo A electrólise consiste na utilização de energia eléctrica de forma a forçar a ocorrência de uma reacção de “decomposição” da água, reacção essa que não é espontânea. A reacção consiste na quebra das ligações O-H das moléculas de água, para a qual é necessária uma energia mínima de 1,229 eV, nas condições PTN (a uma temperatura de 25°C e a uma pressão de 1 bar). Essa reacção é definida pela equação:

H2O(l) � H+(aq) + OH-

(aq) Assim, à passagem de corrente, os iões H+ transportam a carga eléctrica através da solução, formando um campo magnético. Os iões positivos (H+) são atraídos para o cátodo (eléctrodo negativo) e os iões negativos (OH-) são atraídos para o ânodo (eléctrodo positivo). No cátodo, verifica-se a transferência de electrões para os iões H+ ficando este com carga nula. Devido à sua instabilidade, estes átomos ligam-se entre si formando moléculas de gás hidrogénio (H2) (Quadro 3.1). No ânodo, verifica-se a captação dos electrões em excesso dos iões negativos (OH-) mais próximos, obtendo-se oxigénio na forma de gás. Estas reacções que se verificam ao nível dos electrodos podem ser definidas por:

Quadro 3.1 - Reacções químicas verificadas ao nível dos electrodos.

Reacções

No cátodo: 2H+ + 2e- � H2

No ânodo: 2OH- � H2O + 2e- + ½ O2

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No entanto, o comportamento dos iões produzidos no processo de electrólise pode ser resumido pela equação e imagem que se seguem (Figura 3.1):

H2O(l) � ½ O2(g) + H2(g)

Figura 3.1 - Esquema resumido do processo de electrólise.

( H2 - A economia do Hidrogénio)

Para a reacção de electrólise da água, para valores padrão de Pressão = 1 atm e Temperatura = 25ºC = 298 K, o valor de variação de entalpia é de +286 kJ/mol. A reacção de electrólise apresenta um valor de ∆H > 0, o que significa que a reacção é endotérmica, e que a energia absorvida durante a reacção é superior à libertada. O diagrama que se segue representa o ciclo de produção de hidrogénio a partir energia eléctrica no processo de electrólise e do seu consumo para a produção de energia eléctrica (Figura 3.1).

Figura 3.2 – Diagrama representativo do ciclo do hidrogénio, produção e consumo.


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Encontra-se de forma resumida a descrição do processo de electrólise, em que no electrolisador entra energia eléctrica e água, saindo oxigénio e hidrogénio. Estes dois gases serão usados na pilha de combustível, originando a produção de energia eléctrica e de água.

3.2. Tecnologia da electrólise A tecnologia da electrólise pode ser de 3 tipos: alcalina, membrana de troca de protões (PEM – “Proton Exchange Membrane”) e células de electrólise de óxido sólido (SOEC – “solid oxide electrolysis cells”). A tecnologia mais utilizada é a de electrolisadores alcalinos, devido aos custos reduzidos de investimento. No entanto, apresenta uma baixa eficiência e altos custos energéticos (Quadro 3.2). A tecnologia SOEC é a que corresponde a uma eficiência mais elevada, mas é menos utilizada devido aos obstáculos relacionados com o equipamento. Entre estas duas tecnologias encontra-se a tecnologia PEM, que corresponde a uma eficiência mais elevada que nos sistemas alcalinos e sem os problemas associados aos sistemas SOEC.

Quadro 3.2 - Eficiência dos sistemas de electrólise.

Sistemas de electrólise Eficiências (%) [2] Alcalina 50 - 60

PEM 55 - 70 SOEC 85 - 90

A nível comercial, os electrolisadores de baixa temperatura apresentam eficiências na ordem de 56-73% (70,1-53,4 kWh/kg H2 a 1 atm e 25°C) (Lipor; Relatório de sustentabilidade 2005). A tecnologia PEM consiste numa célula electrolítica sólida, o electrólito usado corresponde a uma membrana polímera ácida.

ânodo: H2O → 1/2O2 + 2 H+ + 2e– cátodo: 2H+ + 2e– → H2

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As principais vantagens deste tipo de tecnologia comparativamente à tecnologia alcalina são: um maior rendimento, uma maior segurança resultante da não utilização de um electrólito de KOH, pressões de funcionamento maiores.

3.3. Electrólise Termicamente Assistida O processo da electrólise não apresenta um rendimento de 100%, como tal a totalidade da energia eléctrica utilizada no processo não produz hidrogénio. Parte da energia eléctrica utilizada no processo é perdida sob a forma de calor. Considerando a termodinâmica, a electrólise é mais vantajosa com água em temperaturas altas (800-1000ºC) por a energia introduzida ser um misto de electricidade e calor (Ai-Quoc Pham, 1999). A introdução de energia calorífica, através do aumento de temperatura da água, acelera as reacções cinéticas, reduzindo a perda de energia devido à polarização dos eléctrodos, aumentando a eficiência global do sistema. A electrólise termicamente assistida deverá apresentar uma maior eficiência que a electrólise convencional, visto que utiliza além da corrente eléctrica uma fonte de calor externa (Ryland, D.K. et al, 2007). De forma a aumentar o rendimento do processo foi efectuada uma electrólise termicamente assistida por um colector solar. Neste estudo, a água não se encontra dentro dos valores de temperatura acima indicados especialmente devido a limitações do equipamento, mas também pela aplicação que se pretende dar, doméstica.

3.3.1. Colectores Solares Os colectores solares são dispositivos de aproveitamento da energia calorífica da radiação solar para aquecimento de águas. Um colector é composto por uma superfície absorsora, um fluído térmico e um circuito que permite transferências térmicas e transporta a energia calorífica. O rendimento de um colector pode depender de vários factores, da radiação solar que sobre ele incide, da sua área, a sua orientação em relação ao sol, nebulosidade. Os colectores solares podem ser de 3 tipos: colectores planos, colectores concentradores e colectores de tubos de vácuo. Os colectores solares planos são os mais comuns, são compostos por uma cobertura transparente de vidro ou plástico, uma caixa plana revestida por um isolamento e uma placa absorsora.


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A cobertura transparente provoca o efeito de estufa, reduzindo as perdas de calor e garantido a estanquicidade do colector. A placa absorsora concentra a radiação solar, e transfere a energia calorífica para o fluído térmico que circula nos tubos. A caixa ao ser isolada evita perdas de calor pois protege o interior do colector de influências externas. Este tipo de colector destina-se a produção de água quente a temperaturas inferiores a 60 ºC.

Os colectores concentradores, atingem temperaturas mais elevadas devido à diminuição de perdas térmicas do receptor. Sendo a concentração a relação entre a área de captação e a área de recepção, a diminuição desta última resulta na redução das perdas. Os colectores de tubos de vácuo correspondem a tubos de vidro transparentes contendo tubos metálicos no seu interior. O interior dos tubos encontra-se em vácuo eliminando as perdas por convecção, aumentando o rendimento. Existem dois sistemas de circulação do fluído térmico, circulação forçada e de termossifão. O sistema de circulação forçada, como o nome indica, necessita de um mecanismo que force a circulação do fluído térmico, sendo para tal utilizado um sistema de sombreamento. O sistema de circulação por termossifão, consiste no aquecimento de uma massa de água contida num recipiente, em que a camada líquida que aquecer mais rapidamente deslocar-se-á em sentido ascendente por ser mais leve que a água fria. De igual forma, a água à superfície do depósito, que se encontra mais fria, tenderá a deslocar-se em sentido descendente, por ser mais pesada. Estabelece-se assim uma corrente circulatória que irá homogeneizar a temperatura da água, e permitir que a água se desloque ao longo do sistema. O sistema de termossifão funciona somente se o depósito for colocado num nível acima ao dos colectores.

