V Semana do Servidor Público – Transformando o Trabalho e Fortalecendo Vínculos
EDUCAÇÃO FINANCEIRA, UM POUCO MAIS …
Educação financeira dá suporte para o conhecimento e o planejamento de receitas e despesas pessoais, no intuito de contribuir para uma boa gestão de recursos financeiros
Tem o objetivo de melhorar a eficiência dos controles de investimentos e despesas, e com isso evitar surpresas, bem como possibilitar a construção de sonhos.
Educação financeira, portanto, é saber lidar com o dinheiro de forma saudável.
É não gastar mais do que ganha.
Vídeo: Prof. Roque Machado de Senna https://youtu.be/oHpyW8cZV0g
Desenvolvimento de Protótipo para Automação de um Gerador de Espuma Industrial.
Resumo
O equipamento gerador de espuma é utilizado para a realização de ensaios em produtos químicos, entre eles os antiespumantes, uma classe de compostos químicos muito utilizados na indústria petroquímica, agropecuária, farmacêutica.
Especificamente ir-se-á aplicar esse desenvolvimento a antiespumantes destinados à perfuração de poço de petróleo, onde a sonda de modo que vai perfurando a rocha, para a extração do petróleo, provoca grande formação de espuma, como resultado do atrito da sonda com as rochas.
Com o objetivo de avaliar o desempenho da classe de compostos químicos, nesse quesito, a equipe de laboratório realiza ensaios com diferentes moléculas e concentrações de antiespumantes utilizando-se do equipamento gerador de espuma.
Com o intuito tornar mais uniforme e obter menor índice de erros foi necessário desenvolver um protótipo para automatizar esses ensaios. E para o desenvolvimento de tal protótipo foi escolhido à plataforma de prototipagem Arduíno criada por Massimo Banzi e David Cuartielles, em 2005, na Itália.
A opção pela plataforma de desenvolvimento Arduíno foi escolhida, pois todas as ferramentas disponibilizadas pelo fabricante, como o compilador IDE, bibliotecas, o projeto eletrônico das placas são de plataforma aberta, portanto sendo autorizada a utilização e reprodução sem reserva sobre os direitos autorais dos idealizadores do projeto.
O algoritmo baseado na linguagem C/C++/Arduíno está sendo desenvolvido no compilador (IDE), onde o hardware é acessado pelo computador via cabo USB.
Nessa plataforma de desenvolvimento o sistema irá operar de modo a ativar o protótipo de hardware, comandado por um programa na linguagem C/C++/Arduíno, inserido na memória do processador. Adicionalmente saídas digitais, analógicas, sensores, atuadores complementam a finalidade de acionar o gerador de espuma, de acordo com o programa proposto.
Palavras Chave: Protótipo Controlador. Gerador de Espuma. Antiespumante
Impactos das Tecnologias na Engenharia Química 3 capítulo 22
DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA CURVA DE POLARIZAÇÃO DE UMA CÉLULA A
COMBUSTÍVEL TIPO PEM, CAPÍTULO 22, p.178
Roque Machado de Senna; Henrique Senna; Thais Santos; Marcelo Linardi
Download Impactos das Tecnologias na Engenharia Química 3 capítulo
RESUMO: A geração de energia elétrica se apresenta como um grande desafio para a humanidade, devido ao seu enorme potencial poluidor, notadamente quando advinda de combustíveis fósseis. No mundo, em 2013, como mostrado no BEN 2016, apenas 13,5% da matriz energética compunha-se de combustíveis renováveis, sendo no Brasil 41,2%. Baseado nessas estatísticas pode-se afirmar que a produção de energia no Brasil ainda é predominante de combustíveis fósseis. Uma das alternativas que merece destaque especial é a tecnologia de células a combustível (CAC), pois são dispositivos sustentáveis e não poluentes que oxidam eletroquimicamente o combustível, em geral hidrogênio, gerando energia elétrica e calor. Pretende-se com esse trabalho, mostrar os procedimentos para ensaiar uma CAC unitária, de eletrólito sólido ETEK_HP, composto por uma membrana de náfion (PTFE), de espessura de 115 µm, sendo o eletrodo constituído por catalisador de platina, com carga de 0,4mg/cm² no ânodo, e 0,6mg/cm² no cátodo, suportados em carbono. O ponto ótimo de operação da CAC pela eficiência do MEA foi em 433 mV@1120 mA, de característica linear, e não está sujeito, significativamente, aos fenômenos de ativação e transferência de massa. Nota-se que entre 365 mV e 558 mV, a densidade foi acima de 0,45 W/cm², e consequentemente a potência da CAC acima de 11 W. O consumo de oxigênio e hidrogênio foi mais eficiente acima de 800 mV.
