Microgeração, contextualização com a actualidade e debate sobre perspectivas futuras

FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS UNIVERSIDADE DE COIMBRA Mestrado Integrado em Engenharia Química Trabalho elaborado no âmbito da disciplina de Energia e Biocombustíveis

Microgeração Contextualização com a actualidade e debate sobre perspectivas futuras

Elaborado por: Ângelo Dinis Simões Nunes Dorin Miscenco

Índice Introdução ......................................................................................................................... 1 Enquadramento Socioeconómico e Legislativo ............................................................... 1 Tecnologias Actuais ......................................................................................................... 4 Motores de Combustão ................................................................................................. 5 Micro turbinas a gás ...................................................................................................... 6 Micro Ciclos de Rankine .............................................................................................. 7 Motores de Stirling ....................................................................................................... 8 Novas Tecnologias ........................................................................................................... 9 Biomassa ....................................................................................................................... 9 Gasificação .............................................................................................................. 12 Solar ............................................................................................................................ 14 Células à Base de Silício ......................................................................................... 15 Células de Filme Fino ............................................................................................. 16 Tecnologias em desenvolvimento ........................................................................... 17 Pilhas de Combustível ................................................................................................ 17 Introdução histórica ................................................................................................. 18 Princípio de Funcionamento.................................................................................... 18 Vantagens ................................................................................................................ 20 Configurações possíveis para microgeração ........................................................... 20 Problemas ................................................................................................................ 22 Casos de Estudo .............................................................................................................. 24 Caso 1 – Fotovoltaica e Eólica.................................................................................... 24 Caso 2 - mCHP por Combustão .................................................................................. 27 Caso 3 – mCHP através de Pilhas de Combustível .................................................... 27 Conclusão ....................................................................................................................... 29 Bibliografia ..................................................................................................................... 30

Introdução A microgeração de energia é de facto o método mais arcaico de geração e distribuição de energia. Desde descoberta do fogo que a microgeração é um método usado para fornecer aquecimento para casas, em lareiras, de modo a satisfazer as necessidades térmicas dos habitantes. Após aparecimento de primeiras comunidades humanas a microgeração era usada para satisfazer ainda mais necessidades energéticas como fabrico de utensílios, alimentação e aquecimento. Com o progresso e centralização de localidades humanas em grandes cidades a microgeração foi substituída em grande parte por geração em instalações centralizadas menos eficientes. No entanto, observa-se ultimamente um aumento de instalações de microgeração de energia térmica mas também eléctrica. Isto deve se a possibilidade deste tipo de sistemas integrarem energia renovável diminuindo assim o preço da energia e o impacto ambiental, aumentando a sustentabilidade na geração de energia. Este trabalho irá incidir sobre esta temática.

Enquadramento Socioeconómico e Legislativo No sentido geral a microgeração significa produção de energia eléctrica e térmica de uma entidade para consumo interno com potência 100kW ou então sistemas com uma capacidade eléctrica inferior a 15kWe (Dong, et al., 2009). No entanto, para efeitos legislativos, esta definição é pouco adequada já que não especifica a energia que a entidade tem direito de produzir em território nacional, como outros aspectos importantes ligados aos equipamentos e certificação de sistemas. Deste modo surge a necessidade de introduzir pela legislação, de várias restrições em relação a aspectos específicos da operação e dimensionamento. Deste modo o conceito de pequeno produtor já foi introduzido pela Lei n.º 2002, em 1944, no entanto este conceito tem sofrido alterações com as novas leis a sair (Decreto-Lei n.º 20/81, Decreto-Lei n.º 149/86). No entanto foi somente no ano 1988 com o Decreto-Lei n.º 189/88 que o estado definiu regras para geração de electricidade a partir de fontes renováveis e para geração combinada de electricidade e calor o que possibilitou um maior acesso a esta actividade por parte da população. Tendo uma situação energética difícil, e tendo em conta as crises e instabilidades no mercado petrolífero tornou se evidente que é necessário promover a produção a pequena escala como um meio de diminuição de dependências com os combustíveis fosseis e diminuir a dependência do país. Em 1995 foi constituída uma nova lei que define um regime autónomo para microgeração. De seguida com introdução de DecretoLei n.º 168/99 em 1999, foram reconhecidos os aspectos ambientais da microgeração tendo em conta a localização geográfica e a gestão de recursos endógenos, com destaque para zonas sensíveis a nível ambiental. Foram introduzidas alterações importantes que estabelecem condições diferenciados conforme a tecnologia usada, onde as tecnologias promissoras como os fotovoltaicos foram favorecidas, o que era indispensável para o funcionamento de algumas instalações experimentais. No ano 2001 pelo Conselho de Ministros foi aprovado o programa E4, que tinha um conjunto vasto 1

de objectivos na política energética visando o uso de recursos endógenos, aumento de eficiência energética e modernização do sistema energético do país. No entanto um passo importante foi dado em 2002 com entrada em vigor de Decreto-Lei n.º 68/2002, de 25 de Março, onde foi regulada a situação de consumidorprodutor, permitindo a produção de energia eléctrica de baixa tensão sem prejuízo a ligação a rede. A entidade produtora ganhou uma tripla perspectiva já que a energia produzida podia ser consumida internamente, vendida a terceiros ou enviada para a rede eléctrica pública. No entanto esta medida não teve uma expressão significativa. Sendo assim em 2007 foi lançado Decreto-Lei n.º 363/2007, de 2 de Novembro que entretanto já sofreu alterações, vinha simplificar em muito o processo de instalação e licenciamento. Neste contexto foi criado uma plataforma electrónica - Sistema de Registo de Microprodução (SRM), que serve como ligação entre produtor e administração. Foram introduzidas várias simplificações a nível de projecto que tinha que constar conforme base de dados de elementos predefinidos encurtando o processo por vários meses. Ainda foi introduzido um regime simplificado de facturação eliminando passos desnecessários no processo de pagamento e no relacionamento comercial. Estas medidas conseguiram tornar a opção de microgeração mais atractiva para a população. De modo a diferenciar as tecnologias, foram criados dois regimes de remuneração, geral para maioria de aplicações e bonificado para uso de energias renováveis. Mais em concreto esta lei especifica aspectos importantes como por exemplo: - Estipula regime bonificado que permite ao produtor ter uma potência de ligação a rede máxima de 3.68 kW, vendendo a energia a um preço maior que habitualmente adquire á rede, este regime é aplicado a sistemas a base das energias renováveis, nomeadamente, solar, eólica, hídrica, cogeração com biomassa, e pilhas de combustível a base de hidrogénio vindo de fontes renováveis (bio-hidrogénio). Ainda foram estipulados limites de produção anual com os seguintes valores: 2,4 MWh/ano geração solar e 4 MWh/ano para as restantes. - Regime geral é atribuído a todos os casos que não correspondem ao regime bonificado, com um máximo de potência para a rede de 5,75 kW, vendendo a um preço igual a que habitualmente adquire a rede para fontes não renováveis. - A electricidade vendida não pode ultrapassar 50% do valor contratado sendo assim pelo menos metade da energia deve ser consumida pelo produtor ou terceiros. As tarifas de venda variam conforme a tecnologia usada e o número de anos de exploração. O cálculo da tarifa está minuciosamente descrita na lei de 2007 onde está incluída também a fórmula de cálculo para sistemas integrados de várias tecnologias. Para além das medidas mencionadas foram criados incentivos para empresas a nível fiscal e também foram criados acordos com entidade bancárias para uma maior facilidade de financiamento e uma taxa de juros baixa Estas medidas legislativas tem como intuito a promoção de micro (até 150 kW) e mini produção (até 250 kW) de modo a diminuir a dependência de combustíveis fosseis importados aumentando a independência energética do país, estas medidas já forma