3.3.2. Caracterização O colector criado neste projecto corresponde a um colector solar plano, que permite aquecer a água em valores de cerca de 65ºC, com sistema de termossifão, que corresponde a uma solução mais simples de ser implementada e mais acessível em termos monetários pois não necessita da implementação de um mecanismo que force a circulação do fluído térmico. Apesar do intervalo de temperaturas de funcionamento óptimo do processo de electrólise se encontrar entre os 80-100ºC, neste projecto o processo de electrólise não ultrapassará os

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65ºC. A vertente monetária e outros factores, como o material do depósito da água (plástico) e da célula electrolítica não suportar temperaturas superiores a 65ºC, facto verificado experimentalmente, levaram a esta decisão. Foi dimensionado um colector solar, considerando a radiação solar local de 1000W/m2, e para uma temperatura máxima pretendida de aquecimento da água de 65ºC.

Capitulo 4 – Metodologia de Avaliação do Potencial de Hidrogénio

4.1. Modelo de Estudo O projecto incide no estudo do processo de electrólise, e da influência da temperatura neste, para a produção de hidrogénio. Pretendeu-se que a energia eléctrica e energia térmica utilizadas fossem de origem renovável, tendo-se optado pela energia eólica e solar térmica. Este projecto apresenta quatro fases, sendo as três primeiras de trabalho experimental e obtenção de dados, seguindo-se o esquema de estudo utilizado.

Figura 4.1 – Modelo representativo das fases de estudo.


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Para a produção da energia eléctrica necessária ao processo de electrólise foi utilizado um aerogerador existente no topo do departamento de electrotécnica. O aerogerador em causa foi caracterizado quanto ao seu potencial como dispositivo de produção de energia. O objectivo da caracterização do processo de electrólise e a influência da temperatura sobre o mesmo, é o de aumentar o rendimento do processo e de possibilitar a utilização do hidrogénio como forma de armazenamento de energia, no contorno do problema da intermitência das energias renováveis. Deve referir-se, desde já, que alguns dos valores determinados ao longo do projecto, poderão apresentar ligeiras variações, resultantes de atrasos de alguns equipamentos assim como erro humano, não correspondendo aos níveis determinados em condições reais de utilização.

4.2. Material e Métodos

4.2.1. Breve Descrição do Sistema Eólico De acordo com o esquema apresentado, pode afirmar-se que as principais componentes deste sistema de transformação de energia mecânica em energia eléctrica, e da sua posterior conversão de corrente contínua em alternada para introdução na rede eléctrica, são as seguintes:

• O aerogerador (2kW): a energia motora, transmitida pelo vento às pás do aerogerador, é convertida, no seu interior, em energia eléctrica. O aerogerador é constituído por 3 pás de 1,58m, uma torre de 3m e um rotor de 3,2m de diâmetro (Figura 4.2).

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Figura 4.2 – Aerogerador.

• O sistema eléctrico de conversão (Figura 4.3), pois a energia eléctrica produzida necessita de tratamento antes de poder ser introduzida na rede, sendo utilizado o sistema eléctrico de conversão que compreende: a. um rectificador (WEL-2K), que permite a conversão duma corrente alterna

com frequência variável numa corrente contínua estável; b. um inversor (W2KWGTI), que efectua a inversão da corrente contínua em

corrente alternada de frequência constante, para introdução na rede.

Figura 4.3 – Sistema eléctrico de conversão, inversor e rectificador.

b a


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A deslocação de massas de ar pelas pás do aerogerador imprimem um movimento de rotação às mesmas, esta energia mecânica é transformada em energia eléctrica por um gerador eléctrico. De forma a se poder estabelecer uma relação entre a energia eléctrica produzida e a velocidade do vento, foi colocada uma estação meteorológica próxima do aerogerador (Figura 4.4). Através do software DeTransfer foi possível obter os valores de velocidade do vento medidos pela estação meteorológica.

Figura 4.4 - Estação meteorológica.

4.2.2. Descrição do Sistema de Electrólise No estudo do processo de electrólise, foi montado um sistema de medição do H2 produzido no mesmo, designado por método volumétrico, e da energia eléctrica introduzida, sistema esse que se encontra representado no esquema que se segue:

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Electrolizador

5,66

7,00

Tina Fonte de Alimentação

Figura 4.5 – Sistema de electrólise (unidade de medida em cm).

• O electrolisador: O processo de produção de hidrogénio por electrólise dá-se no seu interior.

Figura 4.6 - Electrolisador.

• A fonte de alimentação. ADVANCE. PP33, com um erro de ± 0,05 A. • Tina e tubo de ensaio graduado: conjunto que permite a medição da produção de

hidrogénio. O componente essencial ao estudo do processo de electrólise é o electrolisador, que corresponde à tecnologia PEM.


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Por sua vez, a utilização de uma fonte de alimentação permite um controlo sobre a intensidade da corrente eléctrica que se introduz no electrolisador. Foi também utilizado um Termopar para verificar a temperatura da água, com um erro de ± 1ºC.

4.2.3. Descrição dos Ensaios Os ensaios consistiram em duas etapas, a primeira correspondendo às medições efectuadas no Aerogerador e a segunda correspondendo às medições laboratoriais. 1ªEtapa O projecto inicia-se com a medição de dados do aerogerador, montado no topo do Departamento de Electrotécnica, da Faculdade de Ciências e Tecnologia - Universidade Nova de Lisboa. Estas medições consistem em retirar os dados de velocidade do vento analisados, minuto a minuto, pela estação meteorológica colocada no topo do Departamento de Electrotécnica, e fornecidos pelo computador através do software DeTransfer. Em simultâneo com a medição, no tempo, da corrente contínua gerada pelo aerogerador, através de um multímetro. A análise dos dados obtidos permite identificar a influência da velocidade do vento na corrente eléctrica produzida pelo aerogerador. 2ªEtapa Determinação em laboratório da melhoria do rendimento do processo de electrólise, resultante da introdução controlada de energia eléctrica através duma fonte de alimentação, no electrolisador, e da quantidade de Hidrogénio obtido. O electrolisador utilizado nestes ensaios trata-se de um electrolisador PEM, com um reservatório para a água, água desmineralizada, de cerca de 22 ml. Nesta primeira fase de ensaios da electrólise, faz-se variar o valor da intensidade de corrente, até um máximo de 1 Ampere, a uma temperatura ambiente de 25ºC. A segunda fase de ensaios consiste no estudo do processo de electrólise termicamente assistido, de forma a determinar laboratorialmente o efeito da temperatura no processo de electrólise. É determinada a temperatura passível de se atingir com recurso a um colector solar dimensionado e produzido para o projecto em causa (65ºC). Em seguida, é analisada a influência da temperatura no processo de electrólise através do aquecimento, em laboratório, da água existente na célula electroquímica.

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Fez-se assim, variar o valor da temperatura da água, para alguns dos valores de intensidade de corrente ensaiado na primeira fase, até um máximo de 65ºC. Em ambas as fases de ensaios, o hidrogénio produzido foi medido através da utilização de um tubo de ensaio graduado invertido e inicialmente cheio de água, em que à medida que o hidrogénio é libertado o nível de água no tubo diminui. O volume de hidrogénio produzido é assim dado pelo nível da superfície da água que se encontra no tubo, e pelo valor a que esse corresponde.

Capitulo 5 – Determinação de modelos teóricos

5.1. Dimensionamento de um Colector Solar Antes de se proceder à construção/implementação de um sistema de aquecimento com colectores solares é necessário efectuar o dimensionamento do mesmo. De outra forma, o colector ou sistema de colectores instalado poderá não ser suficiente para aquecimento do volume de água pretendido. Para o dimensionamento, é necessário determinar a demanda de Água Quente (AQ), a demanda energética e a produção de energia do colector solar (Cardoso, 2008). A demanda de AQ, corresponde ao volume de água que se pretende aquecer com o colector solar, que neste caso corresponde ao volume total do depósito. A equação abaixo permite calcular o volume total do reservatório utilizado (depósito cilíndrico com 0,059m de raio e 0,159m de altura).