CONCLUSÕES
Conclui-se, ao avaliar os resultados desse ensaio, que o ponto ótimo de operação da célula a combustível na visão da eficiência do uso do MEA se localiza em 433 mV, densidade de corrente 1120 mA. Esse ponto se localiza na região governada pelo efeito predominante de perdas ôhmicas, que é linear e, não está sujeito, significativamente, aos fenômenos de ativação e transferência de massa. Para se definir um ponto de operação outras considerações podem ser feitas, como: a vida útil da membrana, uma satisfatória relação entre custo de aquisição e a quantidade de energia fornecida, entre outras possibilidades. Outros ensaios podem ser necessários para uma melhor decisão, tais como: durabilidade, confiabilidade, estudo de viabilidade econômica, características de funcionamento para situações de flutuação de carga, entre outros.
Note que na faixa de tensão entre 365 mV e 558 mV a densidade de potência está em um nível alto e acima de 0,45 W / cm² e consequentemente a potência total fornecida pela célula está acima de 11 W, é configurado um interesse em termos de região do melhor rendimento MEA por área. Ao analisar o ponto de operação do ponto de vista do consumo de oxigênio e hidrogênio, conclui o melhor ponto de operação está localizado acima de 800 mV.
PALAVRAS CHAVE: Curva de Polarização. Ensaios de Células a Combustível tipo PEM. CAC unitária. Geração de Energia Eletroquímica.
KEYWORDS: Polarization Curve. PEM Fuel Cell Tests. CAC unit. Electrochemical Energy Generation.
Autors: Roque Senna Marcelo Linardi Henrique Senna Thais Santos
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PROJETO DE CONCEPÇÃO PARA UM RECICLADOR DE PAPEL AUTOMATIZADO: PROCESSO DE DESAGREGAÇÃO COM HIDRAPULPER
1 – INTRODUÇÃO
A reciclagem de papéis é uma alternativa sustentável de grande importância, que além dos benefícios econômicos óbvios, tem propiciado significativa redução do número de árvores utilizadas para a produção de papel. Quando se aproveita uma tonelada de papel, para fins de reciclagem, evita-se o corte de até 30 árvores adultas, provê redução no uso de água, de energia elétrica, de combustíveis, aumento da vida útil dos aterros sanitários, a diminuição da disposição incorreta de resíduos, melhoria das condições de trabalho dos cooperados envolvidos na coleta, bem como diversos subprodutos associados a essa atividade [1] [2]. Esse procedimento se inicia na desintegração do papel reciclável, bem como de aparas de papel, por meio de ação mecânica, em meio aquoso, no interior do desagregador, aqui denominado de hidrapulper [3] . O hidrapulper normalmente se apresenta como uma cuba cilíndrica vertical equipada com uma hélice em sua parte inferior, onde ocorre entrada de água e do papel reciclável em proporções pré-determinadas de acordo com a consistência desejada para o processo, classificada pelo volume de papel reciclado em relação ao volume total utilizado entre água e papel. A consistência determina qual o tipo de hélice é a mais indicada para o processo, sendo 3,5% e 10-16%, respectivamente para a baixa e alta consistência, como mostrado na figura 1 [3].
Figura 1: hélices de hidrapulper, respectivamente, para baixa e alta consistência.[2]
A velocidade de rotação da hélice precisa ser controlada para preservar a integridade das fibras do papel e favorecer a reciclagem, entretanto velocidades reduzidas atrasam o processo e diminuem a sua eficiência. Os valores normalmente utilizados na indústria variam entre 280 à 450 rpm (rotações por minuto). Além disso, os processos são em maioria operados em batelada, em tempos que variam de 20 – 35 minutos [3] .
A utilização do sistema motor de indução com um inversor de frequência, apresenta diversas vantagens, que incluem a redução de custos, diminuição da necessidade de manutenção, aumento de produtividade e facilitação do acesso, pois o inversor pode estar ao alcance do operador, estando apenas o motor na área de processamento [4] .