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introduzidas em outros países como Japão, Suíça, Espanha etc. o que é um bom indicativo na luta por uma energia mais barata e limpa para todos. Com o pacote de Mudança Climatérica e Energia, até 2020, tem que haver uma redução em 20% dos gases de efeito de estufa, um aumento em 20% das renováveis como fonte de energia consumida em toda a União Europeia e um aumento em 20% da eficiência energética da zona Euro, tudo relativo aos valores de 1990 (chamada a medida 20-20-20). Os combustíveis de origem renovável terão de perfazer 10% do total consumido em transportes. Estas metas foram todas convertidas a directivas europeias, que têm que ser posteriormente adaptadas à realidade de cada país. Existe uma meta a ser cumprida por Portugal, correspondente a uma quota de 31% em energias renováveis relativamente às fontes energéticas totais. A microgeração tem que atingir em Portugal 165 MW/ano de produção de energia em 2015. Neste sentido, é relevante investigar sobre os princípios de funcionamento dos vários microgeradores e dos processos de produção dos mesmos, de modo a atingir uma tecnologia que seja competitiva com o actual mercado energético doméstico. Esta temática tem ainda outra dimensão, no que toca a interesses geopolíticos e socioeconómicos de Portugal, pois trata-se de um investimento que gera postos de trabalho, traz benefícios fiscais ao país - caso a redução de emissões de CO2 seja tal que Portugal possa vender licenças de CO2 - e reduz a dependência de combustíveis fósseis, assim como estimula a indústria com preços energéticos menores. Portugal tem uma posição privilegiada para a produção de energia de origem renovável, essencialmente pela alta incidência de radiação solar. Como tal, faz sentido investir na microgeração como maneira de atingir metas, tanto nacionais como europeias e produzir riqueza, pois a maior parte da energia renovável vem de grandes parques eólicos, fotovoltaicos e barragens, sendo que a geração de electricidade de baixa voltagem tem pouca aceitação. O investimento por parte de privados neste tipo de tecnologias é benéfico para o Estado pois acarreta menos custos para o mesmo na criação deste tipo de infraestruturas e aumenta a fiabilidade da rede eléctrica pois não há uma dependência tão grande em poucas unidades de produção energética a larga escala. A percentagem relativa ao consumo de energia por parte de domicílios equivale a 40% da energia total consumida na União Europeia assim como contribui para as emissões de CO2. Em 2009, o consumo energético português por parte de edifícios era igual a 30% do consumo total e mais de 60% para a energia eléctrica. Legalmente, é apenas possível fornecer à rede 150 kW de energia quando se faz microgeração sendo necessário um contracto para o efeito e de modo a ser possível instalar tal unidade, é obrigatória a instalação de painéis de aquecimento solar com pelo menos 2 m2 conferindo também benefícios fiscais. Em 2008, dos 3600 sistemas de microgeração que se aplicaram a um certificado, 808 conseguiram. Os sistemas fotovoltaicos são os que têm maior procura, perfazendo 95% dos equipamentos desta natureza, provavelmente devido à sua necessidade de manutenção. O último decreto-lei veio ajudar no processo de licenciamento, sendo este feio pela internet e torna a venda da energia produzida mais fácil. No entanto limita a potência instalada em 25 MW por ano.

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Tecnologias Actuais Quando se fala em microgeração, fala-se normalmente em microcogeração (mCHP), que consiste na produção em simultâneo de energia sob a forma de calor e sob a forma de electricidade. Esta temática tem sido considerada a um nível global e cada vez ganha mais relevo devido à sua aplicabilidade (domicílios, centros comerciais, escolas, hospitais, etc) e benefícios ambientais. São sistemas que dão alguma independência da rede eléctrica, o que é sempre bom. No entanto estes sistemas apresentam alguns problemas a nível técnico e de competitividade económica. As tecnologias para mCHP que estão actualmente disponíveis no mercado, embora não com o alcance e industrialização desejados são: motores de combustão interna (ICE), micro turbinas a gás (MGT), a tecnologia de micro ciclo de Rankine (MRC) e motores de Stirling (SE). É de notar que todas as tecnologias anteriormente referidas são baseadas em combustão, o que limita bastante as eficiências eléctricas que é possível obter. De modo a comparar e analisar cada uma destas tecnologias, são esquematizadas na Figura 1 e Figura 2 a sua eficiência eléctrica e térmica, respectivamente.

Figura 1 – Eficiência eléctrica de várias tecnologias de mCHP em função da potência instalada (Bianchi, et al., 2012).

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Figura 2 – Eficiência térmica de várias tecnologias de mCHP em função da potência instalada (Bianchi, et al., 2012).

Existe uma tendência para a eficiência eléctrica das várias tecnologias aumentar com a potência, sendo este um dos principais entraves ao desenvolvimento de sistemas de microgeração. Para a eficiência térmica acontece o contrário, nota-se um ligeiro decréscimo na eficiência térmica, o que normalmente é algo positivo pois aumenta o rácio de potência eléctrica/potência térmica. É de notar que para o MRC, a eficiência eléctrica aumenta com a diminuição da potência eléctrica, e no caso da eficiência térmica, esta aumenta com a potência eléctrica, o que significa que esta tecnologia consegue ter um bom rácio potência eléctrica/potência térmica para valores mais baixos de potência eléctrica, fazendo da MRC uma boa candidata a sistemas de microgeração. Pode-se também verificar que a eficiência combinada das várias tecnologias encontra-se sempre acima de 75%, o que realça a importância da utilização deste tipo de sistemas. Devido à importância que estas tecnologias têm a nível ambiental, é feita uma comparação entre algumas do ponto de vista das emissões de CO2, representada na Figura 3. Nela é possível ver que as pilhas de combustível apresentam as melhores poupanças a nível de emissões. Motores de Combustão Os motores de combustão interna são a tecnologia melhor estabelecida no campo da cogeração e microcogeração. Para aplicações domésticas, possuem eficiências eléctricas entre 20-26% e eficiências globais até 90% (Maghanki, et al., 2013).

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Figura 3 – Poupanças anuais em emissões de CO2 que as várias tecnologias de mCHP trazem em comparação com a electricidade da rede ou com caldeiras (Maghanki, et al., 2013) - adaptado.

Micro turbinas a gás Uma turbina a gás funciona da mesma maneira que uma turbina de vapor, mas com gás e combustível. A combustão dá-se, o que vai dar origem a uma mistura gasosa a alta pressão e temperatura. Esta mistura vai entrar na turbina, expandindo e fazendo-a movimentar-se, produzindo energia eléctrica. A energia térmica pode também ser aproveitada. As microturbinas (abaixo de 30 kWe) apresentam dificuldades técnicas, algumas relacionadas com dinâmicas de fluídos assim como um custo elevado. Moss et. al. apresentaram uma turbina de recuperação de gás com uma potência térmica de 5 kW e uma potência eléctrica de 8 kW. Os resultados computacionais apontaram para uma eficiência eléctrica de 33%, sendo que nos resultados experimentais atingiu-se uma eficiência de 12,3% e uma potência de 2,7 kWe (Moss, et al., 2005). A empresa Talbott’s Heating Ltd comercializa uma microturbina com 100 kWe de potência e uma eficiência eléctrica de 17% e uma eficiência combinada de 80-85% (representada na Figura 5). No entanto, poucos são os módulos comerciais abaixo de 100 kWe disponíveis no mercado, devido à perca de eficiência com a redução da potência. Estudo para aumentar a eficiência destes sistemas focam-se fundamentalmente em materiais cerâmicos assim como na integração com pilhas de combustível (Maghanki, et al., 2013).

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Figura 4 – Esquema de uma micro turbina (Anónimo, 2002).

Figura 5 – Exemplo de uma micro turbina a gás (Talbott’s Heating Ltd)

Micro Ciclos de Rankine Os sistemas de mCHP que usam este tipo de tecnologia só existem no mercado como protótipos, atingindo potências eléctricas na gama 1-10 kW e uma potência térmica desde 8 a 44 kW. Possuem eficiências eléctricas de 6 a 19% e uma eficiência global para cima de 90% (Maghanki, et al., 2013). A tecnologia MRC está a ganhar relevo no âmbito da mCHP pois é um sistema 60% mais barato que os motores de Stirling, apresentando semelhanças com as turbinas de gás e compatibilidade com as tecnologias de gasificação. Podem usar água ou um fluido orgânico com propriedades termodinamicamente favoráveis (EESD, 2001). Como os fluidos orgânicos vaporizam a temperaturas inferiores, os ORC operam a temperaturas e pressões menores que outras tecnologias mais convencionais, que usam vapor (Sipila, et al., 2005). Tal tem interesse neste tipo de aplicações e permite baixar os custos de operações deste tipo de equipamentos, no entanto, o custo capital é ainda alto comparativamente a outras tecnologias. Além disso, a eficiência eléctrica de uma turbina a vapor cai para os 6-8% 7

para dimensões menores que 30 kWe (Pritchard, 2002), enquanto que o MRC mantém uma eficiência eléctrica de 15% e uma eficiência calorífica entre 60-70% (algo que foi possível constatar anteriormente). Já existem módulos comerciais com eficiências eléctricas de 20% e potências entre 400 kWe – 1,5 MWe (Oberngerger, 2000), no entanto as aplicações desta tecnologia permanecem na grande e média escala. É necessário investigar os princípios destas tecnologias de modo a ser possível diminuir ainda mais os valores de potência, mantendo eficiências e principalmente custos.