332. 107,1159,0059,0 mV diáriocons

−×=××= π

No entanto, neste caso particular, o colector será implementado para assistir termicamente na electrólise, é necessário efectuar outros cálculos antes de se passar ao dimensionamento do colector solar. Com o objectivo de aquecer a água criou-se uma “chapa” de cobre com a forma de um trapézio. Inicialmente, pensara-se em utilizar uma “serpentina”, mas devido às dimensões reduzidas do electrolisador em estudo, não se conseguiu construir uma que coubesse no seu interior. Sendo a temperatura máxima pretendida na água de 65ºC, procedeu-se ao cálculo da transferência de calor entre o cobre e a água, de forma a determinar a temperatura a que deverá estar a água no depósito do colector solar.


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Para tal, pretende-se determinar a quantidade de calor cedida pelo cobre a água, através da expressão:

TCmQ p ∆××=

m: massa do corpo (kg); Cp : Calor específico da substância (J /kg°C); ∆T: variação de temperatura (°C). Considerando que na transferência de calor de um corpo mais quente para outro mais frio, numa dada altura se atingirá um equilíbrio e conhecendo-se a temperatura a que os corpos estarão nesse momento, determina-se:

CTi

Ti

TiTfCpmTfTiCpm

cobrechapa

cobrechapa

elecáguaelecáguaelecáguacobrechapacobrechapacobrechapa

º4,68

)2565(4186022,0)65(894012,0

)()(

_

_

______

=⇔

⇔−××=−××⇔

⇔−××=−××

Assim, para a “chapa” de cobre aquecer a água até a uma temperatura de 65ºC esta deverá estar a uma temperatura de 68,4C. Da mesma forma se determina a temperatura a que a água do depósito do colector solar deverá estar para a “chapa” de cobre atingir os 68,4ºC.

CTi

Ti

TiTfCpmTfTiCpm

depositoágua

cobrechapacobrechapacobrechapadepositoáguadepositoáguadepositoágua

º9,68

)254,68(894012,0)4,68(41867,1

)()(

_

______

=⇔

⇔−××=−××⇔

⇔−××=−××

A água do depósito do colector solar deverá estar a uma temperatura de 68,9ºC. Neste momento, já se pode passar ao dimensionamento do colector solar, mais concretamente aos cálculos da demanda energética, energia necessária para efectuar o aquecimento do volume de água pretendido (Cardoso, 2008).

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( ) [ ]mêskWhTT

CpV

L ambbanhomêsmês /

36001000

−= ρ

ρ: densidade da água (1x 103 kg/m3); Vmês : volume de água quente, por mês, em litros; Cp : Calor específico da água a pressão constante (4,18 kJ/kg°C) Tbanho: temperatura da água pretendida; Tamb: temperatura ambiente local. Visto que o volume de água que se pretende aquecer corresponde a um valor diário, que se encontra em m3, e não a um valor mensal em litros, como na equação acima referida, através desta obteve-se a seguinte equação:

( ) [ ]diakWhTT

CpVL ambbanhodiáriodiário /

3600

−⋅⋅= ρ

diakWhLdiário /0886,03600

259,6818,4107,1101 33 =−×××××= −

Para a determinação da produção de energia do colector solar considera-se a equação para a determinação da potência fornecida por unidade de área do colector (Carvalho et al, 1996). Na qual se considera que a radiação incidente no colector é de 1000 W/m2 e que a temperatura ambiente corresponde à temperatura média anual de 15,95ºC (SNIRH).

( )ambfL TTUFFq −−×= ''1000 0η

Os valores de rendimento óptico e do factor de perdas, F’η0 e F’UL respectivamente, considerados correspondem aos valores médios destes parâmetros para um colector plano não selectivo (Lebeña et Costa, 2006). F’η0: 0,75 – 0,80 → F’η0 = 0,775 F’UL: 7,0 – 9,0 (W/°C.m2) → F’UL médio = 8,0 (W/°C.m2) A substituição destes valores na equação para determinação da potência fornecida pelo colector, resulta em:


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( ) 2/006,2299259,680,8775,004,3513 mWq =−×−×=

Por último, falta determinar a área colectora através da equação:

( ))/(

)2mkWhSolarColectorEnergiadeEspecíficaprodução

kWhEnergéticaDemandaColectoraÁrea =

22 33,385038533,0299,2

886,0cmmColectoraÁrea ≈≈=

A área colectora determinada apresenta um valor diminuto relativamente ao esperado. Visto que a radiação incidente considerada para os cálculos corresponde ao valor médio da radiação solar incidente para o ano 2008, na estação meteorológica do SNIRH do Monte da Caparica, que não considera a localização do colector, orientação e inclinação, nem a interferência causada na radiação incidente pela nebulosidade nesse mesmo local optou-se por considerar o valor da área colectora determinado como a área mínima possível para um colector solar. Além da dimensão da área colectora acima obtida, na construção do colector solar foram também considerados os materiais disponíveis no Laboratório de Mecânica da FCT, tais como tubos de 15 e 10 mm de diâmetro, tinta preta, alumínio, lã rocha e vidro. A circulação do fluído térmico foi decidida como sendo de termossifão, pois basta somente colocar o depósito num nível acima ao do colector. Considerando os vários aspectos acima indicados e de forma a atingir a temperatura de cerca de 65ºC, verificou-se a necessidade de aumentar a área colectora para 825 cm2

(Figuras 5.1 e 5.2).

Figura 5.1 – Colector solar implementado.

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Depósito de Água

15,9cm X 11,8cm

Electrolizador

27,5

Colector Solar

0,1cm

1,5c

m

5,66

27,5

7,00

1,5cm

30

1,88

Figura 5.2 – Esquema do sistema de aquecimento do processo de electrólise através dum colector solar (unidade de medida em cm).


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5.2. Dimensionamento de um colector para uma habitação Sendo o consumo máximo de volume diário de água quente por pessoa de 65 litros, considerando que se trata de uma família de 4 pessoas, o volume semanal de água quente consumido será de 1820 litros. Actualmente, a grande maioria das habitações possui máquina de lavar loiça e roupa, cada uma com um consumo de 17 litros por lavagem. Em termos de volume semanal de água quente consumido considera-se que seja de 102 litros, correspondendo a uma utilização semanal de 6 ciclos de lavagem (2 ciclos de loiça e 4 ciclos de roupa). Assim, para efeitos de cálculos considera-se que o volume é de 276,57 litros. Sendo este sistema dimensionado para uma fracção solar de 100%, em que as necessidades de aquecimento de água são respondidas na totalidade por energia solar, apenas é consumida energia solar, o volume deve corresponder a duas vezes ao consumo de água quente diário, neste caso a 553,14 litros. (Energia Solar Térmica, 2004).

33

. 553,014,553 mdmV diáriocons ==

A demanda energética, é obtida de igual forma em relação ao dimensionamento anterior, através da seguinte equação:

( ) [ ]diakWhTT

CpVL ambbanhodiáriodiário /

3600

−⋅⋅= ρ

diakWhLdiário /49,313600

95,156518,4553,0101 3 =−××××=

De igual modo, para a determinação da produção de energia do colector solar considera-se a equação usada anteriormente para a determinação da potência fornecida por unidade de área do colector.