2 – OBJETIVOS
Contribuir com esforços de sustentabilidade e eficiência para a fabricação industrial de papel reciclado, através do preparo de um projeto de concepção de um processo automatizado de desagregação de papel em hidrapulper à alta consistência, para posterior confecção de um protótipo do equipamento em escala reduzida.
3 – METODOS, RESULTADOS E DISCUSSÃO.
Neste processo visa-se a modelagem de um hidrapulper de alta consistência, operado em descontínuo. A rotação da hélice do hidrapulper será realizada por energia mecânica de um motor de indução trifásico, operado por um inversor de frequência para adaptar a velocidade de rotação do motor às necessidades do processo. Faz parte do projeto a inserção de 2 sensores de temperatura em pontos distintos, dentro do equipamento, além de um sensor de temperatura no enrolamento do motor para evitar um superaquecimento. Um sensor de nível será instalado na superfície do hidrapulper e um sensor de vazão na entrada de água, ambos trabalhando em conjunto com uma eletro válvula de admissão, presente na entrada de água. Também foi planejada a inserção de dois botões para o acionamento e parada de emergência manual do sistema. Todos estes componentes serão monitorados por um controlador baseado em um CLP (Controlador Lógico Programável). O diagrama proposto para este processo industrial pode ser observado na figura 2 a seguir
Figura 2: Diagrama de CLP para um Hidrapulper
Para a construção do protótipo, foi feito um levantamento de preços dos equipamentos necessários. Nesta etapa, o CLP pode ser substituído por uma placa controladora tipo arduino caso haja restrição orçamentária, mantendo-se, entretanto o objetivo do projeto.
Tabela 1: Valores estimados para a compra de materiais do protótipo, valores outubro/2017
Alguns elementos não serão comprados, pois já estão em posse dos elaboradores do projeto, sendo estes um motor de indução trifásico de 2 pólos de 0,5 CV e o inversor de frequência. O rotor utilizado no hidrapulper pode ser reaproveitado de uma máquina de lavar e para a cuba pode ser um cesto de lixo de 100L. Os preços analisados para os demais elementos estão dispostos na tabela 1.
Tabela 2: Parâmetros e faixa de valores a serem testados
4 – CONCLUSÃO
O projeto será realizado conforme planejado, com o intuito de se aprofundar sobre a utilização de um sistema automatizado e controlado em uma etapa de reciclagem. Com isto pretende-se definir sua eficiência e viabilidade, analisando quais condições ainda deverão ser trabalhadas para o desenvolvimento do processo.
Autors: Leonardo Sai , Roque Senna
REFERÊNCIAS
[1] WWF, acesso em 05/10/2017
[2] INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE PRODUÇÃO DE CELULOSE E PAPEL, acesso em: 06/10/2017
[3] RECICLAGEM DE EMBALAGENS CARTONADAS., acesso em 08/10/2017
[4] MOTORES DE INDUÇÃO ALIMENTADOS POR INVERSORES DE FREQUÊNCIA PWM. ,acesso em 10/10/2017
[5] HYDRAPULPER., acesso em 07/10/2017
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF A PEM TYPE FUEL CELL POLARIZATION CURVE
ABSTRACT – The electric energy generation presents itself as a great mankind challenge due to its enormous potential pollutant, especially when coming from fossil fuels. In the world, in 2013, as shown in BEN 2016, only 13.5% of the energy matrix was renewable fuels made up being in Brazil 41.2%. Based on these statistics it can be affirmed that the energy production in Brazil is still fossil fuels predominant. One of the alternatives that deserves special mention is the fuel cells (CAC) technology, since they are sustainable and non-polluting devices that oxidize electrochemically the fuel, usually hydrogen, generating electric energy and heat. The this work is aim to show the procedures to test a unitary CAC of solid electrolyte ETEK_HP, a Nafion (PTFE) membrane with a 115 μm thickness composed and the electrode being a platinum catalyst with a 0 , 4mg / cm² load at the anode and 0.6mg / cm² at the cathode, supported on carbon. The optimum CAC operating point by the MEA efficiency was 433 mV @ 1120 mA, with linear characteristic and it is not significantly subject to the activation and mass transfer phenomena. It is noted that between 365 mV and 558 mV the density was above 0.45 W / cm² and consequently the CAC power above 11 W. The oxygen and hydrogen consumption was more efficient above 800 mV.