Figura 6 – Esquema de um ciclo de Rankine para mCHP (Mikielewicz & Mikielewicz, 2010).

Motores de Stirling Os motores de Stirling são uma tecnologia bastante arcaica, tendo aparecido como um melhoramento da máquina a vapor. Existe uma câmara de combustão que aquece um gás, e esse aquecimento faz o gás expandir-se, o que provoca um movimento num pistão, movimento esse que pode ser convertido em electricidade, sendo o calor da combustão também aproveitado. Devido à simplicidade, esta tecnologia ainda tem algumas aplicações, sendo a mCHP uma delas, existindo somente em fase de protótipo, com potências eléctricas entre 1 e 9 kW e potências térmicas entre 4 e 25 kW. A empresa Community Power Corporation (CPC) possui um aparelho desta natureza, que produz 1 kW de energia eléctrica e 18 kW de energia térmica (Community Power Corporation, 2009), representado na Figura 7.

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Figura 7 – Exemplo de motor de Stirling para mCHP (Community Power Corporation, 2009).

Após esta revisão sobre as tecnologias utilizadas, ficam a faltar certas tecnologias, no âmbito da mCHP – pilhas de combustível, e tecnologias de somente geração eléctrica, como é o caso dos painéis fotovoltaicos e as turbinas eólicas. O grupo achou por bem falar destas tecnologias em separado, devido à sua relevância actual, assim como ao seu potencial futuro.

Novas Tecnologias O grupo reservou uma parte do trabalho para abordar as tecnologias que acha possuírem mais importância e que se prevê que num futuro próximo se assumam como fontes energéticas principais. Biomassa Embora não seja uma tecnologia, a biomassa tem e continuará a ter um papel importante como recurso energético e como tal, esta será abordada no decorrer do trabalho. É o quarto recurso energético mais abundante, sendo que os recursos lenhocelulósicos satisfazem 35% das necessidades energéticas dos países em desenvolvimento e 13-14% globalmente. A exploração deste recurso é atractiva pois contribui para a auto-suficiência energética de um país, adquirindo um maior relevo em países menos desenvolvidos. Consegue providenciar energia na forma de calor ou electricidade, é uma fonte nula de emissões de CO2 (o CO2 libertado na transformação 9

em energia útil é o mesmo CO2 absorvido anteriormente pelos seres vivos fotossintéticos que constituem a biomassa), não liberta tanto monóxido de carbono nem partículas para a atmosfera assim como não liberta sulfeto de hidrogénio, H2S, o principal composto responsável pelas chuvas ácidas e não tem a intermitência de disponibilidade como outras fontes de energia renováveis (Dong, et al., 2009) (Karekezi, et al., 2004). A biomassa é uma boa opção para microcogeração, especialmente em zonas rurais, onde há uma abundância natural de compostos orgânicos. É também uma maneira de tratar resíduos orgânicos, valorizando-os energeticamente. Traz também benefícios ambientais, pois este tipo de infraestruturas, normalmente usadas para cogeração, são deslocalizadas e pequenas, perto da fonte, o que reduz os custos e emissões de CO2 no transporte da biomassa. A construção de grandes centrais de cogeração através da biomassa tem o inconveniente de ser mais difícil dar destino ao calor gerado, o que aliado às dificuldades logísticas no transporte da biomassa faz com que a opção mais viável a nível económico seja mesmo a criação de pequenas centrais de mCHP (Zabaniotou, et al., 2011). Considerando o uso da biomassa para mCHP, apresentam-se algumas das suas vantagens (Rosillo-Calle, et al., 2007):   

É possível atingir eficiências na ordem dos 85% (para calor e electricidade) Ecologicamente menos poluente – estima-se que cada MWe de energia produzida existe uma redução de emissões de CO2 de 1000 ton/ano. Importância da geração descentralizada – estima-se que produções abaixo dos 10MW de energia vão ganhar uma maior cota que mercado em comparação com a actualidade, o que também se relaciona directamente com a microgeração.

É de seguida discutido o enquadramento da biomassa como combustível alternativo e suas perspectivas de crescimento até 2030, tanto a nível europeu como a nível mundial. A relevância destes estudos prende-se com estrutura logística regional necessária a este tipo de sistema funcionar (aplicável a áreas territoriais relativamente extensas) assim como à competitividade económica deste combustível alternativo face a outros mais convencionais, respectivamente. Existe o potencial técnico da biomassa e o potencial de utilização da biomassa. O potencial técnico da biomassa define-se como a quantidade desta que, com a tecnologia actual, pode ser explorada com fins de aproveitamento energético, não interferindo com a disponibilidade de recursos alimentares, agro-pecuários ou biomateriais. É baseado em inventários de potenciais fontes de biomassa, tais como dados de aterros, efluentes/resíduos orgânicos das indústrias ou uso de terra exclusivamente para a produção de biomassa. Possui a desvantagem de não levar em conta a quantidade de biomassa que é economicamente viável explorar. Trata-se portanto de um limite superior da quantidade de biomassa disponível para aplicações energéticas. O potencial de utilização da biomassa define-se como a quantidade de biomassa que pode ser aproveitada energeticamente de forma economicamente competitiva, o que muitas vezes é conflituoso, ou seja, tem em conta a electricidade, calor, e combustíveis para transporte e a sua possível substituição por 10

biomassa ou seus derivados. Está relacionado com a procura e oferta da biomassa que por sua vez é afectada pelo crescimento populacional, desenvolvimento económico, políticas ambientais, consumo energético por parte da indústria, desenvolvimento tecnológico, competição entre tecnologias, etc (Hedegaard, et al., 2008). Tabela 1 – Comparação entre vários cenários de disponibilidade de biomassa e valores percentuais da substituição de combustíveis fósseis respectivos (Hedegaard, et al., 2008). VIB – Variante Intensiva em Biomassa; SCF – Sem Combustíveis Fósseis; VIER – Variante Intensiva em Energias Renováveis.

Potencial da Biomassa (EJ/ano) Estudo

Local

Tempo

21

EU25

22

EU27

2030 20152025 20252045 20252045 >2040 >2040 2030

EU27 EU27

23

EU27 EU27 Global Global Global

24

Global

25 26 30 27 28 29

Global Global Global Global Global Global

17

2030 20252050 2020 2025 2025 2025 2030 2025

Sim

6,7

5,2

11,9

Substituição de Fósseis (%) 16-18

Sim

2,8

1,8

4,6

4-5

Recursos Procura Cenário Resíduos Plantações

Total

Sim

Baixo

2,9

5,6

8,5

8-9

Sim

Alto

3,5

7,2

10,7

10-12

Sim Sim Sim Sim Sim

Baixo Alto Baixo Alto

2,5 3,1 96 96 87

15,4 19,9 219 315 151

17,9 23 315 411 238

17-19 21-25 42-48 55-62 32-36

Sim

31

267

298

40-45

Sim

15

112

56

17

65

80

127 74 85 74 91 145

17-19 10-11 11-13 10-11 12-14 19-22

N.D. Sim Sim Sim

Sim N.D. Sim Sim

VIB SCF VIER

Analisando a Tabela 1 é possível verificar que os cenários onde se considera o efeito dos mercados, ou seja, da oferta e procura, a percentagem de substituição de combustíveis fósseis é menor, tal como seria de esperar, pois nesses casos nem toda a biomassa é economicamente viável explorar, recorrendo-se a outras tecnologias. É possível também verificar que as percentagens, mesmo para um futuro próximo, não são muito elevadas, tirando em cenários optimistas, logo a biomassa não será uma fonte de energia com a qual se poderá depender totalmente mas antes uma das várias fontes energéticas ao dispor da Humanidade. É de notar que estes estudos foram pensados a uma escala bem maior que a abordada neste trabalho, no entanto, não deve ser desprezado o impacto que as medidas a uma escala local podem ter globalmente, existindo inclusive uma máxima – “pense globalmente, aja localmente” – que realça este aspecto. A microgeração com recurso à biomassa surge portanto numa perspectiva de mudar o paradigma energético global através da acção local. Quando se fala em aproveitamento energético de biomassa, pode-se estar a falar em combustão directa para a produção de vapor – processo mais comum neste âmbito – 11