( )ambfLinc TTUFFradq −−×= '' 0η

Considerando o mesmo valor de radiação incidente no colector, o valor médio de 3513,04 W/m2 e que a temperatura ambiente corresponde à temperatura média anual de 15,95ºC (SNIRH).

de 69

Assim como, os valores de rendimento óptico e do factor de perdas, F’η0 e F’UL

respectivamente, como sendo os valores médios destes parâmetros para um colector plano não selectivo: F’η0 = 0,775 e F’UL = 8,0 (W/°C.m2) A substituição destes valores na equação para determinação da potência fornecida pelo colector, resulta em:

( ) 2/006,2299259,680,8775,004,3513 mWq =−×−×=

Por último, falta determinar a área colectora através da equação:

( ))/(

)2mkWhSolarColectorEnergiadeEspecíficaprodução

kWhEnergéticaDemandaColectoraÁrea =

22 1469722,13299,2

49,31mmColectoraÁrea ≈≈=

Obtém-se então, que para as necessidades de energia térmica de uma habitação de 4 pessoas é necessária uma área colectora de 14 m2.

5.3. Modelo Teórico da Electrólise É possível estabelecer-se um modelo teórico para a produção de hidrogénio através de electrólise, considerando a equação global da electrólise:

2H2O(l) � ½ O2 (g) + H2 (g) De forma a se poder comparar com os valores que se determina em laboratório, foi considerando um tempo de reacção de 60 segundos. Por exemplo, para 60 segundos de electrólise a 25ºC e com uma corrente de 0,25A obtém-se a quantidade de energia utilizada para reduzir o hidrogénio.

CQ

segCoulombsAI

156025,0

/25,025,0

=×=

==


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electrõesC

C

qe

Q 1919

1036,9106021,1

15 ×=×

= −

Convertendo esta quantidade de electrões em moles, fica

emolC

ne4

23

19

1055,11002252,6

1036,9 −×=×

×=

Segundo a reacção que se dá no eléctrodo negativo (cátodo), a partir de 2 moles de H+ e 2 electrões obtém-se 1 mol de H2,uma razão de 2:1.

2H+(aq) + 2e- � H2 (g)

Determina-se assim o nº de moles de H2 obtidas na reacção de electrólise é de 7,8 x 10-5 moles.

25

2

4

2

2

4

2

108,712

1055,1

1055,1

1

2

HdemolHdemole

Hdemoln

HdemolnHdemol

e

−−

−

×=××=

×=

Considerando que esta electrólise foi realizada nas seguintes condições: Tambiente = 25 ºC = 25 + 273,15 K = 298,15 K P = 101 325 Pa = 101,325 kPa = 1,01325 bar = 1atm = 760 mmHg.

E através da equação de estado dos gases perfeitos, em que n é o número de moles do gás e, R é de 0,082 atm/mol K:

PV = n RT

Pode-se determinar o volume de H2 que foi produzido numa electrólise sujeita a uma corrente de 0,25A durante 60 segundos.

de 69

mldmVP

nRTV 9,1109,1

1

15,298082,0108,7 335

=×≈×××=⇒= −−

Efectuando estes cálculos para as restantes correntes, obtém-se os volumes teóricos de produção de hidrogénio a partir de electrólise para as diferentes intensidades de corrente. A partir destes valores estabelece-se um modelo teórico para a produção de hidrogénio através de electrólise a 25ºC, temperatura ambiente (Quadro 5.1).

Quadro 5.1 – Produção teórica de hidrogénio a partir de electrólise de água.

Corr.Eléctrica(A) Coulombs nº electrões nº moles nº moles H2 Produção H2 (ml)

0,25 15 9,36271E+19 0,000155462 7,77308E-05 1,90

0,5 30 1,87254E+20 0,000310923 0,000155462 3,80

0,75 45 2,80881E+20 0,000466385 0,000233193 5,71

1 60 3,74508E+20 0,000621847 0,000310923 7,61 Como se tratam de valores obtidos através de cálculos, estes valores ao serem representados graficamente constituem uma linha recta, não havendo valores que se destaquem (Figura 5.3). Verifica-se que à medida que a intensidade de corrente eléctrica aumenta, aumenta também a produção de hidrogénio.

Figura 5.3 – Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente eléctrica.

Usando o mesmo método de cálculo utilizado para obtenção do modelo teórico de electrólise à temperatura ambiente (25ºC), fez-se variar os valores de temperatura por forma a establecer o modelo teórico para a electrólise termicamente assistida (Quadro 5.2).


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Verifica-se que os valores de produção de hidrogénio através de electrólise sofrem uma alteração ao variar-se a temperatura.

Quadro 5.2 – Produção de Hidrogénio em função de duas variáveis: temperatura e intensidade de corrente.

Corr.Eléctrica

(A) 25ºC 30°C 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 57°C 60°C 62°C 65°C

0,25 1,90 1,93 1,97 2,00 2,03 2,06 2,09 2,11 2,12 2,14 2,16

0,5 3,80 3,87 3,93 3,99 4,06 4,12 4,19 4,21 4,25 4,28 4,31

0,75 5,71 5,80 5,90 5,99 6,09 6,18 6,28 6,32 6,37 6,41 6,47

1 7,61 7,73 7,86 7,99 8,12 8,24 8,37 8,42 8,50 8,55 8,63

Produção H2 (ml)

Apresentando estes valores graficamente, visualiza-se mais facilmente o efeito da temperatura no processo de electrólise (Figura 5.4). Com o aumento da temperatura, para um mesmo valor de intensidade de corrente, a produção de hidrogénio aumenta. Esse feito é mais pronunciado à medida que a intensidade de corrente aumenta. O mesmo se verifica, ao se manter a temperatura constante e fazendo a corrente variar.

Figura 5.4 – Produção de Hidrogénio em função da intensidade de corrente, para 3 valores diferentes de temperatura.

Considerando a produção de hidrogénio determinada para o intervalo de intensidade de corrente analisado verifica-se que a produção de hidrogénio não é tão linear como os cálculos aparentam (Figura 5.3). Apesar do processo de electrólise ser relativamente eficiente, existem perdas de energia que crescem acentuadamente quando a densidade de corrente é elevada (Figura 5.5).

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Figura 5.5 - Rendimento de H2 (PCS - Poder Calorífico Superior) em função da densidade de corrente.

(Bossel et al)

No entanto, para o caso de estudo e considerando o intervalo de valores de intensidade de corrente utilizados, não existe grande relevância em analisar de forma em profundidade estas perdas. Assim, construídos os modelos teóricos, passa-se para a exposição e análise dos resultados obtidos em laboratório.

Capitulo 6 – Discussão de Resultados

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Capitulo 6 – Discussão de Resultados Para responder à questão fulcral deste estudo, dividiu-se a discussão dos resultados em dois temas distintos. O primeiro caracteriza o comportamento do aerogerador face à variação da velocidade do vento. Pretende-se avaliar o comportamento da corrente eléctrica, desde a sua origem como energia cinética sob a forma de vento e do aerogerador, até ao seu destino final, em energia eléctrica pronta a ser introduzida na rede. O segundo tema encontra-se relacionado com o comportamento da electrólise, onde se pretende verificar a variação da produção de hidrogénio com a intensidade de corrente eléctrica, e a influência do aumento da temperatura no processo de electrólise através da análise da produção de hidrogénio gerada à temperatura ambiente e para diferentes valores de temperatura.

6.1. Comportamento da corrente eléctrica em função da velocidade do vento

Na 1ª etapa do projecto efectuou-se uma análise da influência do vento na energia eléctrica Produzida por um aerogerador. Através desta análise, como seria de esperar, verifica-se a tendência da produção de corrente eléctrica se intensificar nos períodos de maior velocidade de vento (Figura 6.1). Para valores de velocidade do vento compreendidos entre 2,70 e 7,40 m/s, a corrente eléctrica produzida pelo aerogerador apresenta intensidades entre 0,40 e 5,96A.