CONCLUSIONS
It is concluded, when evaluating the this test results that the fuel cell optimum operation point in the efficiency view MEA use is located at 433 mV and current density 1120 mA. This point is located in the region governed by the ohmic losses predominant effect which is linear and is not subject significantly to the activation and mass transfer phenomena. In order to define a operation point other considerations can be made,such as: the membrane useful life, a satisfactory relation between acquisition cost and the energy supplied amount among other possibilities. Other tests may be necessary for a better decision, such as: durability, reliability, economical feasibility study, load fluctuation situations operating characteristics, among others.
Note that in the voltage range between 365 mV and 558 mV the power density is at a high level and above 0.45W / cm² and consequently the total power delivered by the cell is above 11 W, it is configured a interest in terms region of the best MEA yield per area. When analyzing the operating point from the oxygen and hydrogen consumption view point concludes
the best operating point is located above 800 mV.
Autors: Thais Santos Roque Senna Marcelo Linardi Henrique Senna
Célula Eletroquímica Prata-Cobre
Figura 1 – Célula Galvânica como Gerador de Eletricidade
Introdução
O objeto de estudo da Eletroquímica é a relação entre energia elétrica e transformação química (SKOOG, 2002). Ela descreve os fenômenos que ocorrem na interface de um condutor eletrônico (eletrodo) com um condutor iônico (eletrólito) (VARELA, 2000). A transformação se dá por meio de células eletroquímicas, que são dispositivos onde ocorrem reações de óxido redução. Como se trata de uma inter-conversão de energia química para energia elétrica é de se imaginar que existem dois tipos de células eletroquímicas: células galvânicas e células eletrolíticas (KORYTA, 1993).
Células Galvânicas: também chamadas de células voltaicas, são aquelas onde ocorre a conversão de energia química para energia elétrica; portanto geram energia elétrica.
Células Eletrolíticas: são aquelas onde a energia elétrica é convertida em energia química; portanto consomem energia elétrica (VILLULLAS, 2002).
As Células Galvânicas são classificadas como primárias (não podem ser recarregadas) e secundárias (podem ser recarregadas) (LINARDI, 2010).
Numa reação eletroquímica dois processos correm em paralelo:
Transferência de carga elétrica: na interface/superfície do eletrodo com o eletrólito;
Transferência de massa (transporte de massa) das espécies redox na matriz do eletrólito (este transporte se dá por difusão, convecção ou migração) (KORYTA, 1993).
Mostra-se na Figura 01 uma célula galvânica elementar de Cobre (Cu) e Prata (Ag). E em [1] tem-se o eletrodo de cobre que atua como anodo, isto é, fornece elétrons, que por conveniência se encontra do lado esquerdo do desenho; em [2] encontra-se o eletrodo de prata que atua como catodo, ou seja, reduzindo-se. No anodo ocorre a oxidação. É o polo negativo. No cátodo ocorre redução, é o polo positivo. Em [3] tem-se uma solução aquosa de sulfato de cobre (CuSO4) e em [6] solução aquosa de nitrato de prata (AgNO3). Em [5] tem-se o circuito externo consumidor da energia elétrica útil produzida, onde é inserido a carga e também um voltímetro [4] para registrar o potencial ocorrido.
No anodo ocorre a reação de oxidação mostrada na equação [1] onde se manifesta a perda de massa no eletrodo de cobre para a solução de sulfato de cobre. O potencial de redução apresentado em relação ao hidrogênio Eo = – 0,337 V.
Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e– ; Eo = – 0,337 V Equação [1]
Em [5] os elétrons liberados como mostrado na equação [1] percorrem o caminho externo à solução fornecendo energia e seguindo até o sítio reacional do cátodo onde ocorre um processo de redução da prata que é extraída da solução de nitrato de prata [6] e se incorpora ao eletrodo de prata [2]. A reação de redução química que se processa no catodo é a seguinte:
Ag+(aq) + e– → Ag(s) Eo = 0,799 V Equação [2]
A fim de manter o equilíbrio elétrico entre as semi-reações existe um eletrólito imerso em uma ponte salina que permite a condução dos íons nitrato (NO3–) no sentido do anodo e os íons K+ no sentido do catodo; sendo a ponte salina [7] a solução aquosa de KNO3 que compõe o eletrólito. A ponte salina permite a passagem de íons entre as duas semi-reações, sendo desejável que não reajam nos sítios do cátodo e do anodo.
