LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTELER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTEDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURALDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL

Prof. Tomaz Caetano Cannavam RipoliProf. Tomaz Caetano Cannavam RipoliEDIÇÃO: 2.006EDIÇÃO: 2.006

PROPAGAÇÃO DA ENERGIA TÉRMICAPROPAGAÇÃO DA ENERGIA TÉRMICA

> ENERGIA> ENERGIA> VIBRAÇÃO> VIBRAÇÃO> ENERG.CINÉTICA> ENERG.CINÉTICA

DIFERENÇA DEDIFERENÇA DEDENSIDADE EMDENSIDADE EM f fDA TEMPERATURADA TEMPERATURA

EMISSÃO EMISSÃO CONTÍNUA DE CONTÍNUA DE ENERGIAENERGIA

CONDUÇÃOCONDUÇÃO CONVECÇÃOCONVECÇÃO RADIAÇÃORADIAÇÃO

AO NÍVELAO NÍVELMOLECULARMOLECULAR

TRANSLAÇÃOTRANSLAÇÃODE MASSASDE MASSASAQUECIDASAQUECIDAS

ONDASONDASELETRO-ELETRO-MAGNÉTICASMAGNÉTICAS

ENERGIA SOLAR CHEGA A TERRA PORENERGIA SOLAR CHEGA A TERRA POR

NUVENSNUVENS

DIFUSADIFUSA DIRETADIRETA REFLETIDAREFLETIDA

SUPERFÍCIE SUPERFÍCIE TERRESTRETERRESTRE

REFLETIDAREFLETIDA3%3%

NUVENS ENUVENS EATMOSFERAATMOSFERA19% ABSORVIDA19% ABSORVIDA

DISPERSADISPERSA 29%29%

DIRETADIRETA21%21%

REFLETIDAREFLETIDA31%31%

INCIDENTEINCIDENTE LÍQUIDALÍQUIDA

EVAPORAÇÃO, EVAPORAÇÃO, CONDUÇÃOCONDUÇÃO PELO ARPELO AR RADIAÇÃORADIAÇÃO

TERRESTRETERRESTRE

Irradiação Solar no Brasil

COLETOR SOLAR1.1. caixa d’água tradicional caixa d’água tradicional22. reservatório . reservatório termicamente isolado para termicamente isolado para aquecimento solaraquecimento solar3.3. reservatório reservatório termicamente isolado para termicamente isolado para aquecimento auxiliar aquecimento auxiliar elétricoelétrico44. resistência elétrica para . resistência elétrica para aquecimento auxiliaraquecimento auxiliar5.5. coletor solar coletor solar6 e 8.6 e 8. misturador de água misturador de água quente e friaquente e fria77. respiro. respiro

Sistema Convencional de Aquecimento de Sistema Convencional de Aquecimento de ÁguaÁgua

AQUECIMENTO DE ÁGUA1. entrada de água da 1. entrada de água da ruarua2. regulagem da água 2. regulagem da água quentequente3. entrada da água no 3. entrada da água no aquecedor/reservatórioaquecedor/reservatório4. saída da água já 4. saída da água já aquecidaaquecida5. entrada de água 5. entrada de água aquecida no chuveiroaquecida no chuveiro6. entrada de água fria, 6. entrada de água fria, regulada pelo registro regulada pelo registro convencional do convencional do chuveirochuveiro

FONTE: HINRICHS, 2003

SISTEMA DE AR QUENTE DESISTEMA DE AR QUENTE DEPLACA PLANA.PLACA PLANA.

EXERCÍCIO:EXERCÍCIO:Determinar área (A) de coletor para fornecer energia térmica Determinar área (A) de coletor para fornecer energia térmica para aquecer, por um dia, uma casa quando a carga de calor para aquecer, por um dia, uma casa quando a carga de calor =20.000 Btu/h e a insolação média diária no coletor (I) = =20.000 Btu/h e a insolação média diária no coletor (I) = 1.800 Btu/pé1.800 Btu/pé22 /dia e sua Eficiência (Ef) é de 50%. /dia e sua Eficiência (Ef) é de 50%.

SENDO: Q = I . Ef . ASENDO: Q = I . Ef . AQ = ENERGIA TÉRMICA NECESSÁRIA/DIAQ = ENERGIA TÉRMICA NECESSÁRIA/DIA

Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = 480.000 Btu/dia480.000 Btu/dia

Portanto:Portanto:A = 480000 Btu/dia / 900 Btu/péA = 480000 Btu/dia / 900 Btu/pé2 2 /dia = 533 pés/dia = 533 pés22

A = 533 pésA = 533 pés22 . 0,0929 m . 0,0929 m22 = = 49,52 m49,52 m22

Custo: US$600/mCusto: US$600/m22

?

Para as condições anteriores, calcular quantos litros de água Para as condições anteriores, calcular quantos litros de água seriam necessárias para armazenar a energia térmica para 3 seriam necessárias para armazenar a energia térmica para 3 dias de aquecimento. Partindo-se de que a temperaturadias de aquecimento. Partindo-se de que a temperatura inicial da água, no reservatório é de 150inicial da água, no reservatório é de 15000 F e o limite inferior F e o limite inferiorde uso é 90de uso é 9000 F (o que vale dizer: a mudança de temperatura F (o que vale dizer: a mudança de temperatura que a água será submetida será um que a água será submetida será um ΔΔt = 60t = 6000 F) F)..