Figura 6.1 - Aerogerador - Corrente eléctrica vs velocidade do vento.

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Considerando a equação da linha de tendência de xey 263,07911,0 ⋅= , ao valor médio de

velocidade do vento de 4,53 m/s corresponde uma intensidade de corrente eléctrica produzida de 2,60A, valor esse que se encontra um bocado abaixo do valor médio de intensidade de corrente eléctrica produzida de 3,0A. Apesar desta tendência geral de crescimento, alguns dos pontos representados graficamente encontram-se mais afastados da linha de tendência como resultado de um atraso experimentado por parte dos aparelhos e do método de medição. Ao nível dos aparelhos de medição, pois o software utilizado, De Transfer, não permitia obter automaticamente os valores de velocidade do vento de minuto a minuto, sendo necessário a existência de um operador. O operador tem de solicitar minuto a minuto o valor de velocidade do vento, valor esse que demora alguns segundos a ser fornecido pelo software. Por sua vez, um outro operador tem de registar o valor de intensidade de corrente fornecido por um amperímetro, que se encontra sempre a variar de acordo com a velocidade do vento naquele milésimo de segundo. Além disso, deve-se considerar que ambos os operadores se encontram em locais distintos, sem contacto visual, e que como tal não terão efectuado a medição no mesmo exacto momento. O que provocou um desfasamento entre o valor de velocidade do vento real e o medido, e da intensidade de corrente eléctrica produzida.

6.2. Comportamento da electrólise face à corrente eléctrica

Na 2ª etapa do projecto, realizaram-se duas fases de ensaios. Na 1ª, a electrólise foi realizada à temperatura ambiente, que correspondia a 25ºC, verificando-se que à medida que a intensidade da corrente eléctrica aumentava também aumentava a produção de H2 (Figura 6.2). Fazendo aumentar em intervalos de 0,125A a intensidade de corrente introduzida no processo de electrólise, desde 0,125A até 1A, verifica-se em média um aumento de 1,03ml na produção de hidrogénio para cada aumento de 0,125A de intensidade eléctrica.


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Figura 6.2 – Produção de H2 em função da corrente eléctrica.

O aumento mais acentuado na produção de hidrogénio corresponde a 1,3ml, resultante da variação da intensidade da corrente eléctrica introduzida de 0,375A para 0,5ª (Quadro 6.1). De seguida, o maior aumento é de 1,1ml para as variações de intensidade da corrente eléctrica introduzida de 0,125A para 0,5A, e de 0,75A para 0,875A.

Quadro 6.1 – Volume de produção de H2 à temperatura ambiente.

T e m p e ra tu ra (º C ) C o rr .E lé c t r ic a (A ) P ro d u çã o H 2 (m l)

0 ,1 25 1 ,2

0,2 5 2 ,3

0 ,3 75 3 ,1

T e m p e ra tu ra A m b i e n te 0 ,5 4 ,4

2 5° C 0 ,6 25 5 ,5

0,7 5 6 ,4

0 ,8 75 7 ,5

1 8 ,5 No geral, houve uma produção de 7,3ml de hidrogénio para um aumento de corrente em 0,875A. Determina-se assim, que a um aumento de 0,1A na intensidade de corrente eléctrica introduzida no processo de electrólise, para uma temperatura ambiente de 25ºC, equivale um aumento de 0,8343ml de hidrogénio produzido. Comparando os valores obtidos experimentalmente, verifica-se que os valores de produção de hidrogénio do modelo teórico são inferiores aos valores obtidos experimentalmente (Quadro 6.2).

Quadro 6.2 - Produção de hidrogénio através de Electrólise: Teórica vs Experimental.

Produção H2 (ml) Corr.Eléctrica(A) Teórica Experimental 0,125 1,0 1,2

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0,25 1,9 2,3

0,375 2,9 3,1 0,5 3,8 4,4 0,625 4,8 5,5 0,75 5,7 6,5 0,875 6,7 7,5 1 7,6 8,5

No entanto, verifica-se que tanto a nível teórico como prático o volume de hidrogénio produzido através de electrólise aumenta como resultado do aumento da corrente eléctrica, apesar desse aumento ser bastante mais acentuado na prática (Figura 6.3).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Volume de H2(ml)

Intensidade de Corrente Eléctrica (A) Figura 6.3 - Comparação da produção de hidrogénio teórica (laranja) vs prática (cinza).

6.3. Comportamento da electrólise face à variação de temperatura

Na 2ª fase, pretendeu-se verificar o comportamento da electrólise quando sujeita a variações de temperatura. Na electrólise termicamente assistida, verificou-se um ligeiro aumento da produção de H2, que se torna mais significativo à medida que a intensidade de corrente eléctrica aumenta. Aumentando a temperatura em cerca de 40ºC, verifica-se um aumento de 0,1ml do hidrogénio produzido, para uma intensidade de corrente de 0,25ª (Quadro 6.3).


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Para a mesma variação de temperatura, verifica-se um aumento na produção de hidrogénio em 0,2ml para uma intensidade de 0,5A, em 0,1ml para uma intensidade de 0,75A e em 0,5ml para uma intensidade de 1A.

Quadro 6.3 – Influência da variação da temperatura na produção de H2.

Corr.Eléctrica Produção H2 (ml)

(A) 25°C 30°C 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 57°C 60°C 62°C 65°C

0,25 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4

0,5 4,4 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,6 4,6 4,6

0,75 6,4 6,4 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5

1 8,4 8,4 8,5 8,5 8,5 8,5 8,6 8,6 8,8 8,8 8,9

Analisando graficamente a variação da produção de hidrogénio para 3 patamares de temperatura, 25ºC, 45ºC e 65ºC, tem-se uma melhor percepção da influência do aumento da temperatura (Figura 6.4). Claramente, a variação da intensidade de corrente eléctrica no processo de electrólise é o factor que mais influência na produção de hidrogénio. No entanto, percebe-se que a variação de temperatura também tem uma certa influência, pois para a mesma intensidade de corrente de 0,25A a produção de hidrogénio apresenta uma ligeira diferença, 2,3 ml para 25ºC e 45ºC, e 2,4ml para 65ºC.

Figura 6.4 – Influência da Intensidade da corrente eléctrica e da Temperatura na produção de H2.

Para valores mais elevados de intensidade de corrente, já se verifica uma variação na produção de hidrogénio para valores de temperatura mais baixos. Como é o caso das intensidades de corrente de 0,5A, 0,75A e 1A que para uma temperatura de 45ºC

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apresentam valores de produção de hidrogénio superiores aos da temperatura ambiente (25ºC). Para uma intensidade de corrente de 0,5A e uma temperatura de 45ºC a produção de hidrogénio é de 4,5ml, enquanto que à temperatura ambiente e para o mesmo valor de intensidade de corrente a produção de hidrogénio é de 4,4ml. Aumentando a intensidade de corrente para os 0,75A, a produção de hidrogénio para 45ºC é de 6,5ml, 0,1 ml a mais do que à temperatura ambiente (6,4ml). Aumentando para 1A, a variação na produção de hidrogénio a 25ºC e a 45ºC mantém-se em 0,1ml, passando de 8,4ml para 8,5ml. De forma a se confirmar a influência que a temperatura gera no processo de electrólise analisa-se graficamente a variação da produção de hidrogénio para cada um dos valores de intensidade de corrente eléctrica fornecidos durante a electrólise (0,25A, 0,5A, 0,75A e 1A) com o aumento da temperatura (Figura 6.5). Assim, pretende-se que ao analisar a produção de hidrogénio, mantendo a intensidade de corrente eléctrica constante e fazendo apenas variar a temperatura, se consiga confirmar se o factor temperatura tem alguma influência real no processo. Como se pode verificar, o aumento da temperatura influência o processo de electrólise e consequentemente o volume de hidrogénio produzido, facto que se torna mais perceptível para temperaturas mais elevadas.