Mostra-se na equação [3] a notação para um diagrama de célula galvânica de cobre e prata (SKOOG, 2002).
Cu(s)│Cu2+(aq)││Ag+(aq)│Ag(s). Equação [3]
Esta célula galvânica possui uma diferença de potencial elétrico, que pode ser medido por meio de um voltímetro como mostrado em [4]. Esta diferença de potencial, obtido na equação [3] é válido para temperatura de 25oC, concentração das soluções em 1 M, ou atividade unitária, o que geralmente não ocorre. O cálculo da força eletromotriz da pilha representada na figura 01 pode ser feito por meio da Equação de Nernst (SKOOG, 2002) representada por:
E = Eo – (RT/nF).ln(ared/aoxi). Equação de Nernst [4]
Sendo Eo o potencial nas condições padrões. T a temperatura em Kelvin. R a constante geral dos gases que vale 8,31 J/K.mol; F representa a constante de Faraday que vale 9,65.104 C/mol; ared e aoxi representam respectivamente a atividade do estado reduzido e oxidado do eletrodo. E n representa o número de elétrons nas semi-reações.
Com base na equação de Nernst [4] pode-se calcular o potencial E do catodo e do anodo e com eles, proceder ao cálculo do potencial da célula galvânica.
Determinação do potencial do Anodo (Cu): supor eletrodo imerso em solução de 0,01 M de Cu2+ a 25oC; Eo = – 0,337 V (GENTIL, 1996); ln = 2,3 log; n = 2 (de [1]); ared = aCu = 1 → para um metal puro, no estado sólido, a atividade é unitária (GENTIL, 1996); aoxi = aCu2+ = 0,01 → considerar a atividade numericamente igual a concentração molar (GENTIL, 1996).
EA = – 0,337 – (8,314.298/2.96500).2,3log(1/0,01) = – 0,337 – (0,0591/2).(2) →
EA = – 0,3961 V
Determinação do potencial do Catodo (Ag): supor eletrodo imerso em solução de 0,02 M de Ag1+ a 25oC: Eo = + 0,799 V (GENTIL, 1996); ln = 2,3 log; n = 2 (vide equação[2]); ared = aAg = 1 → por definição, para um metal puro, no estado sólido, a atividade é unitária; aoxi = aAg1+ = 0,02 → para soluções diluídas pode-se considerar a atividade numericamente igual a concentração molar;
EAg = 0,799 – (8,314.298/2.96500).2,3log(1/0,02) = 0,799 – (0,0128).2,3.1,6989 →
EC = EAg = 0,7489 V;
Determinação da Diferença de Potencial de Reação:
O potencial do cátodo é EC = 0,7489 V e do anôdo é EA = – 0,3961 V. Assim podemos representar a diferença de potencial da reação descrita na célula galvânica da figura 01 como:
Cu(s) + 2 Ag+ → Cu2+(aq) + 2 Ag(s) Equação [5]
E = Ecel = EC –EA
Ecel = 0,7489 V – (- 0,3961 V)
Ecel = 0,7489 V + 0,3961 V
Ecel = 1,145 V
Para se obter o valor da ddp (diferença de potencial) efetivamente mostrada no voltímetro [4] é necessário, adicionalmente, considerar a queda de potencial ocorrida em cada eletrodo devido ao efeito da polarização, associada em cada eletrodo, bem como a resistência ôhmica do eletrólito, das conexões, entre outros fatores que ao final do processo, promovem uma queda de potencial resultando num menor valor para a ddp (LINARDI, 2010).