gasificação, pirólise e outros processos de natureza bioquímica ou mecânica (Dong, et al., 2009). No âmbito da microgeração, a gasificação é a que apresenta maior potencial devido à tecnologia que existe a jusante desta, ou seja, a aplicabilidade do produto final deste processo – gás que pode ser usado numa turbina para gerar electricidade, num motor ou numa pilha de combustível (Chen, et al., 2004). Gasificação Trata-se de um fenómeno termoquímico, que converte biomassa em gás, o chamado gás de síntese ou syngas. Conseguem-se conversões na ordem dos 80%, sendo que o gás resultante é de mais fácil manuseamento, podendo ser posteriormente convertido em hidrogénio molecular ou produção directa de energia (Knoef, 2005). O syngas é constituído por H2, CO2, CO, CH4 e N2 quando se usa gás na gasificação da biomassa. Os resíduos de carvão e alcatrão também são produzidos e podem ser usados ou vendidos, pois possuem valor (McKendry, 2003). A gasificação dá-se numa gama de 750-1000 °C com ar em quantidades hipo-estequiométricas. A composição do gás depende da qualidade da biomassa, o material do leito (inerte ou catalítico), o meio de gasificação (ar, vapor, misturas especiais) e condições de operação (temperatura, rácios, etc). As principais reacções que se dão durante a gasificação são: (1) (2) (3) (4) (5) (6) As reacções ( 1 ), ( 2 ), ( 4 ), ( 3 ), ( 6 ) e ( 6 ) denominam-se reacção de Bouduard, gasificação por vapor, metanação, equilíbrio água-gás, reforming a seco, e steam reforming respectivamente. É necessário fazer um tratamento prévio da biomassa, passando-a por um processo de secagem e de seguida por pirólise. Este sistema reaccional assume que na pirólise toda a matéria orgânica é decomposta em carbono e gases voláteis (H2, CO, CO2, CH4, H2O) (Zabaniotou, et al., 2011). De modo a promover estas reacções, pode-se recorrer a várias tecnologias e condições de operação, sendo que na Figura 8 são apresentadas algumas destas alternativas tecnológicas para se levar a cabo este processo e na Figura 9 estão as composições do gás de saída respectivas a cada uma destas tecnologias.

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Figura 8 – Vários processos de gasificação: (a) co-corrente; (b) contracorrente; (c) leito fluidizado estacionário; (d) leito fluidizado recirculado (S. Osowski, 2006).

A nível tecnológico, é mais vantajoso usar um leito fluidizado que um leito fixo para proceder à gasificação, devido à transferência de calor e massa uniforme dentro do sistema, o que se traduz numa temperatura uniforme assim como em condições catalíticas mais favoráveis. Além disso, os leitos fluidizados conseguem tolerar flutuações na qualidade da biomassa, tanto em composição como em distribuição de partículas (Stevens, 2001).

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Figura 9 – Composição do gás de saída conforme os vários processos de gasificação (S. Osowski, 2006).

É visível na Figura 9 que a composição do gás quando se usa co-corrente é sensivelmente semelhante à composição da tecnologia de leito fluidizado recirculado, o que deixa em questão se valerá a pena investir numa tecnologia mais complexa, com os custos que isso acarreta, tanto capitais como de operação e manutenção para no final obter um gás semelhante em composição a um outro gás proveniente de uma tecnologia mais simples, como é o caso da co-corrente. Solar Uma célula solar gera voltagem e corrente eléctrica, e tal requere duas características: um material que ao absorver radiação solar eleve os seus electrões para níveis de energia superiores, criando pares electrão-lacuna, cujo movimento se traduz numa corrente eléctrica, o que também cria uma voltagem por toda a célula. Quando os transportadores de carga se dissipam, geram energia, sob a forma de electricidade ou calor, sendo a última resultado da resistência à passagem de corrente eléctrica, inerente a qualquer material, e como tal está sempre presente, o que afecta a eficiência da célula. A primeira célula solar, feita de silício, foi inventada em 1954, no Bell Lab, por Gerald Pearson (1905–1987), Darryl Chapin (1906–1995) e Calvin Fuller (1902–1994). A sua eficiência era, na altura, 5,7% (Chen, 2011).

Figura 10 – Esquema de uma célula solar de selénio (a) usada para detecção de luz e uma célula solar de silício (b) construída com o objectivo de gerar corrente eléctrica, embora seja conceptualmente parecida à célula solar de selénio (Chen, 2011).

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A Figura 10 tem esquematizada uma célula de selénio e uma célula de silício. A última foi construída com base na primeira, com a diferença que as células de silício fazem uso de um fenómeno - junções p-n. As junções p-n consistem na junção de um material semiconductor submetido a dopagem p com um semiconductor submetido a dopagem n. Quando tal acontece, criase um gradiente de concentração, pois existe uma grande quantidade de electrões livres no lado n-dopado em comparação ao lado p-dopado e o inverso para o caso das lacunas. Este gradiente constitui um potencial químico de energia. O gradiente de concentração vai causar difusão de electrões da zona mais concentrada para a zona menos concentrada, o que leva os electrões livres do lado n dopado a ocuparem as lacunas livres no lado p dopado, formando iões negativos. O análogo acontece para as lacunas que se difundem para o lado n dopado, formando iões positivos. Esta oposição de cargas cria um campo eléctrico que vai aumentando conforme a difusão de electrões e lacunas livres. Eventualmente as forças difusivas vão igualar as forças electroestáticas, cessando o fluxo de electrões e lacunas livres. A região onde existem iões mas não cargas móveis denomina-se zona de desgaste ou esgotamento. A incidência de fotões não afecta significativamente concentração dos transportadores de carga maioritários (número de electrões livres num semiconductor tipo n ou o número de lacunas livres num semiconductor tipo p), no entanto, afecta a concentração dos transportadores de carga minoritários (número de electrões livres num semiconductor tipo p ou o número de lacunas livres num semiconductor tipo n), o que causa um desequilíbrio entre as forças de difusão e as forças electroestáticas, causando movimento de cargas, que é o princípio de funcionamento das células fotovoltaicas (Burnett, 2002). No geral, possuem vantagens como a baixa manutenção, a independência de quaisquer outras infraestruturas – gera energia directamente do sol, não necessita de qualquer tipo de combustível, usa uma fonte renovável, o seu tempo de vida é elevado e como desvantagens possuem fundamentalmente o preço, a dificuldade de processamento e não gerarem energia térmica. No âmbito da microgeração, a energia fotovoltaica é a maior aposta, devido à abundante disponibilidade de luz solar e à facilidade de integração destes sistemas numa casa. A nível das configurações usadas para a instalação num domicílio, a mais comum e mais básica consiste num painel fotovoltaico e um alternador para converter a corrente directa em corrente alternada. Os painéis em si podem ter um ou dois eixos sobre o qual rodam de maneira a ajustar a sua posição e maximizar a incidência de radiação solar absorvida. Para aplicações fora da rede, ou com uma rede insuficiente para satisfazer as necessidades do local, pode-se usar uma bateria de modo a guardar parte da energia que não é imediatamente utilizada. De seguida segue-se uma descrição de vários tipos de células solares. Células à Base de Silício As células à base de silício mais abundantes a nível comercial, correspondendo entre 80-90% da oferta. O silício é um material abundante (o mais abundante a seguir ao oxigénio), absorve bem o espectro solar, é quimicamente estável e não tóxico e devido à 15