O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema de armazenamento é:de armazenamento é:Q = 3 dias . 480.000 Btu/dia = 1.440.000 BtuQ = 3 dias . 480.000 Btu/dia = 1.440.000 Btu

Partindo-se da relação:Partindo-se da relação:Q = m . C. Q = m . C. ΔΔt t Sendo:Sendo:m = massa de águam = massa de águaC = calor específico da águaC = calor específico da águaΔΔt = diferença de temperatura da águat = diferença de temperatura da água

Q = m . C. Q = m . C. ΔΔtt

1.440.000 Btu = m . 1 . 601.440.000 Btu = m . 1 . 6000 F F

m = 24.000 lbm = 24.000 lb

Como: 8,3 lb = 1 galãoComo: 8,3 lb = 1 galão tem-se que:tem-se que:24.000 lb /8,3 lb = 2892 galões 24.000 lb /8,3 lb = 2892 galões Como:Como:1 galão = 3,785 litros1 galão = 3,785 litrosPortanto:Portanto:2.892 galões . 3,785 litros = 2.892 galões . 3,785 litros = 10.946 litros10.946 litros

HARPER LAKE, CAHARPER LAKE, CA

Aquecimento de água

Aquecedor Solar

Grupo Solaris – ESALQ/USP

Fogão Solar

parabólica para captação da energia solar

foco de energia onde fica

recipiente para ser aquecido

Secador Solar

Secador Solar

Secador Solar de Baixo Custo

Grupo Solaris – ESALQ/USP

H. HERTZ EM 1887 DESCOBRIU O PRINCÍPIO DO USO DIRETO DA H. HERTZ EM 1887 DESCOBRIU O PRINCÍPIO DO USO DIRETO DA ENERGIA SOLAR PARA PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (QUANDOENERGIA SOLAR PARA PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (QUANDO A LUZ ATINGE DETERMINADOS METAIS, ELÉTRONS SÃO EMITIDOS).A LUZ ATINGE DETERMINADOS METAIS, ELÉTRONS SÃO EMITIDOS).

O FENÔMENO É DENOMINADO DE “EFEITO FOTOELÉTRICO”O FENÔMENO É DENOMINADO DE “EFEITO FOTOELÉTRICO”

Luz incidindo na placa negativa, elétrons são emitidos com uma quantidade deLuz incidindo na placa negativa, elétrons são emitidos com uma quantidade deEnergia cinética inversamente proporcional ao comprimento da onda da luz Energia cinética inversamente proporcional ao comprimento da onda da luz Incidente.Incidente.

-- ++

LUZLUZ

ee--

ee--

ee--

Tubo de vácuoTubo de vácuo

CÉLULA FOTOVOLTAICA

SISTEMA FOTOVOLTAICO

• Placas solares• Regulador de carga• Banco de baterias• Inversor

CÉLULAS FOTO VOLTAICASCÉLULAS FOTO VOLTAICAS

CÉLULA DE COMBUSTÍVELCÉLULA DE COMBUSTÍVEL(INVENTADA HÁ 100 ANOS)(INVENTADA HÁ 100 ANOS)

É UM CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMBINA É UM CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMBINA UM COMBUSTÍVEL (HUM COMBUSTÍVEL (H22 OU GÁS NATURAL) COM O OU GÁS NATURAL) COM O

OO22 POR MEIO DE PROCESSO ELETROQUÍMICO, POR MEIO DE PROCESSO ELETROQUÍMICO,

GERANDO ELETRICIDADE.GERANDO ELETRICIDADE.ASPECTOS POSITIVOS:ASPECTOS POSITIVOS:ELEVADA RAZÃO POTÊNCIA/PESO, NÃO ELEVADA RAZÃO POTÊNCIA/PESO, NÃO POLUENTE, TAMANHO PEQUENO, ALTA POLUENTE, TAMANHO PEQUENO, ALTA CONFIABILIDADE (NÃO HÁ PARTES MÓVEIS)CONFIABILIDADE (NÃO HÁ PARTES MÓVEIS)EFICIÊNCIA 50-70%EFICIÊNCIA 50-70%

ASPECTOS NEGATIVOS (ATUAIS):ASPECTOS NEGATIVOS (ATUAIS):CUSTO ( US$3 A 4 mil/ Kw)CUSTO ( US$3 A 4 mil/ Kw)DÚVIDAS QUANTO A DURABILIDADEDÚVIDAS QUANTO A DURABILIDADEDE ONDE E COMO OBTER O HDE ONDE E COMO OBTER O H2 2 (METANOL, GASOLINA)(METANOL, GASOLINA)

A REAÇÃO NA CÉLULA É UMA COMBUSTÃO LENTA DO HA REAÇÃO NA CÉLULA É UMA COMBUSTÃO LENTA DO H22

ELETRODOS DE CARBONO ELETRODOS DE CARBONO

TIPOS EFICIÊNCIA

(%)

TEMPERATURA

OPERAÇÃO (0C)

TAMANHO DA UNIDADE

(kW)

MEMBRANA DE

TROCA PROTÔNICA

40 A 50 80 50

ÁCIDO FOSFÓRICO

40 A 50 200 200

CARBONATO FUNDIDO

60 + 650 2.000

ÓXIDO SÓLIDO 60 + 800 100

ALCALINA 70 60 2 a 5

Fonte: Hinrichs, 2003Fonte: Hinrichs, 2003

GOLDEMBERG, José. 1998. Energia, Meio Ambiente & Desenvolvimento. São Paulo: EDUSP.