Authors: Adriano Hasegawa, Roque Senna Download
References: Marcelo Linardi
DESAFIOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS BASEADOS NA TECNOLOGIA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Célula a Combustível tipo PEM alimentada pelos gases Hidrogênio e Oxigênio
Resumo
Devido a crescente preocupação mundial com questões relativas ao meio ambiente e à sustentabilidade das atividades humanas, a geração de energia tem se apresentado como um grande desafio, particularmente devido ao fato de ser uma atividade extremamente poluidora (quando proveniente de combustíveis fosseis). Neste contexto buscam-se novas fontes de energia. Uma das alternativas mais promissoras é representada pelo hidrogênio. O hidrogênio serve como vetor energético e pode ser gerado por diversas tecnologias tais como solar, eólica, biomassa, dentre outras alternativas renováveis. Dentro do que se convencionou chamar de economia do hidrogênio, merece destaque especial a tecnologia das células a combustível. São dispositivos que oxidam eletroquimicamente um combustível (em geral hidrogênio) gerando energia elétrica e calor. Assim, descrever os desafios tecnológicos e econômicos que afetam a disseminação das células a combustível permite contribuir com os esforços de avançar na busca de sistemas de geração de energia mais sustentáveis. Neste trabalho fez-se uma revisão da tecnologia das células a combustíveis, coletado em base de dados científico acadêmicas, buscando os artigos, por critério de relevância e data de publicação (inferior a 10 anos). A partir deste levantamento, elaborou-se este texto de revisão bibliográfica. Pode-se constatar que a tecnologia de células a combustível possui diversos problemas em comum à disseminação da própria economia do hidrogênio, dentre os quais citam-se: elevado custo de geração, necessidade de altos investimentos em infraestrutura, baixa maturidade tecnológica. E possui também problemas específicos dentre os quais: alto custo de componentes, baixa autonomia e confiabilidade. Parte da contribuição deste trabalho foi a de identificar os desafios que afetam a economia do hidrogênio e separa-los dos que afetam a tecnologia das células a combustível. Algo que a literatura especializada costuma manter junto e que é um fator importante para impedir a disseminação das células a combustível. Ler mais …
CONCLUSÕES
Procurou-se expor e discutir os desafios tecnológicos e econômicos ao desenvolvimento, disseminação e comercialização de sistemas baseados na tecnologia de células a combustível. Se discutiu os desafios para obtenção, estocagem e distribuição de hidrogênio. Avaliou-se que os desafios para a produção de hidrogênio, de modo centralizado, tende a se concentrar na integração com diversas formas de geração renováveis, entre elas a solar, eólica e gaseificação de biomassa.
Entretanto, apesar da geração de hidrogênio, estar se tornando mais rapidamente viável, ela tem encontrado problemas, sendo o primeiro a criação e manutenção de uma estrutura de produção, armazenamento e distribuição em larga escala; o segundo se refere à efetiva utilização do poder calorífico da fonte de combustível, bem como elevados custos com transporte, perdas em transmissão e distribuição são fatores limitantes de grande importância, também por esse motivo, o sistema de geração descentralizado, bem como o embarcado vem-se tornando viáveis a cada dia. O processador de combustível constitui-se em um gargalo tecnológico de enorme importância e, tem retardado de modo significativo o uso direto do etanol, bem como de outros combustíveis para a produção de hidrogênio.
Entretanto, para a consecução desse objetivo são necessárias pesquisas adicionais para a melhoria das membranas trocadoras de ânions, seleção de metais catalisadores não preciosos, transporte e gerenciamento de água pela membrana, bem como eliminar os motivos para a degradação do anodo nesse sistema.
Ao expor e discutir os desafios para a redução do custo de geração de energia pelas células a combustível, observou-se que elas estão se tornando, gradualmente competitivas, e a sua participação no mercado de produção de energia elétrica e de calor tem-se expandido. Melhorias na durabilidade, desempenho, redução nos custos de produção, bem como avanços tecnológicos na produção, armazenamento e distribuição do hidrogênio, também permitirão o acesso a um mercado maior. Assim contribuir com os esforços que permitirão a disseminação e comercialização da tecnologia das Células a Combustível por setores da economia, naquilo que se convenciona chamar de Economia do Hidrogênio, envolve diversas questões econômicas e de regulamentação, que ainda não estão perfeitamente consolidados.
Além disso a falta de divulgação dos benefícios da tecnologia das Células a Combustível, que ainda é do desconhecimento do grande público, o que gera dificuldade na sua aceitação. Também é de suma importância que o custo de instalação e infraestrutura de transporte e distribuição se reduza substancialmente, mesmo tratando-se de uma tecnologia relativamente nova, e encontrar-se em estágios iniciais de comercialização. Todos os fatores descritos, apesar de não constituir em obstáculos intransponíveis, tem atrasado a disseminação dessa tecnologia.