indústria da microelectrónica, a produção de sílica pura está bem estabelecida assim como os seus princípios de funcionamento. Com mais de meio século de pesquisa e desenvolvimento e uma grande aplicação no domínio espacial, onde não há tantas limitações a nível económico (Stan, 2012), existem células com eficiências na casa dos 20%, o que está perto do seu limite de eficiência teórico, 24,7% (Chen, 2011). As células de silício cristalino (c-Si), com cerca de 400 μm de espessura e geralmente dopadas com boro, são feitas através do processo de Czochralski (CZ) e constituem as células mais comuns no campo comercial. Não possuem defeitos na estrutura cristalina, no entanto contêm impurezas devido ao processamento, como oxigénio, carbono e metais de transição. O oxigénio é especialmente problemático caso reaja com o boro, pois forma um defeito que limita a qualidade do material (Razykov, et al., 2011). As células de silício policristalino (pc-Si) podem ser produzidas em larga escala. O seu processamento por plasma possibilita a formação de uma superfície altamente transmissiva e um aumento na absorção de luz. No entanto, não existe uma diferença muito significativa nos custos relativamente às células c-Si. Caso se trate de silício amorfo (a-Si) – um tipo de células solares de filme fino este é dopado com uma percentagem de hidrogénio (normalmente 10%) de modo a aumentar a qualidade do material e a passivar as ligações insaturadas de silício (devido à natureza amorfa do silício, existem muitas ligações Si-Si quebradas, onde se ligam átomos de hidrogénio). A dopagem com hidrogénio causa um aumento no coeficiente de absorção. No entanto a estrutura desordenada do material causa muitas perdas por recombinação. Estas células são processadas por deposição química em fase vapor (CVD). Distinguem-se das células mais convencionais por terem uma camada intermédia entre as camadas n e p, formando uma estrutura p-i-n que permite absorver luz num maior comprimento de onda. No entanto esta camada é degradada com a luz, pois as ligações Si-H quebram-se (Razykov, et al., 2011). Células de Filme Fino As células de filme fino são feitas com materiais com um maior coeficiente de absorção da luz, o que lhes confere algumas vantagens relativamente às células c-Si ou pc-Si: a sua espessura pode ser reduzida para 50 μm; os filmes podem ser depositados em substratos de baixo custo; podem ser feitos por módulos e depois integrados em estruturas interligadas. Segundo alguns cálculos, a espessura dos filmes pode chegar a 1 μm (Green, et al., 2001). O arsenieto de gálio (GaAs) é um bom candidato a substituir os painéis de silício, pelo menos em aplicações onde a eficiência energética seja um factor limitante, pois é o material de apenas uma junção com maior valor de eficiência – 28,8%. No entanto há que notar que o gálio é mais raro que o ouro, e o arsénio, embora não seja tão raro, é extremamente tóxico. O telureto de cádmio (CdTe) é um material tipo p, de fácil produção com um alto coeficiente de absorção, sendo o material mais usado para fazer células de filme fino. Associado com sulfeto de cádmio, CdS, um material tipo n, transparente à radiação solar e fácil de formar como filme, constituem uma junção p-n. A célula é montada 16

como várias camadas, havendo um vidro na superfície onde incide a luz, seguido de um TCO, de modo a conduzir corrente, uma camada de CdS, seguida de uma camada de CdTe, um metal para contacto eléctrico e uma espuma vinílica acetinada (EVA), de modo a conferir resistência mecânica (Chen, 2011). Usa-se também diseleneto de cobre índio-gálio (CIGS), CuInxGa(1-x)Se2, sendo que as células baseadas neste material funcionam de forma idêntica às de telureto de cádmio, sendo a única diferença o material tipo p usado (Chen, 2011). Tecnologias em desenvolvimento A tecnologia fotovoltaicas tem vindo a ganhar interesse por parte da comunidade cientifica, tendo-se feito nos últimos anos algumas descobertas que podem revolucionar esta área do conhecimento. Nomeadamente, com a invenção em 1991 por Michael Grätzel e O’Regan da célula solar de tinta sensibilizante (DSSC) ou célula de Grätzel. Esta consiste num sistema fotoelectroquímico que se assemelha, no seu princípio de funcionamento, à fotossíntese e que apresenta grande potencial como célula solar devido ao seu baixo custo e relativa facilidade de produção em comparação com outras tecnologias concorrentes. Possuí cinco componentes: um eléctrodo sob a forma de uma camada fina, nanoporosa, de material semiconductor, geralmente um óxido metálico, tal como o dióxido de titânio (TiO2); coberta em tinta sensibilizante, adsorvida à superfície do semiconductor, em monocamada; um contra-eléctrodo; um substrato de vidro com um revestimento de um óxido condutor transparente (TCO) e um electrólito redox. É importante que o semiconductor seja o mais poroso possível, pois tal aumenta a sua área de superfície por um factor de até 1000 vezes, para uma espessura de 10 μm. A DSSC difere dos mecanismos das células convencionais na maneira como a radiação é absorvida e como os transportadores de carga são separados. Estes dois processos acontecem em materiais diferentes nas DSC, o que evita a recombinação prematura dos pares electrão-lacuna. Devido aos mecanismos ocorrerem em diferentes locais na célula, deixa de ser necessário material com um grau de pureza muito elevado para obter um bom desempenho (M. Späth, 2003). Quando um fotão incide sobre o sensibilizante, um electrão é excitado, passando da maior orbital molecular ocupada (HOMO), para a menor orbital molecular desocupada (LUMO) (Vallejo, et al., 2011). O sensibilizante, fotoexcitado, vai injectar electrões na banda de condução do óxido, e ao mesmo tempo vai retirar um electrão do par redox, oxidando-o. O par redox é reduzido de novo no contra-eléctrodo, completando o circuito. Pilhas de Combustível As pilhas de combustível são equipamentos electroquímicos que produzem energia eléctrica e algum calor por intermédio de reacções electroquímicas entre hidrogénio e um reagente oxidante, normalmente oxigénio, mas também podem ser peróxidos. Estes equipamentos tem sido desenvolvidos para substituírem ou completarem os meios actualmente mais usados para produção e armazenamento de energia eléctrica (i.e. motores de combustão, turbina de gás, baterias, etc.) por apresentarem uma maior 17

eficiência no consumo de combustível, especialmente para sistemas de geração combinada de calor e energia eléctrica CHP (Combined Heat and Power generation) apresentando eficiências de 80–90% (Adam Hawkes, 2005) e 40-60% de eficiência eléctrica o que é significativamente maior que obtidas por turbinas a gás (30-35%). Ainda para além de uma melhor valorização do combustível devido ao processo de geração não incluir a queima do combustível, somente uma reacção química, ainda se consegue reduzir a quantidade de gases de estufa a serem enviados para atmosfera. Sendo por causa desses factores este tipo de sistemas foram beneficiadas no plano ENE (Estratégia Nacional de Energia) como sistemas que promovem a eficiência e sustentabilidade energética. Introdução histórica O trabalho pioneiro nessa área foi conduzido pelo William R. Groove em 1839. Baseado nos conhecimentos base sobre acção catalítica da platina o Groove conseguiu atingir o seu objectivo, nomeadamente ter uma potencia suficiente para efectuar electrólise da agua usando os produtos da própria electrólise (Hidrogénio e Oxigénio), para isso foi necessário um série de 26 células. Posteriormente foram conduzidos estudos para melhorar o desempenho avaliando a influência dos parâmetros do processo. A seguir este tipo de sistemas foi adaptado para uso com gás proveniente do carvão e o gás natural. Assim apareceram a pilhas de combustível de alta temperatura que apresentam uma maior estabilidade, menor taxa desactivação do catalisador com CO e ainda o preço mais baixo de construção (não requerem platina). Após estes estudos a tecnologia entrou em declínio, pouco eram os estudos na área (Jacque (1896); Baur and Ehrenberg (1904); Baur and Bruner (1935); Bacon (1954)). Só muitos anos depois que a primeira aplicação prática destes sistemas foram usadas para exploração espacial (Apollo Space Misson para a Lua em 1965) onde eram usadas para fornecimento de energia e água. No entanto é no último tempo, com o desenvolvimento dos electrólitos poliméricos (NafIon 1972) que esta tecnologia tem ganho muito interesse tanto em aplicações portáteis como estacionárias (Hoogers, 2003) Actualmente, embora conhecida, a tecnologia ainda não está suficientemente madura para produção a larga escala no entanto muito estudo e instalações experimentais e até comerciais têm aparecido ultimamente no panorama energético como soluções viáveis e sustentáveis. Princípio de Funcionamento Existem várias tecnologias de pilhas de combustível que diferem em vários factores operacionais e materiais usados. Em todas as pilhas de combustíveis o princípio de geração de corrente eléctrica baseia-se na reacção de oxidação de hidrogénio no ânodo que ira fornecer 2 electrões por cada molécula de gás. Os electrões são consumidos do lado do cátodo onde um material oxidante (normalmente O2 e O-12) os compartimentos dos eléctrodos estão separados por uma membrana condutora que fecha o circuito eléctrico. Uma representação esquemática de uma célula simples pode ser visualizada na Figura 11.

