Defesa de Mestrado

Giorgio Spagarino 7702576

Orientador: Prof. Dr. Roberto Zilles

Agenda

1. Introdução

2. Célula PEM – Testes experimentais

3. Célula PAFC – Estudo de

engenharia

econômica

4. Conclusões e considerações finais

Célula de

Combustível

Máquina de Carnot

- Produção de Energia Elétrica

•Gás Natural

•Propano

•Metanol

•Etanol

•Carvão

•Bio-Combustíveis

Baixa

Temperatura

PEM Rapido start-up Estacionario em

pequena escala

Automotivo

Portátil

AFC Transporte

Espacio

Média

Temperatura

PAFC Cogeração Estacionario em

grande escala

Alta

Temperatura

MCFC Possível

Cogeração

“Reforming”

interno

Estacionario em

grande escala

SOFC Estacionario

Empresas Top de Célula de

Baixa Temperatura

Empresas Top de Célula de

Média e Alta Temperatura

1. Análise dos componentes

2. Curva de Polarização

3. Curva de Potência

4. Curva de carregamento do Inversor

5. Avaliação econômica

O2

tanque

N2

tanque

H2

tanque

fan

Cooling airDehumidifier

Dehumidifier

PEMFC stack

Public GridInverter

AC

Ventilado

r

PE

M

Tanque de

água

Umidificador

Controlador de

velocidade

do ventilador

Painel de

controle

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60

Te

ns

ão

(V)

Corrente(A)

Zona de Ativação

Perdas Ôhmicas

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50

Po

tên

cia

(W)

Corrente (A)

Eficiência

Potência

Lado DC Tensão de

entrada

20 V -55 V

Corrente

máxima de

entrada

56 A

Lado AC Potência

nominal de

saída

1100 W

Corrente

nominal de

saída

4,8 A

Eficiência > 91 %

O2

tanque

N2

tanque

H2

tanque

fan

Cooling airDehumidifier

Dehumidifier

PEMFC stack

Voltage Source

DC

Public Grid

Public Grid

Inverter

AC

0

10

20

30

40

50

60

10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11

Co

rre

nte

(A

)

Tensão (V)

+ 10 V para o

sistema

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

Te

ns

ão

(V)

Corrente (A)

24 – 30 Volts

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40 50 60

Po

tên

cia

(W

)

Corrente (A)

Sistema Global

Célula PEM

Fonte

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Efi

ciê

mc

ia

Carregamento

Avaliação econômica

Ccap = $ 5,000/kW (PEM)

Ccap = $ 400/kW (Inversor)

n = 5 anos, i = 7.5 %ano FRC = 0.247

FC = 95 %

CO&M = $ 7.5/MWh

CH2 = $ 46/m3

kWh

$US29CE

MWh

$US160

95.08760

247.05400CE

CC

MWh

$US818,28

kWh

kJ

45.0

3600

kJ

m

12770

1

m

$US46CE

3

3lcombustive

Avaliação técnica e econômica de

uma célula de combustível comercial

1. Descrição do equipamento

2. Avaliação da engenharia

3. Avaliação econômica

4. Sensibilidade (taxa de juros e preço do

gás)

Potência elétrica 400 kW

Eficiência elétrica 42 %

Eficiência global (com

recuperação térmica)