Entretanto, a crescente demanda por energia, somada a preocupações ambientais e de sustentabilidade, acabaram por se tornar em estímulos poderosos a adesão e difusão da tecnologia de células a combustível no Brasil e no Mundo, de forma geral.
Vale ainda destacar que o Brasil pode se beneficiar e muito desta tecnologia, devido a vantagens competitivas que aqui se encontram presentes tais como: tecnologia e infraestrutura do etanol, etanol de segunda geração (etanol gerado a partir da fermentação da celulose) em estágio avançado, fartas fontes de biomassa, boa luminosidade (acoplar com energia solar), possibilidade de produção de hidrogênio por microalgas. Todas estas fontes podem ser associadas à tecnologia de células a combustível como precursores do hidrogênio que irá alimentar estes dispositivos, ou ainda fornecer combustíveis que serão oxidados diretamente na célula, sem geração preliminar de hidrogênio (células a etanol por exemplo).
Expandir o uso do hidrogênio e das células a combustível como parte integrante de um portfólio de tecnologias limpas, eficientes e renováveis de energia irá requerer a combinação de novas tecnologias, amadurecimento das já existentes, aumento de aceitação do mercado e fortes investimentos em infraestrutura. Assim faz se necessário, pesquisas e difusão de informações sobre tecnologias renováveis e ambientalmente amigáveis de geração de energia. Geração de energia que figura hoje como uma das atividades humanas mais poluidoras
Authors: Adriano Hasegawa, Roque Senna
Mathematical modeling of a PEMFC 500 We Power Module
MATHEMATICAL MODELING OF A 500 We POWER MODULE COMPOSED BY A PEM FUEL CELL COMBINED WITH A DC-DC ENHANCED POTENTIAL OUTPUT CONVERTER
Schema of the electrical model for the MCC500 with dc-dc converter, parameterized to control the load bus potential.
This work presents the development of a mathematical modeling of a 500 We PEMFC fuel cell stack (MCC500) system combined with a dc-dc enhanced potential output converter. The MCC500 was developed at IPEN (Nuclear and Energy Research Institute) and the company Electrocell, using only Brazilian technology. Mathematical developments and modeling have been performed, relying on experimental data collected at IPEN laboratory. The first step was to prepare an electrical system (pre-design) for the proposed model, which included the MCC500 parameters, like: membrane ohmic resistance, activation resistance, electric double layer capacitance, open circuit potential, as well as DC-DC converter parameters, like: inductor and transistor switching frequency. Using the obtained parameters and a linear differential equation system with some mathematical manipulations, an electrical system model was determined. Simulations experiments demonstrated that the system was very stable. This toll contribution showed to be very important to generate useful potential for practical purposes, increasing the overall system electrical efficiency.
Authors: Roque Machado de Senna, Marcelo Linardi, Douglas Alves Cassiano, Ivan Santos, Henrique de Senna Mota, Rosimeire Aparecida Jerônimo.
Roque Senna’s Thesis
Hybrid system development and operation for an electric power generation with the brazilian technology composed of a PEMFC fuel cell stack and lead acid battery
Hybridgen blocks diagram
This work presents the contribution obtained by the development of the Hybrid Electric Power Generation System (HYBRIDGEN), with Brazilian technology, focused on third generation hybrid system, composed of the fuel cell type PEMFC, associated with a lead acid battery, and shows its variable load demand continuous mode operate ability with load factor below 50%. Four main themes were addressed. The first refers to a study concerning the to direct current (DC) energy converting efficiency improvement to regulate the dc-dc converter output potential. Power comes from the 1 kWe fuel cell stack, equipped with thermal cooling system and gas supply system, here named MCC1. After that a dc-dc converter system mathematical model was built supported on differential algebraic equations solution, the MCC1 trials, as well as in MATLAB7® program computer simulation. The second theme concerns the HYBRIDGEN prototype project and assembly due to lack on equipment on the Brazilian market with the necessary features for both research and for commercial use. Then, a charge controller card (CCC), wiring diagrams, copper bus and relay system were developed. A MCC1 developed by IPEN and ELECTROCELL® with Brazilian technology was use. The HYBRIDGEN can be installed in a mobile system. The third refers to a study concerning the stability analysis of the dc-dc converter system mathematical model. Four stability tests were addressed, namely: 1- The Frequency Response was used the Nyquist Mapping Theorem, 2 – The Nyquist Root Locus , 3 – The Step Test Function on operating points, and 4 – The Impulse Test Function on operating points. Finally, experiments with a 25 cm2 fuel cell unit, the MCC1 module and the HYBRIDGEN were carried out to, potential and current results. In the first MCC1 tests delivered a power output of 704.55 W (considered dominant operation power). Then, it was demonstrated the HYBRIDGEN ability to 819.52 We supply power, simultaneously: direct current loads, charge a 45Ah battery, a 2 kWe inverter and the autotransformer to supply power 12 Vcc, 127Vac, 220Vac, 60 Hz equipment. These results were achieved despite the MCC1 limit in the cooling system observed during the tests. Then, the HYBRIDGEN could be demonstrated technically feasible, and leading to great potential uses.