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É ainda de referir que o ânodo para além de captar os electrões da reacção ainda funciona com catalisador químico para a reacção de oxidação, este catalisador é muito importante sendo determinante para a performance da célula e para custo da mesma já que o material mais usado para esse fim, historicamente foi a platina limitando assim o desenvolvimento da tecnologia devido ao elevado preço desse material. Grande parte dos esforços nessa área é reservada à pesquisa e Figura 11 - Representação esquemática de uma célula desenvolvimento de novos materiais de combustível a operar com hidrogénio puro. capazes de substituir a platina sem prejuízo para eficiência o que se tem demonstrado extremamente difícil. No entanto de modo a contornar esse problema as várias configurações de células foram desenvolvidas e testadas algumas dessas com sucesso. Actualmente as células mais usadas para efeitos de geração estacionária de energia são PEMFC (Poly-Electrolite Membrane Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) e SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) entre outros. O nome é normalmente indicador do tipo de membrana condutora usada. Destas as primeiras duas apresentam temperaturas baixas de operação, 60-200 °C sendo mais apropriadas para aplicações portáteis onde pouca energia é necessária já que o custo destas é muito elevado devido, em maior parte, ao catalisador usado que normalmente tem elevado conteúdo em platina. Últimas duas são chamadas células de combustível de alta temperatura já que apresentam uma temperatura de operação entre 600-1100 °C. Estas temperaturas elevadas são necessárias para manter a condutividade necessária no electrólito sólido usado (óxidos de Ytrria estabilizados com Zircónica para SOFC). Devido a essa temperatura de operação este tipo de células, apresentam muitas promessas a nível de geração estacionária de energia para a escala micro. Tratando-se de uma reacção de oxidação de hidrogénio exotérmica para alem de fornecer electricidade ainda pode fornecer energia térmica para aquecimento de casas e de água sanitária usadas, substituindo assim sistemas tradicionais mais poluentes e menos eficientes. No entanto devido a alta temperatura de operação é necessário muito tempo para o arranque do sistema o que é uma desvantagem importante para aplicações portáteis, mas que não é muito significativo para co-geração estacionária, já que neste caso pode se projectar sistemas com funcionamento contínuo evitando longos períodos de arranque. No mercado internacional existe muita actividade tem vindo a desenvolver a volta da microgeração doméstica com base em pilhas de combustível. Designadamente, o Japão lidera o mercado, tendo em 2009 os primeiros equipamentos a saírem de uma linha automatizada de produção dando o salto importante para a produção em massa. Como consequência mais de 10000 sistemas foram instalados até 2012 e previsões futuras indicam para um aumento de dobro das vendas nos anos seguintes, o que ilustra 19

que a comercialização destes sistemas já está a vista (Iain Staffell, 2012). Como resultados dessas medidas desde 2002 resultaram em instalação de 3,352 unidades de PEMFC e 233 SOFC (Anon., 2009). Ainda no Japão após um projecto de uma instalação experimental a larga escala em 2009 foram lançados colectivamente pelos Eneos, Panasonic e Toshiba, sistemas baseados em células PEMFC com potencia eléctrica entre 0,7 a 1,0 kW (0,9–1,4 kW potencia térmica), incluindo processador de combustível para poderem ser usados combustíveis comuns (gás natural, GPL e querosene) em vez de hidrogénio puro. Outros países a mostrar elevado interesse nesta área é a Coreia de Sul onde estado reconheceu esta tecnologia com prioritária apoiando vastas instalações demonstrativas para Geração Residencial de Potencia (RPG) e oferecendo subsídios de 80 % para aquisição de sistemas. Várias empresas têm surgido com sistemas demonstrativos que gozaram de subsídios em valor de 18 milhões de dólares (Park, 2011). Conforme as previsões é esperado um rápido aumento do mercado a partir de 2015 (Iain Staffell, 2012). Na Europa o mercado tem sido limitado. Na Alemanha as primeiras instalações experimentais surgiram em 2008 com uma colaboração de 3 empresas relacionadas com pilhas de combustível, Hexis, Vaillant (SOFC) e Baxi Innotech (PEMFC), no entanto o processo está atrasado tendo, em 2011, somente 25% de unidades previstas, operacionais (Ramesohl, 2011). Noutros países da Europa como Espanha, Grécia, Polónia e Reino Unido existem instalações experimentais de pequena escala, no âmbito do programa FC-District Project. Existem previsões de o mercado em 2020 atingir 72 000 unidades vendidas por ano (Agency, 2010), valores promissores para um futuro mais limpo e eficiente. Vantagens Como já foi referido no texto, são várias as vantagens de uso desta tecnologia para produção e armazenamento de energia em detrimento das tecnologias tradicionais como motores de combustão ou baterias. Nomeadamente as pilhas de combustível (PC) apresentam eficiências maiores não sendo estas limitadas pelo ciclo termodinâmico de Karnot e Rankine como os motores de combustão e turbinas tendo menos gastos de combustível. Ainda estes equipamentos podem fornecer energia continuamente sem recargas ou paragem, como acontece nas baterias, desde que o fornecimento de combustível não seja interrompido. Assim as células de combustível oferecem uma alternativa simples, eficiente e limpa para micro co-geração que deve ser melhorada e apoiada e aproveitada. Sendo muito mais eficientes estes sistemas apresentam elevadas densidades energéticas. Ainda e de referir que por ter uma construção simples sem partes moveis estes equipamentos tem um potencial tempo de vida maior sendo este limitado somente pelo desgaste do material em ambientes corrosivos. Para aumentar o tempo de vida seria necessário encontrar outros materiais mais resistentes. Configurações possíveis para microgeração De modo a assegurar um funcionamento estável de produção de energia eléctrica AC sincronizada com a rede e calor de baixo valor energético para aplicações sanitárias em domicílios as células vêm integradas em sistemas mais complexos. 20

Normalmente, um sistema doméstico de CHP completo a base de pilhas de combustível, é constituído pelos seguintes componentes (Iain Staffell, 2012): O sistema principal das pilhas de combustível inclui:  As células que convertem o hidrogénio em água, electricidade e calor;  O sistema de processamento de combustível (normalmente por reforming) onde o gás natural ou outro hidrocarboneto são convertidos em hidrogénio e dióxido de carbono. Este equipamento não é necessário caso o combustível seja hidrogénio puro ou no caso de células para uso directo de combustível com é o caso das DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) e DBFC (Direct Borohydride Fuel Cell).  Um desulfurisador para purificação do combustível de impurezas de enxofre.  Um inversor para converter a corrente produzida DC em AC para poder ser usada em máquinas e ser exportada para a rede pública.  Permutadores de calor para efeitos de controlo e segurança como também para aquecimento de água sanitária.  Tubagens e instrumentação incluindo válvulas, bombas, sensores, sistemas de controlo electrónico, etc. O sistema adicional de gestão de energia térmica composto por:  Um esquentador adicional para fornecimento em horas de máxima procura já que para horas com elevada procura a potencia das pilhas pode não chegar para aquecer água suficiente.  Um termo de elevada eficiência para armazenamento de energia térmica de modo a maioria da energia vir do sistema das células. -O sistema de controlo e interactivo que terá  Uma interface touch-screen para uma fácil utilização e controlo.  Sistema de controlo remoto.  Medidor certificado de consumo e produção de modo a medir com o rigor necessário a energia consumida e fornecida pelo sistema. Na Figura 12 está um esquema simplificado do sistema descrito. É possível visualizar custos equivalentes a cada componente do sistema. Observa-se que ao contrário o que seria de esperar o maior custo está associado a tubagens e instrumentação onde sensores e válvulas de qualidade superior têm que ser usadas. Custo da pilha de combustível é equivalente a 17 % do custo total. Tendo assim se houver necessidade de mudar somente as células de combustível, isto não irá trazer gastos muito elevados.

21

Figura 12 - Representação esquemática dos vários componentes de um sistema genérico mCHP a base de pilha de combustível com equipamento de reforming do gás natural.

Figura 13 - Distribuição de custos entre os vários componentes de um sistema mCHP a base de pilha de combustível para um volume de negócio de 10 000 unidades vendidas por ano (Iain Staffell, 2012).

Problemas São vários os problemas relacionados com este tipo de aplicações de FC tanto a nível tecnológico como económico. Como já foi referido devido ao desgaste do material o tempo de vida das células de combustível e limitado no máximo a 10 000 – 20 000 horas de operação (Iain Staffell, s.d.). Um outro grande entrave no desenvolvimento e comercialização destes sistemas está relacionado com a quantidade de informação disponível que até agora tem sido muito escassa e insuficiente para tirar conclusões adequado quanto a viabilidade económica dos sistemas. Isto ilustra a imaturidade do mercado já que com excepção de poucas empresas como EneFarm que recentemente lançaram dados de custos de produção, não existem muito mais fontes de custos para produção destes sistemas. Infelizmente o valor estratégico de deixar a concorrência sem saber os custos da própria produção mantém as empresas caladas sobre os verdadeiros valores relacionados com os custos de produção (D. Fudenberg, 1984). Como a indústria de pilhas de combustível há muitos anos tem sido concentrada dentro de poucos produtores, há semelhança com o monopólio, os custos de manufacturação tem excedido em muito os custos de produção criando uma discrepância enorme entre o mundo académico e a realidade económica (B.D. James, 1999). Para comparar, em 22

2011 uma estimativa teórica de custo por kW baseado no desenho da EneFarm foi avaliada entre $500 - $1 600 para as pilhas de combustível e entre $2 400 – $7 250 para um sistema completo 28 (B.D. James, 2011). Os custos foram calculados com base nos custos de materiais usados e custos de processamento tendo como base ainda algumas suposições. Estes valores no entanto não correspondem aos preços de venda dos equipamentos, os preços de venda disponíveis estão indicados na Tabela 2. Observa-se uma diferença considerável entre o valor teórico estimado e o valor real da comercialização. Ainda da Tabela 2 observa-se que, a nível de preços, não há distinção qualquer entre o tipo da tecnologia usada sendo impossível inferir qual a tecnologia será mais favorável sem dados de mercado e históricos adicionais, que com certeza irão aparecer quando o mercado atingir um outro nível de maturidade. Tabela 2 - Preços de comercialização de sistemas completas de mCHP a base de pilha de combustível.

