LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL
EDIÇÃO: 2.006
Prof. Tomaz Caetano Cannavam Ripoli
PROPAGAÇÃO DA ENERGIA TÉRMICA
ENERGIA SOLAR CHEGA A TERRA POR
CONDUÇÃO
CONVECÇÃO
AO NÍVEL
MOLECULAR
TRANSLAÇÃO
DE MASSAS
AQUECIDAS
> ENERGIA
DIFERENÇA DE
> VIBRAÇÃO
DENSIDADE EM f
> ENERG.CINÉTICA DA TEMPERATURA
RADIAÇÃO
ONDAS
ELETROMAGNÉTICAS
EMISSÃO
CONTÍNUA DE
ENERGIA
NUVENS
DIFUSA
DIRETA
SUPERFÍCIE
TERRESTRE
REFLETIDA
REFLETIDA
31%
NUVENS E
ATMOSFERA
19% ABSORVIDA
REFLETIDA
3%
DIRETA
21%
DISPERSA
29%
INCIDENTE
LÍQUIDA
EVAPORAÇÃO,
CONDUÇÃO
PELO AR
RADIAÇÃO
TERRESTRE
Irradiação Solar no Brasil
COLETOR SOLAR
1. caixa d’água tradicional
2. reservatório
termicamente isolado para
aquecimento solar
3. reservatório
termicamente isolado para
aquecimento auxiliar
elétrico
4. resistência elétrica para
aquecimento auxiliar
5. coletor solar
6 e 8. misturador de água
quente e fria
7. respiro
Sistema Convencional de Aquecimento de
Água
AQUECIMENTO DE ÁGUA
1. entrada de água da
rua
2. regulagem da água
quente
3. entrada da água no
aquecedor/reservatório
4. saída da água já
aquecida
5. entrada de água
aquecida no chuveiro
6. entrada de água fria,
regulada pelo registro
convencional do
chuveiro
FONTE: HINRICHS, 2003
SISTEMA DE AR QUENTE DE
PLACA PLANA.
EXERCÍCIO:
Determinar área (A) de coletor para fornecer energia térmica
para aquecer, por um dia, uma casa quando a carga de calor
=20.000 Btu/h e a insolação média diária no coletor (I) =
1.800 Btu/pé2 /dia e sua Eficiência (Ef) é de 50%.
SENDO: Q = I . Ef . A
Q = ENERGIA TÉRMICA NECESSÁRIA/DIA
Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = 480.000 Btu/dia
Portanto:
A = 480000 Btu/dia / 900 Btu/pé2 /dia = 533 pés2
A = 533 pés2 . 0,0929 m2 = 49,52 m2
Custo: US$600/m2
?
Para as condições anteriores, calcular quantos litros de água
seriam necessárias para armazenar a energia térmica para 3
dias de aquecimento. Partindo-se de que a temperatura
inicial da água, no reservatório é de 1500 F e o limite inferior
de uso é 900 F (o que vale dizer: a mudança de temperatura
que a água será submetida será um Δt = 600 F).
O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema
de armazenamento é:
Q = 3 dias . 480.000 Btu/dia = 1.440.000 Btu
Partindo-se da relação:
Q = m . C. Δt
Sendo:
m = massa de água
C = calor específico da água
Δt = diferença de temperatura da água
Q = m . C. Δt
1.440.000 Btu = m . 1 . 600 F
m = 24.000 lb
Como: 8,3 lb = 1 galão
tem-se que:
24.000 lb /8,3 lb = 2892 galões
Como:
1 galão = 3,785 litros
Portanto:
2.892 galões . 3,785 litros = 10.946 litros
HARPER LAKE, CA
Aquecimento de água
Aquecedor Solar
Grupo Solaris – ESALQ/USP
Fogão Solar
foco de energia
onde fica
recipiente para
ser aquecido
parabólica para
captação da
energia solar
Secador Solar
Secador Solar
Secador Solar de Baixo Custo
Grupo Solaris – ESALQ/USP
H. HERTZ EM 1887 DESCOBRIU O PRINCÍPIO DO USO DIRETO DA
ENERGIA SOLAR PARA PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (QUANDO
A LUZ ATINGE DETERMINADOS METAIS, ELÉTRONS SÃO EMITIDOS).
O FENÔMENO É DENOMINADO DE “EFEITO FOTOELÉTRICO”
LUZ
-
e-
e-
Tubo de vácuo
+
e-
Luz incidindo na placa negativa, elétrons são emitidos com uma quantidade de
Energia cinética inversamente proporcional ao comprimento da onda da luz
Incidente.
CÉLULA FOTOVOLTAICA
SISTEMA FOTOVOLTAICO
•
•
•
•
Placas solares
Regulador de carga
Banco de baterias
Inversor
CÉLULAS FOTO VOLTAICAS
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL
(INVENTADA HÁ 100 ANOS)
É UM CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMBINA
UM COMBUSTÍVEL (H2 OU GÁS NATURAL) COM O
O2 POR MEIO DE PROCESSO ELETROQUÍMICO,
GERANDO ELETRICIDADE.
ASPECTOS POSITIVOS:
ELEVADA RAZÃO POTÊNCIA/PESO, NÃO
POLUENTE, TAMANHO PEQUENO, ALTA
CONFIABILIDADE (NÃO HÁ PARTES MÓVEIS)
EFICIÊNCIA 50-70%
ASPECTOS NEGATIVOS (ATUAIS):
CUSTO ( US$3 A 4 mil/ Kw)
DÚVIDAS QUANTO A DURABILIDADE
DE ONDE E COMO OBTER O H2 (METANOL, GASOLINA)
A REAÇÃO NA CÉLULA É UMA COMBUSTÃO LENTA DO H2
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
2a5
Fonte: Hinrichs, 2003
Referências
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.
Introdução ao Hidrogênio e
Célula a Combustível
ENERGIA, SOCIEDADE E
AMBIENTE
ALEXANDRE SORDI - UNICAMP
Hidrogênio
Eletrólise da água
6,5 kWh/Nm3 (70% eficiência)
Reforma de hidrocarbonetos
Reforma 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 combustível
PEMFC- Célula a combustível de membrana polimérica
PAFC- Célula a combustível de ácido fosfórico
MCFC- Célula a combustível de carbonato fundido
SOFC- 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 AirConditioning 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.