Figura 6.5 – Influência da temperatura na produção de H2.

A análise da influência que a temperatura no processo de electrólise pode ser efectuada de outra forma, através da variação do rendimento. Como se pode verificar, no quadro 6.4, mantendo-se constante os valores de intensidade de corrente e variando os de temperatura, obtém-se através dos valores de hidrogénio produzidos a variação do rendimento do processo de electrólise. Com uma intensidade de corrente de 0,25A só existe um aumento do rendimento do processo para temperaturas a partir de 55ºC, enquanto que para 0,5A o aumento dá-se a partir de 30ºC, e para 0,75A e 1A dá-se a partir de 35ºC.


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Quadro 6.4 - Variação de Rendimento resultante do aumento de Temperatura, comparativamente ao processo a 25ºC.

Corr.Eléctrica

(A) 25 30 35 40 45 50 55 57 60 62 65

0,25 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 4,17% 4,17% 4,17% 4,17% 4,17%

0,5 0,00% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 2,22% 4,35% 4,35% 4,35%

0,75 0,00% 0,00% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54% 1,54%

1 0,00% 0,00% 1,18% 1,18% 1,18% 1,18% 2,33% 2,33% 4,55% 4,55% 5,62%

Variação de Rendimento

A variação de rendimento mais rápida, em termos de temperatura, regista-se a uma intensidade de 0,5A, ao se imaginar uma linha de tendência cujo início se encontra antes das linhas de tendência de 0,25A, e pela sua inclinação menos acentuada comparativamente a esta e à de 1A, pois o aumento do rendimento é menos abrupto (Figura 6.6). Em 0,5A, o aumento de rendimento é de 2,22% e dá-se logo aos 30ºC, havendo novo aumento de 4,35% em relação ao rendimento à temperatura ambiente. Para os 0,25A regista-se um aumento de rendimento de 4,17% que só se concretiza aos 55ºC, enquanto que para os 0,75A regista-se um aumento de 1,54% aos 35ºC. Desta forma ao se imaginar uma linha de tendência dos 0,25A, esta encontra-se mais “estendida” e com uma inclinação mais acentuada que a linha de tendência dos 0,5A. O mesmo não se verifica com a linha de tendência dos 0,75A, que se encontra praticamente do mesmo tamanho que as dos 0,5A, mas que apresenta uma inclinação menos acentuada. Ao se imaginar uma linha de tendência de 1A, esta apresenta uma inclinação acentuada como a linha de tendência de 0,25A, no entanto termina acima da linha de tendência de 0,5A pelo facto de registar um aumento de rendimento de 5,62% aos 65ºC, comparativamente com o rendimento à temperatura ambiente. O processo de electrólise termicamente assistido apresenta, para o intervalo de temperatura entre os 25ºC e os 65ºC, correspondente a uma variação de 40ºC, um aumento médio de rendimento de 3,92%. Este valor corresponde a um aumento de rendimento de quase 0,1% (0,098%) para um aumento de temperatura de 1ºC.

de 69

0,00%

1,00%

2,00%

3,00%

4,00%

5,00%

6,00%

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Variação de Rendimento

Temperatura (ºC)

0,25A

0,5A

0,75A

1A

Figura 6.6 – Variação de rendimento através do aumento de temperatura.

6.4. Extrapolação de dados Com os dados obtidos experimentalmente para a electrólise termicamente assistida efectua-se uma extrapolação do que seria produzido com um electrolisador que permitisse a intensidade de corrente eléctrica produzida pelo aerogerador utilizado neste estudo. Considerando a equação da linha de tendência 2375,05667,8 += xy para a produção de

hidrogénio numa electrólise a 65ºC, em que x corresponde ao valor de intensidade de corrente eléctrica em Amperes e y ao volume de hidrogénio produzido por electrólise para esse valor de intensidade de corrente eléctrica, e sendo o valor médio de intensidade de corrente eléctrica produzida pelo aerogerador de 3,0 A, pode-se determinar o volume produzido com 3 A.


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Figura 6.7 - Tendência de produção de hidrogénio numa electrólise a 65°C.

Assim, determina-se que para a intensidade média de 3,0A de corrente eléctrica produzida pelo aerogerador seriam produzidos 25,9376 ml de hidrogénio, cerca de 26ml.

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Capitulo 7 – Análise Económica e Ambiental Baseando-se este estudo na produção de hidrogénio com base em energias renováveis, eólica e solar térmica, e considerando a necessidade económica de substituir as energias convencionais por este tipo de energias, faz todo o sentido que seja efectuada uma análise económica e uma análise ambiental. Para esta análise considera-se a possibilidade de implementação a nível habitacional de um sistema de produção de hidrogénio.

7.1. Implementação Colector Solar A construção/implementação do colector solar utilizado no projecto teve um custo de cerca de 250€, um valor reduzido considerando que foram utilizados materiais que já se encontravam disponíveis nos Serviços Técnicos da FCT-UNL. Na electrólise termicamente assistida a 65°C, para uma intensidade de corrente de 1A, verificou-se um aumento de rendimento de 5,62% comparativamente à electrólise a 25°C

(Quadro 6.3), que se traduz num volume de 0,5ml de H2 (Quadro 6.4). Visto que os valores de produção de hidrogénio através de electrólise foram determinados para um intervalo de tempo de 60 segundos, assim verifica-se um aumento de 0,5ml em 1 minuto, 30ml em 1 hora, 3,6dl em 1 dia (considerando 12 horas de radiação solar diária), 131,4 litros em 1 ano. Considerando que uma célula de combustível do tipo PEM apresenta um rendimento de 0,5L/kWh, obtêm-se um aumento de produção de energia eléctrica em 65,7kWh. Assim, obtém-se um custo de cerca de 3,80€ para um aumento de produção de energia eléctrica em 1kWh/ano e um aumento de produção no volume de hidrogénio de 0,5L/ano Este aumento é pouco significativo, uma vez que o consumo médio anual de energia eléctrica é de 3800kWh e corresponde a um custo médio anual de 400€ (Deco Proteste, 2007), em termos de energia é mais do dobro relativamente ao obtido através do aumento de produção de energia eléctrica verificado e com um custo inferior ao dobro.

Capitulo 7 – Análise Económica e Ambiental

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7.2. Transportes Ao nível dos transportes, para efectuar esta análise considera-se um veículo ligeiro a gasolina ou a gasóleo e compara-se com um veículo ligeiro movido a hidrogénio. Para a análise económica, a comparação será entre o custo do consumo médio de um veículo ligeiro movido a combustível fóssil e de um movido a hidrogénio, com célula de combustível integrada, produzido por este método. Considerando o custo do gasóleo de 1,07€/l, e como consumo médio 4,5 litros por 100km. Para percorrer esta mesma distância, um veículo movido a gasóleo apresenta um custo de cerca de 4,82€. Considerando como consumo médio de um veículo ligeiro movido a hidrogénio o valor de 9g/km (HyTran, 2009). Pretende-se verificar, no caso de se tratar de um sistema de produção de hidrogénio por electrólise a nível habitacional se o custo do hidrogénio é inferior ao do gasóleo. Para tal, considerou-se o valor médio de deslocações feitas anualmente em veículos ligeiros de 25.000km. Através do qual, e com o valor de consumo médio de 9g/km, se chegou ao valor de consumo anual de hidrogénio de 2250g/ano. Apresentado o hidrogénio gasoso uma densidade de 0,085kg/dm3, conseguiu-se chegar ao consumo diário de hidrogénio de

41025,7 × ml.