Tecnologia

Fornecedor

Capacidade eléctrica (kW)

Ano

PEMFC

Eneos Panasonic Toshiba Eneos Kyocera CFCL

0,7 0,75 0,7 0,7 0,7 1,5

2011 2011 2011 2011 2012 2011-12

SOFC

Preço (2010 USD) 21 800 * 22 300 * 21 000 * 21 800 * 22 200 * 29 600

Nota: * Todos os sistemas assinalados são baseados em sistema desenvolvido pela EneFarm e incluem um esquentador integrado e um termo de água quente, com garantia para todo o sistema de 10 anos.

No Tabela 3 estão ilustrados algumas previsões e metas para as décadas seguintes, calculados com base nas projecções da curva de aprendizagem e da curva da experiencia. Tabela 3 - Comparação do custo de componentes e sistemas completos de mCHP a base de pilha de

combustível e metas futuras para os custos de sistemas completos.

Subsistema Pilha de combustível Subsistema principal Tubagens e instrumentação Esquentador auxiliar Termo de água quente Total por sistema

Custo potencial mínimo ($)

EneFarm

Directed Technologies

200-500

3400

725

600-1200

5700

1600

1500

9500

3900

1000

-

-

500

-

-

3000

18600

6225

METI (20202030)

KOGAS (20202030)

DOE (2020)

3500

3000-5000

1000

3500

3000-5000

1000

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Do tabela é possível observar que as metas impostas pela DOE (Departament of Energy) são de facto muito mais baixos de que os restantes, o que têm criado muita polémica, já que maioria acha estas metas demasiado ambiciosas e irrealistas. METI e KOGAS lançaram estimativas mais realistas, actualmente aceites como possíveis, no entanto para estas previsões realizarem-se é necessário comercialização de pelo menos 70 milhões de sistemas em todo mundo até 2030, tendo em conta que o mercado entrou recentemente numa fase de rápida expansão estes valores parecem realistas e estão coerentes com os parâmetros dos modelos calculados (taxa de aprendizagem e de experiencia) (Iain Staffell, 2012). Os custos estimados são muito diferentes dos preços reais o que no futuro devia ser melhorado para não haver tanta discrepância, no entanto esta diferença pode se dever ainda as suposições efectuados no desenvolvimento do modelo já que algumas partes do sistema, nomeadamente a parte de instrumentação e tubagens, de modo a operar em condições de segurança dentro de casa podem sofrer alterações significativas que não foram considerados. Um meio de redução de custos pode se dever ao aumento da taxa de aprendizagem devido a rápida expansão que ira criar mais conhecimento mais rapidamente, somente baseados nestes pressupostos é possível alcançar as metas definidas na Tabela 3. No entanto este não é única maneira de baixar os custos, vários novos estudos para melhoramento do desenho e simplificação de sistemas pode proporcionar um salto importante que conseguira baixar os preços de modo que esta tecnologia se torna um candidato competitivo dentro dos sistemas de microgeração com baixas emissões de CO2. Tendo em contas os dados apresentados conclui-se que está tecnologia tem um elevado potencial e nas próximas décadas com certeza que se vai tornar uma das tecnologias mais usadas no âmbito da mCHP como também noutras áreas de interesse.

Casos de Estudo De modo a dar uma visão mais alargada sobre a temática da microgeração, o grupo decidiu apresentar alguns casos de estudo referentes à instalação de unidades de microgeração – um para energia eléctrica solar e eólica (fonte energética que neste trabalho não foi abordada), um para mCHP recorrendo a biomassa e um último recorrendo a pilhas de combustível. A ênfase desta parte está na parte económica, ou seja, analisa-se o investimento necessário assim como custos, pois a parte científica e tecnológica dos problemas aqui apresentados já foi abordada anteriormente, no entanto caso seja necessária alguma explicação mais específica desse ponto de vista, esta é dada. Caso 1 – Fotovoltaica e Eólica É apresentado um caso de estudo, para uma residência familiar com 3 pisos, localizada na serra da Sicó. Para tal, são necessários dados sobre incidência solar, velocidade do vento, assim com dados sobre o consumo energético. A incidência solar é medida em unidades de potência por área, e esta varia com a altura do ano, assim como 24

com fenómenos ópticos atmosféricos, embora tais aqui não sejam considerados. A radiação incidente pode ainda ser classificada como directa ou difusa, sendo que o somatório das duas perfaz a radiação global. Na Figura 14 estão representados estes valores para os vários meses do ano.

Figura 14 – Irradiação Solar ao longo do ano para o local considerado (serra da Sicó) (Rodrigues, et al., 2013) - adaptado.

O débito eléctrico de uma turbina eólica está dependente de vários factores, tais com a localização geográfica, a altura da turbina assim como condições meteorológicas (velocidade do vento). Como tal, apresenta-se na Figura 15 dados sobre a velocidade do vento consoante a altura da turbina em relação ao solo.

Figura 15 – Dados sobre a velocidade do vento ao longo do ano, consoante a altura em relação ao solo no local considerar (serra da Sicó) (Rodrigues, et al., 2013) - adaptado.

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Antes de se passar à análise económica, falta um dado também de extrema importância, que é o consumo energético na casa em questão. Os consumos para cada mês estão representados na Figura 16.

Figura 16 – Consumos de energia eléctrica relativos a uma casa familiar com 3 pisos na serra da Sicó (Rodrigues, et al., 2013) – adaptado.

Foram considerados 4 casos, um painel solar fixo, móvel num eixo ou em dois eixos e uma turbina eólica. O caso do painel fixo, este tem 18 células com uma potência de pico de 4050 W, assim como um alternador, sendo o custo total de 16 046 €. O sistema de um eixo tem as mesmas características a nível de potência e número de células que o fixo, no entanto o facto de ser móvel sobe o preço de investimento de um sistema destes para 19 447 €. O sistema de dois eixos confere bastante mais liberdade de movimento ao painel, o que resulta numa maior captação de radiação solar. Trata-se de um sistema em tudo semelhante aos anteriores e com um custo capital de 19 989 €. A turbina eólica representa um investimento de 14 472 €, produzindo no entanto menor energia – 5 585 kWh/ano. Todos estes dados e mais alguns com importância estão sumariados na Tabela 4. Tabela 4 – Dados económicos relativos ao 1º caso de estudo (casa familiar na serra da Sicó).

Fixo Um eixo Dois eixos Eólica 16 046 19 447 19 989 14 472 Custo de Investimento (€) 20 100 150 120 Custo médio de operação e manutenção (€) 4,05 4,05 4,05 3,5 Capacidade Instalada (kW) 4 624,12 6 506 7 027 5 585 Produção anual de energia (kWh) 5 800 6 974 7 660 3 847 Cash Flow Cumulativo — 15 anos (€) 11 380 13199 13 962 9 593 Cash Flow Cumulativo — 25 anos (€) 723,19 793 1 078,01 -75,28 Valor Actual Líquido (€) 6,64 6,6 6,79 5,93 Taxa Interna de Retorno (%) 10,2 10,16 9,28 11,2 Ponto de Retorno (Anos) 2 173,34 2 716,11 2 934 2 473,80 Redução de CO2 (kg/ano)

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Caso 2 - mCHP por Combustão O segundo caso de estudo faz uso de um conceito, o SMARt-CHP desenvolvido na Grécia, que consiste em aproveitar resíduos agro-pecuários através de uma unidade móvel, que faz gasificação e produção de energia in situ e como tal enquadra-se perfeitamente na temática da microgeração. A gasificação é feita num gasificador de leito fluidizado com borbulhamento e um tempo de residência elevado, sendo este gás posteriormente queimado num motor de combustão interna ajustado para o efeito. A potência eléctrica atingida é 5 kW e a potência térmica é 12 kW. Foi feito um levantamento da disponibilidade de biomassa na zona da Macedónia Ocidental, e tendo em conta estes dados, assim como limitações logísticas, foram escolhidos alguns locais de operação. A unidade foi adaptada às características da biomassa local, estando algumas das suas especificações no lado esquerdo da Tabela 5, estando do lado direito os dados económicos. Tabela 5 – Especificações técnicas e dados económicos para o 2º caso de estudo (SMARt-CHP) (Zabaniotou, et al., 2011)