Author: Roque Senna.
Tese do Roque Senna
Desenvolvimento e demonstração de funcionamento de um sistema híbrido de geração de energia elétrica, com tecnologia nacional composto por um módulo de células a combustível tipo PEMFC e acumulador chumbo ácido.
Fotografia do Protótipo de 500We de 10 Células Unitárias em série, com Eletodo de 144cm² de Área Geométrica, desenvolvido pelo IPEN e ELECTROCELL®. Fonte: Adaptado de: Cunha, (2009).
Este trabalho apresenta a contribuição obtida no desenvolvimento de um Gerador de Eletricidade Híbrido (HYBRIDGEN), com tecnologia nacional, focado nos sistemas de terceira geração de energia elétrica híbrido, composto por um módulo de células a combustível tipo PEMFC, associado a um acumulador chumbo ácido. Mostra-se também a sua capacidade de operar em modo contínuo, carga com demanda variável e fator de carga inferior a 50%. Foram abordados quatro temas principais. O primeiro refere-se a um estudo para a melhoria da eficácia na conversão de energia em corrente contínua (cc), ao regular o potencial de saída do conversor cc-cc. A energia é proveniente do módulo de célula a combustível de 1 kWe, equipado com sistema térmico de refrigeração e sistema de alimentação de gases, aqui denominados MCC1. Para tal, foi construído o modelo matemático do sistema conversor de corrente contínua (sistema conversor cc-cc), com solução suportada em equações diferenciais algébricas, ensaios no MCC1, bem como em simulação computacional no programa MATLAB7®. O segundo tema refere-se ao desenvolvimento do projeto e montagem do protótipo do HYBRIDGEN devido à inexistência no mercado brasileiro de um equipamento com as características necessárias tanto para a pesquisa, quanto para uso comercial. Desenvolveu-se uma placa controladora para o acumulador (PCC), os esquemas elétricos, os barramentos e o sistema de relés. Também foi utilizado o MCC1 em desenvolvimento pelo IPEN e ELECTROCELL® com tecnologia 100% nacional. O HYBRIDGEN foi instalado em um sistema móvel. O terceiro tema refere-se à análise de estabilidade do modelo matemático do sistema conversor cc-cc. Utilizou-se de quatro testes de estabilidade, sendo: 1 – pela Resposta em Frequência ao utilizar o Teorema do Mapeamento, de Nyquist; 2 – Lugar das Raízes, de Nyquist; 3 – função de teste Degrau, em pontos de operação e, 4 – função de teste Impulso, em pontos de operação. Por fim, apresentaram-se os resultados dos ensaios de potencial e corrente de uma célula a combustível unitária de 25 cm2, do MCC1, e do HYBRIDGEN. No desenvolvimento dos primeiros testes o MCC1 atingiu 704,55 We, (potência considerada condição predominante de operação). A seguir, demonstrou-se a capacidade do HYBRIDGEN para simultaneamente: alimentar cargas em corrente contínua; carregar o acumulador de 45 Ah; alimentar o inversor de 2 kWe e o autotransformador, para fornecer energia a equipamentos em 12Vcc, 127 Vac e 220Vac, 60 Hz, todos num total de 819,52 We. Esses resultados foram obtidos mesmo com limitações na refrigeração ventilada do MCC1, observadas no decorrer dos testes. Assim, o HYBRIDGEN se mostrou viável tecnicamente, e com grande potencial de uso.
Author: Roque Senna.
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