90 %

Fator de capacidade Até 95 %

Combustível Gás Natural

Consumo 89 m3/h

Potência térmica a 121 °C 173 kW

Potência térmica a 60 °C 281 kW

Consumo de água Nulo

Vida útil 20 anos

Custo capital $ 4000/kW

Custo de manutenção $ 0.005 - $ 0.010/kWh

Anyang, Coréia do Sul

Capacidade: 4.8 MW

5 % off-grid

Coca-Cola, Connecticut

Capacidade: 800 kW

100% off-grid

The Octagon, NY

Capacidade: 400

kW

100 % off-grid

World Trade Center , NY

Capacidade: 4.8 MW

St. Helena Hospital, CA

Capacidade: 400 kW

63 % off-grid

Cogeração de energia

térmica de alta

temperatura

173 kW

Poder calorífico Gás

Natural

10.932 kWh/m3

Gás Natural economizado 15.825 m3/h

Cogeração de energia

térmica de baixa

temperatura

281 kW

Água quente recuperada 6.04 m3/h

$ -

$ 2,000,000

$ 4,000,000

$ 6,000,000

$ 8,000,000

$ 10,000,000

$ 12,000,000

$ 14,000,000

$ 16,000,000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Flu

xo

de c

aix

aacu

mu

lad

o($

)

Anos

Célula PAFC

Rede Pública+Gás Natural para vapor+Água quente

•Payback: 5.37

•Payback Descontado: 5.66

•Valor Presente Líquido (NPV): $ 923,918

•Índice de Lucratividade (IL): 1.58

•Taxa Interna de Retorno (IRR): 17.93 %

•Taxa Interna de Retorno Modificada (MIRR):

7.21 %

BNDES EU

Participação IRR Participação IRR

70% 4.5% 30% 60%

80% 4.5% 20% 90%

90% 4.5% 10% 179%

0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

14.00%

16.00%

18.00%

20.00%

-$ 1,000,000

-$ 800,000

-$ 600,000

-$ 400,000

-$ 200,000

$ -

$ 200,000

$ 400,000

$ 600,000

$ 800,000

$ 1,000,000

$ 1,200,000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

NP

V

Fator de capacidade

NPV

IRR

IRR

75 MW1000

2000

4000

8000

16000

1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024

$/k

W

Capacidade Total Instalada (MW)

Taxa de desconto: 10%

$ 0

$ 200,000

$ 400,000

$ 600,000

$ 800,000

$ 1,000,000

$ 1,200,000

$ 1,400,000

$ 1,600,000

$ 1,800,000

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%

NP

V (

$)

IRR

TIC 1000MW

TIC 800MW

TIC 600MW

TIC 400MW

TIC 200MW

Taxa de desconto: 8%

$ 0

$ 200,000

$ 400,000

$ 600,000

$ 800,000

$ 1,000,000

$ 1,200,000

$ 1,400,000

$ 1,600,000

$ 1,800,000

$ 2,000,000

$ 2,200,000

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%

NP

V (

$)

IRR

TIC 1000MW

TIC 800MW

TIC 600MW

TIC 400MW

TIC 200MW

Taxa de desconto: 6%

$ 0

$ 200,000

$ 400,000

$ 600,000

$ 800,000

$ 1,000,000

$ 1,200,000

$ 1,400,000

$ 1,600,000

$ 1,800,000

$ 2,000,000

$ 2,200,000

$ 2,400,000

$ 2,600,000

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%

NP

V (

$)

IRR

TIC 1000MW

TIC 800MW

TIC 600MW

TIC 400MW

TIC 200MW

LNG

Custo gás natural $2,4/MMBtu

Liquefação e transporte $1/MMBtu

Regasificação $0.5/MMBtu

Margem de distribuição $4/MMBtu

SHALE GAS

Custo gás natural $2.4/MMBtu

Transporte $1.2/MMBtu

Margem de distribuição $4/MMBtu

6200 bilhões de

m3

$ 0

$ 200,000

$ 400,000

$ 600,000

$ 800,000

$ 1,000,000

$ 1,200,000

$ 1,400,000

$ 1,600,000

$ 1,800,000

$ 2,000,000

$ 2,200,000

$ 2,400,000

$ 2,600,000

$ 2,800,000

$ 3,000,000

$ 3,200,000

$ 3,400,000

$ 3,600,000

$ 3,800,000

$ 4,000,000

$ 4,200,000

$ 4,400,000

$ 4,600,000

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60%

NP

V (

$)

IRR

TIC 1000MW

TIC 800MW

TIC 600MW

TIC 400MW

TIC 200MW