Dados técnicos

Dados económicos

Alimentação Biomassa (kg/h) Fuel (kW)

4,9 19,25

Débito térmico Caudal (l/min) Entalpia @ 600 °C (kW) Poder calorífico inferior (MJ/kg) Calor libertado (kW)

158 1,9 16,5 15,8

Débito eléctrico

Custos Capitais (€)

35 000

Consumo eléctrico anual (MWh/ano)

30

Consumo térmico anual (MWh/ano)

111

Preço da electricidade (€/MWh)

75,8

Preço do calor (€/MWh)

50

Energia fornecida (kW)

4,3

Eficiência do gerador

27%

Eficiência eléctrica

19%

Custos de Operação e Manutenção (€/ano) Taxa de Juros

Eficiência Global

89%

Ponte de Retorno (anos)

8

Tempo de operação anual (h/ano)

7000

Período de depreciação (anos)

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3 000 2,5%

Caso 3 – mCHP através de Pilhas de Combustível Poucos são os dados económicos disponibilizados para este tipo de sistemas em relação aos meios tradicionais de microgeração, já que frequentemente o contrato do serviço inclui uma cláusula de confidencialidade do parte do cliente, como já foi referido, este é um problema importante para o desenvolvimento do mercado das mCHP com base em células de combustível. Actualmente, a maioria dos estudos económicos nesta área são efectuados com o auxílio de ferramentas computacionais baseados em modelos teóricos (termodinâmicos, cinéticos e electroquímicos). Os resultados obtidos 27

por esse meio podem ser muito enviesados face a realidade industrial por causa das suposições efectuadas e os valores de custos usados na modelação de sistemas. Existem alguns exemplos deste tipo de instalações nomeadamente em Estados Unidos, Japão e Reino Unido, como é o caso de um hotel em EUA, Lafayette Hotel, historicamente um retiro para os ricos e famosos. No entanto em 2010 havia necessidade de uma remodelação extensa baseada em soluções discretas e criativas de modo a manter a importância histórica do hotel. Como consequência foi instalado um sistema mCHP com base em pilhas de combustível fabricado e instalado por ClearEdge Power, na Figura 17 é ilustrado um equipamento desta empresa capaz de fornecer 5 kW, o sistema instalado no hotel provavelmente incluirá vários (~8) Figura 17 - Imagem de um equipamento equipamentos destes em série. comercialmente disponível fabricado por O sistema funciona a gás natural ClearEdge Power com potencia de 5 kW e dimensões 2161 X 1578 X 925 mm (Power, com um consumo de 0.38 mmBTU/h 2013). (HHV) e apresenta um débito de 40 kW de potência combinada. O sistema fornece 45% de energia eléctrica do hotel e ainda calor suficiente para aquecer a piscina de tamanho olímpico do hotel. Com base nas poupanças mensais obtidas de $5 036 foram calculados os gastos anuais. Abaixo estão indicados os valores obtidos comparando estes com os dados antes da instalação do sistema. Consumo anual de gás (antes/depois): 16 691 therms/ 32 446 therms; Consumo anual de electricidade da rede (antes/depois): 732,000 kWh/ 149,120 kWh; Custo anual de utilidades antes da instalação: $125 246; Custo anual de utilidades depois da instalação: $64 818; Como se pode observar existe um aumento de aproximadamente 194% (o dobro) no consumo de gás natural, no entanto ao observar a energia eléctrica consumida após instalação existe uma redução de 80 % (aproximadamente 5 vezes) na quantidade a comprar a rede. Somente com base nestes dados, é possível concluir que a poupança obtida é significativa. Os dados oficiais lançados pelo hotel estão representados na Figura 18.

Figura 18 - Visualização dos resultados obtido após instalação de um sistema de 40 kW de mCHP a base de pilha de combustível num hotel em Califórnia, EUA (Energy, 2010).

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Como se pode observar uma poupança significativa pode ser obtida tanto a nível económico com ambiental já que 41% de redução de CO2 é equivalente a redução em 100 toneladas por ano das emissões gasosas prejudiciais. Gozando da legislação local e programas de apoio como Self-Generation Incentive Program, o hotel conseguiu aumentar ainda mais o valor económico da propriedade. Como resultado obtém-se uma poupança anual de $30 000 e um período de retorno muito curto (quando comparado aos sistemas tradicionais, solar, turbinas, etc.) igual a 5,8 anos (Energy, 2010). Esta iniciativa é um exemplo de sucesso que ilustra claramente o potencial destes sistemas, nesta fase ainda é difícil obter este nível de poupança sem integração em programas de apoio e facilitação legislativa no entanto, como já foi referido, com a maturação do mercado os custos de sistemas irão cair o que diminuirá necessidade de apoios e legislações benéficas que resultam em gastos adicionais ao estado, embora isto ainda pode demorar umas décadas. Muitos profissionais nesta área prevêem que este tipo de tecnologia se torne um líder mundial na área de microgeração, por motivos que foram apresentados no presente trabalho, ainda durante a actual geração.

Conclusão A microgeração está-se a mostrar relevante, faceta essa que apenas irá aumentar com o passar do tempo, seja pelo aumento da competitividade deste tipo de tecnologias, por incentivos governamentais e/ou legislativos ou até pelo aumento da consciência ambiental da população em geral. Embora existam várias tecnologias baseadas na combustão, que são as que actualmente apresentam maior competitividade, tal pode vir a mudar com a diminuição dos custos de fabricação das pilhas de combustível, pois esta última é uma tecnologia mais limpa, sem libertação de CO2 e com eficiências eléctricas superiores às tecnologias de combustão. Seja qual for a tecnologia usada na microgeração, a biomassa terá um papel importante neste âmbito, fundamentalmente por duas razões: é uma fonte de combustível com emissões de CO2 neutras e aumenta a independência energética de um país. Assim sendo, a microgeração deve ser considerada a nível do planeamento estratégico e geopolítico de uma nação, pois uma grande parte das fontes de energia que actualmente se usam provém de locais politicamente instáveis. Relativamente às opções de microgeração de somente energia eléctrica, as células solares estão em aumento exponencial e prevê-se que assim continuarão, dada a abundância da energia solar. Embora, à semelhança das pilhas de combustível, apresentem custos de fabricação elevados, estes tendem a diminuir, e além do mais estão a começar a aparecer novas tecnologias nesta área, tais como as células solares de tinta sensibilizante, que poderão baixar os custos significativamente por usarem matérias-primas relativamente abundantes e baratas. Quanto as pilhas de combustível, os sistemas mCHP apresentam soluções viáveis geração de energia em países com poucos ou inexistentes recursos fosseis. Os sistemas tradicionais de mCHP, já chegaram a atingir a eficiência teórica máxima sendo inútil continuar a investir mais no aperfeiçoamento destas tecnologias. Neste contexto os sistemas com base em células de combustível SOFC e PEMFC apresentam uma 29

solução que com os recursos necessários permitirá a uma humanidade um salto para uma nova era no mercado energético, mais ecológico e mais eficiente. Muitos os entraves estratégicos e económicos que atrasam o desenvolvimento deste mercado, falta de informação, matérias carros e pouco eficientes, políticas governamentais, falta de investimento, etc. Uma tecnologia que no futuro próximo quando integrado com sistemas fotovoltaicos, podia fornecer energia teoreticamente a custo zero para toda gente independentemente da localização geográfica e abundância de recursos fosseis. É lamentável que alguns países preferem gastar milhares de milhões em guerras pelo petróleo quando debaixo do próprio nariz existem solução viável, que com recursos bem direccionados, poderia originar uma revolução no estilo de vida da sociedade humana. Infelizmente, conhecemos apenas um planeta onde há vida, a Terra, preservar a vida, a maior riqueza do Universo, é uma missão pela qual vale a pena investir, vale a pena lutar e criação de energia mais eficiente e limpa com certeza nos irá ajudar nesta nobre missão. Pode-se então concluir que se trata de uma temática com bastante relevo e que se devem prosseguir estudos e fazer investigação nesta área de modo a adquirir maiores competências e compreensão sobre as tecnologias envolvidas.

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