Instituto Nacional de Meteorologia. LABSOLAR – Laboratório de Energia Solar – EMC/UFSC. Atlas de irradiação solar do Brasil. Brasília: , 1998.

HINRICHS, r.a. & KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. Thompson, 3a. Ed. São paulo. 2003. 543 p.

MELFI, Adolfo José; MONTES, Célia Regina. 2002. Disciplina de Geociência Ambiental. Piracicaba: ESALQ. Notas de aula do curso de graduação em Gestão Ambiental.

MONTENEGRO, A.B. Fontes não-convencionais de energia. 3.ed. Atlas de Irradiação Solar do Brasil co-autoria do INPE.

NASCIMENTO, Carlos Maia do. 2002. Conseqüências ambientais decorrentes da nova estruturação do setor elétrico e energético do Brasil. Conferência apresentada no 1º Simpósio e Exposição Internacional sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável em Municípios Industriais – Paulínia 2002. Paulínia, 20 a 23 de maio de 2002.

TURKENBURG, W.C. 2002. Renewable Energy: overview. Conferência apresentada no Energia 2020 - Sustentabilidade na geração e uso de energia no Brasil: os próximos vinte anos. Campinas, 18 a 20 de fevereiro de 2002. Acessado dia 01 de Junho de 2002.

Referências

Introdução ao Hidrogênio e Célula a Combustível

ENERGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE

ALEXANDREALEXANDRE SORDI - UNICAMP SORDI - UNICAMP

Hidrogênio

Eletrólise da água6,5 kWh/Nm3 (70% eficiência)

Reforma de hidrocarbonetosReforma vapor de gás natural (350 - 400ºC)

28 Nm3 H2 / 15 Nm3 CH4 (55% de eficiência)

Reforma vapor de etanol (600ºC)

Reforma vapor de metanol (260ºC)

Reforma vapor de gasolina (900ºC)

Reforma vapor do gás de gaseificação bagaço de cana

Basicamente- CnHm + nH2O H2 + nCO

Hidrogênio

A reforma vapor é o método mais comum de se produzir gases ricos em hidrogênio. É uma conversão endotérmica e catalítica com hidrocarbonetos leves e vapor d’água. A reforma a vapor do metano (maior constituinte do gás natural) é o método mais barato de produzir hidrogênio; aproximadamente 48% da produção mundial de hidrogênio é produzida a partir deste processo.

A reforma vapor do metano resulta em 64% de H2; 16,3% de CO2; 17,8% de H2O e 1,8% de N2. Após a reforma o gás é direcionado para a conversão exotérmica catalítica (reação de shift) do monóxido de carbono resultante produz hidrogênio puro de acordo com:

CO + H2O CO2 + H2

Hidrogênio

Armazenamento do hidrogênio

Estado gasoso Em cilindros em torno de 150 atm (6,4 Nm3/570 g) Em gasômetros com pressão pouco superior à atmosférica, armazenando em 1 m3 aprox. 1Nm3 e 89 g. Energia necessária resp. (2,4 kWh/kg e 0,05 kWh/kg)

Estado líquido Temperatura de -235ºC, (10-13 kWh/kg)

Hidretos metálicos Composto metálico capaz de armazenar hidrogênio

e liberá-lo sob aquecimento. FeTiHx, LaNiHx

(4,1 kWh/kg)

Célula a combustível

A célula a combustível converte a energia química de um combustível diretamente em eletricidade e calor. Basicamente: H2 + ½ O2 H2O

Célula a combustível

Tipos de células a combustívelPEMFC- Célula a combustível de membrana poliméricaPAFC- Célula a combustível de ácido fosfóricoMCFC- Célula a combustível de carbonato fundidoSOFC- Célula a combustível de óxido sólido

Célula a combustível

Comparação com outros conversores

Referências:

ELLIS, M. W. Fuel Cell for building applications. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. 2002.

EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Fuel Cell Handbook. 2000.

SILVA, E. P; NEVES Jr, N. P; OLIVEIRA, F. J. C. Tecnologias, aplicações e economia do hidrogênio Vol II 1986. Laboratório de hidrogênio Unicamp – IFGW.

SILVA, E. P; MOURA, J. C.; SOUZA, S. N. M.; TICIANELLI, E. A.; CAMARGO, J. C. Produção adjacente de hidrogênio em usinas hidroelétricas e sua utilização. NIPE 2001.