Para a produção de hidrogénio para utilização num veículo movido a hidrogénio considera-se um sistema de produção de hidrogénio constituído por: um aerogerador, um colector solar, um electrolisador, um compressor e um depósito (figura 7.1).

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Figura 7.1 - Sistema de produção de hidrogénio para veículo ligeiro.

Por intermédio da equação obtida experimentalmente para a produção de hidrogénio através de electrólise a 65ºC, e do valor médio de intensidade de corrente eléctrica de 3,0A

verifica-se que se pode atingir uma produção de ~ 41074,3 × ml/dia.

Para se produzir os 41025,7 × ml de hidrogénio necessários para consumo num veículo

ligeiro será necessário implementar um outro aerogerador. Para determinação do custo do hidrogénio consumido no veículo ligeiro, considera-se o custo total do sistema de produção de hidrogénio diluído pelo seu tempo de vida útil, 20 anos (Quadro 7.1). No caso do aerogerador, será necessário implementar um outro aerogerador com as mesmas características ou apenas um aerogerador com o dobro da potência, passando a ter um custo de 3200€. Em resultado desta alteração, e considerando que o valor da energia eléctrica produzida através de eólica aumentou, foi necessário reconsiderar o electrolisador implementado, que passou a ter um custo de 8000€. Por forma a determinar a capacidade do compressor pretendido, considerámos como base um projecto em que para um electrolisador com um caudal de produção de 10Nm3/h foi implementado um compressor de 5,5kW (Eté e Ulleberg, 2009) . Através deste caudal e do


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factor de conversão de 0,8925 (25ºC, 1atm) chega-se ao valor de 11,2m3/h. Determinando o caudal horário do sistema de electrólise em estudo (3,11x10-3 m3/h) obtém-se um compressor de 2W.No entanto, para efeitos de cálculos será considerado um compressor de 50W. Este apresentará um custo de 250€, e considerando que no período de 20 anos terá de ser substituído por um novo o custo total será de 500€. No que respeita ao armazenamento, de forma a permitirmos ao utilizador do veículo encher o depósito apenas uma vez por semana, como num carro movido a combustível fóssil, considera-se um volume de armazenamento ligeiramente superior ao volume produzido durante uma semana (~0,52m3). Armazenamento esse que apresentará um custo de 2.475€.

Quadro 7.1 – Características do sistema de produção de hidrogénio para deslocação.

Componente Tempo de vida útil

Capacidade Preço Quantid. Preço total

Aerogerador 20 2 kW 800€/kW a 2 3.200€ Colector Solar 20 - 275€/m2 b 1 3.850€ Electrolisador 20 2 kW 2000€/kW a 2 8.000€ Compressor 2x12 0,05 kW 5000 €/kW a 1 2x250€ Armazenamento 20 0,55 m3 4500€/m3 a 1 2.475€ Total (valores usados)

20 - - - 18.025€

a) Eté et Ulleberg, 2009. b) Água Quente Solar, 2004.

Como foi acima mencionado, para determinação do custo do hidrogénio consumido no veículo ligeiro, considera-se o custo total do sistema de produção de hidrogénio diluído pelo seu tempo de vida útil, 20 anos. Assim, considerando o valor total de 18.025 € para a implementação deste sistema e o seu tempo de vida de 20 anos, obtém-se um custo de cerca de 901,25€/ano. Considerando que um veículo ligeiro percorre anualmente cerca de 25000km, um veículo ligeiro movido a hidrogénio apresenta um custo de ~3,605€/100 km. Comparativamente a 4,82€/100Km para o consumo de gasóleo, o custo do hidrogénio apresenta uma redução de ~25%. Visto que o volume de hidrogénio produzido mesmo sem ser comprimido não ocupa um espaço muito elevado, pode-se optar por não implementar um compressor. No entanto, verifica-se uma diminuição de apenas 500€ no capital investido, que se traduz numa diferença de 10 cêntimos (~2,88€/100km) e numa redução de ~27% relativamente ao custo no consumo de gasóleo. Considerando uma emissão de CO2 de 140g/km, a utilização de um carro movido a hidrogénio traduz-se numa redução das emissões de CO2 de 14 kg/100km, 3.500kg/ano.

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7.3. Sector Doméstico Ao nível do sector doméstico, para se efectuar esta análise considera-se o consumo médio anual de energia eléctrica e compara-se com o sistema de produção de hidrogénio e sistema de conversão em energia eléctrica. Para a produção de hidrogénio para utilização numa habitação, mais concretamente na produção de energia eléctrica, considera-se um sistema de produção de hidrogénio constituído por: um aerogerador, um colector solar, um electrolisador, um compressor, um depósito e uma célula de combustível (Figura 7.2). Este sistema, comparativamente com o sistema de produção de hidrogénio para utilização num veículo, sofreu um acréscimo de uma célula de combustível que no anterior já se encontrava incluída no veículo de deslocação.

Figura 7.2 - Sistema de produção de hidrogénio para habitação.

Para a análise económica, considera-se um consumo médio anual de energia eléctrica de 3800kWh que corresponde a um custo médio anual de 400€ (Deco Proteste, 2007).


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Considerando que uma célula de combustível do tipo PEM apresenta um rendimento de

0,5l/kWh e a produção média diária de hidrogénio de ~ 41074,3 × ml/dia, para a electrólise a

65ºC a uma intensidade de corrente eléctrica média de 3,0A, obtêm-se uma produção diária de 18,5kWh. Ao consumo médio anual de 3800kWh corresponde um consumo médio de 10,41kWh/dia, verificando-se que para dar resposta às necessidades energéticas de uma habitação basta implementar um aerogerador (Quadro 7.2). Assim, para determinação do custo da determinação do custo do kWh produzido a partir de hidrogénio, considera-se o custo total do sistema de produção de hidrogénio diluído pelo seu tempo de vida útil, 20 anos. Neste caso, ao sistema implementado adiciona-se uma célula de combustível de 2kW, com um custo de 5000€. Assim, considerando o valor total de 22.425 € para a implementação deste sistema e o seu tempo de vida de 20 anos, obtém-se um custo de 1.121,25€/ano. Comparativamente a 400€/ano para o consumo de energia eléctrica de rede, o custo do hidrogénio apresenta um aumento de ~240%. No entanto, em termos de kWh estes valores não são comparáveis. É assim necessário determinar o custo que um indivíduo tem por 1kWh para a energia eléctrica da rede eléctrica ou produzido por hidrogénio. A energia eléctrica apresenta um custo de ~0,105€/kWh, enquanto que a energia eléctrica produzida por hidrogénio apresenta um custo de ~0,16€/kWh.

Quadro 7.2 - Características do sistema de produção de hidrogénio para uma habitação.



Aerogerador 20 2 kW 800€/kW 1 1.600€ Colector Solar 20 - 275€/m2 1 3.850€ Electrolisador 20 2 kW 2000€/kW 1 4.000 Compressor 2x12 0,05 kW 5000 €/kW 1 2x250€ Armazenamento 20 0,55 m3 4500€/m3 1 2.475€ Célula de Combustível

2x10 2kW 2500€/kW 1 10.000€

Total 20 - - - 22.425€ Os dois valores são praticamente iguais, assim em termos económicos não havendo uma diferença de ~0,06€/kWh entre os dois. No entanto, se considerarmos que a energia

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produzida a mais pelo sistema (8,09kWh/dia) poderá ser vendida à rede a 0,65€/kWh nos primeiros 5 anos, e a 0,503€/kWh do 6ºano até ao 15ºano (DL363/2007). Tem-se um lucro de ~5,26€/dia, que suplanta em larga escala o custo diário correspondente ao sistema de 1,66€/dia, conseguindo-se um lucro diário de 3,6€. Ao fim de um ano tem-se um lucro de ~1919€, e de ~9597€ ao fim de 5 anos. Para os restantes anos o lucro será de 4,07€/dia, que no espaço de um ano será de ~1485€. Assim, verifica-se que para se recuperar o investimento que se efectua com este sistema serão necessários cerca de 8 anos (tempo de retorno). No que respeita às emissões de CO2, a produção de energia eléctrica nacional apresenta uma produção média anual de 354,36g/kWh, que corresponde a 0,04g/kW (Edp,2009). Considerando os 18,5kWh produzidos pelo sistema, verifica-se que são produzidas menos 0,74g de CO2 por dia, menos 6.555g CO2/ano.

7.4. Análise combinada Considerando os cálculos efectuados para o sector dos transportes, mais concretamente para a utilização de um veículo ligeiro, e no sector doméstico para o consumo de energia eléctrica e águas quentes sanitárias numa habitação, pretende-se agora analisar um sistema de produção de hidrogénio combinado. Isto é, um sistema de produção de hidrogénio através de electrólise termicamente assistida, alimentado totalmente por energias renováveis, e que permita alimentar conjuntamente uma habitação e um veículo ligeiro (Figura 7.3).


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Figura 7.3 - Sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo.

Para um sistema assim, que permita que uma família, sua habitação e meio de transporte sejam energeticamente independentes são necessários componentes e um investimento. Considerando o sistema de produção de hidrogénio para produção de energia eléctrica a utilizar no sector doméstico é necessário efectuar algumas alterações, aumentando assim o investimento (Quadro 7.3).

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Quadro 7.3 – Características do sistema de produção de hidrogénio para habitação e veículo.



Aerogerador 20 2 kW 800€/kW 3 4.800€ Colector Solar 20 - 275€/m2 1 3.850€ Electrolisador 20 2 kW 2000€/kW 3 12.000 Compressor 2x12 0,05 kW 5000 €/kW 1 2x250€ Armazenamento 20 0,55 m3 4500€/m3 1 2.475€ Célula de Combustível

2x10 2kW 2500€/kW 2 10.000€

Total 20 - - - 33.625€ Tem-se assim um custo de ~1681€/ano, apesar de ser ligeiramente superior ao custo total de 1301,25€/ano correspondente aos 901,25€/ano de custo de um veículo movido a gasóleo e aos 400€ de consumo de energia eléctrica da rede, a diferença é muito pouco significativa Este investimento pode ser compensado caso se decida vender a energia produzida por fontes de energia renováveis através da sua introdução na rede, pois o preço a que é paga é superior ao custo que se tem ao se comprar novamente para consumo (1314€/ano). A nível de emissões de CO2 a implementação deste sistema permite uma redução de cerca de 3.506kg/ano, correspondendo 3.500kg/ano à utilização de um carro movido a hidrogénio e 6.555g/ano no caso de uma habitação cuja demanda de energia eléctrica tem resposta totalmente em energias renováveis.

Capitulo 8 – Conclusões

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Capitulo 8 – Conclusões Existe uma melhoria na produção de hidrogénio do processo de electrólise termicamente assistido face ao processo à temperatura ambiente, devido à redução da “perda” de energia eléctrica utilizada no processo. No entanto do ponto de vista económico, o aumento de rendimento do processo não compensa o custo de implementação do colector solar. O sistema considerado inicialmente para produção de hidrogénio a nível habitacional não é suficiente para os consumos energéticos de uma família, tanto em transporte como doméstico, sendo como tal necessário alterar o sistema de forma a aumentar a sua produção. A produção de hidrogénio totalmente por fontes de energia renováveis apresenta vantagens a nível económico, pela redução dos custos em deslocação (Hidrogénio:~3,605€/100 km < Gasóleo:4,82€/100Km), através dum veículo ligeiro, e no consumo energético na habitação caso se opte por vender à rede (lucro de 3,6€/dia). A intermitência da energia eólica e solar pode ser colmatada com o armazenamento do hidrogénio, nos períodos de menor (ou nulo) consumo de energia. O sistema autónomo de produção de hidrogénio, fornecendo a totalidade de energia necessária para a habitação e para o meio de transporte dos residentes, permite uma redução das emissões de CO2 em 3.506kg/ano, evitando o agravamento de problemas ambientais, como o aquecimento global. Assim como uma redução dos custos referentes ao consumo energético. A implementação de sistemas como este, alimentados somente por fontes de energia renovável, permitirão a Portugal e à União Europeia atingirem as metas estabelecidas para 2020.

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Capitulo 9 – Referências Bibliográficas Agência Regional da Energia e Ambiente da Região Autónoma da Madeira. H2 - A economia do Hidrogénio. Água Quente Solar,Utilização de Colectores Solares para a Produção de Calor de Processo Industrial. 2004 Ai-Quoc Pham. High Efficiency Steam Electrolyzer. Lawrence Livermore National Laboratory, California, 1999. Cardoso, Leonardo C.. Dimensionamento de Sistemas de Aquecimento Solar. ABRAVA, Brasil, 2008. Comissão Europeia - http://ec.europa.eu/index_pt.htm. Castro, R.. Introdução à Energia Eólica, Energias Renováveis e Produção

Descentralizada. Universidade Técnica de Lisboa, Instituto Superior Técnico (DEEC / Área Científica de Energia), Março, 2007

Deco. Proteste, 2007. “Visita guiada à casa da poupança. Electricidade, água e gás,

reduzir a factura com boas ideias.” http://www.deco.proteste.pt/ambiente/20070101/casa-amiga-do-ambiente-Attach_s432321.pdf

DGEG- Direcção Geral de Energia e Geologia. http://www.dgge.pt/ DL 363/2007 http://www.dre.pt/pdf1sdip/2007/11/21100/0797807984.PDF EDP http://www.edpsu.pt/pt/origemdaenergia/Pages/OrigensdaEnergia.aspx EEA - Agência Europeia do Ambiente. www.eea.europa.eu/pt EREC- European Renewable Energy Council. Renewable Energy Technology Roadmap 20% by 2020. Bruxelas, 2008. Eté, Arnaud; Ulleberg, Øystein. The Utsira wind/hydrogen demonstration system in Norway: analysis and optimization using system modeling tools. 2008.

Capitulo 9 – Referências Bibliográficas

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EREC - European Renewable Energy Council. www.erec.org/ Europe’s Energy Portal. http://www.energy.eu/ EWEA - European Wind Energy Association. www.ewea.org/ Holladay, J.D.; Li, H.; Sadhankar , R. R.. Electrolytic hydrogen generation using CANDU nuclear reactors. 2008. DOI: 10.1002/er.1325 HyTran. Hydrogen and Fuel Cell Technologies for Road Transport. 2009 Instituto Superior Técnico, DGS, Altener, DLR. Energia Solar Térmica. Manual sobre tecnologias, projecto e instalação. 2004 International Energy Agency. Hydrogen co-ordination group. Hydrogen Production and Storage. R&D Priorities and Gaps. Paris, 2006. Lipor. Relatório de Sustentabilidade. 2005. SANTOS, FERNANDO A. C. M. ; SANTOS, FERNANDO M. S. M. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos. http://snirh.pt/ HYDROGEN FACT SHEET. HYDROGEN PRODUCTION OVERVIEW. http://www.getenergysmart.org/Files/Schools/Hydrogen/5HydrogenProductionOverview.pdf Ulf Bossel, Baldur Eliasson and Gordon Taylor, The future of the hydrogen economy: bright or bleak?, Abril de 2003. http://www.pacificsites.net/~dglaser/h2/General_Articles/hydrogen_economy.pdf.

produção de hidrogénio através de electrólise, alimentada ... · o sistema estudado baseia-se...

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