Aspectos técnicos, econômicos e ambientais de um sistema de cogeração de célula a combustível de óxido sólido (SOFC) operando com biogás

Abstract

As Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFC’s) são consideradas promissoras e estão ganhando relevância no setor de energia devido à sua alta eficiência e baixas emissões quando operam com biocombustíveis. A combinação de recursos traz vantagens exclusivas para esse tipo de célula de combustível, incluindo, flexibilidade no projeto de células, processos de fabricação e aplicações de usinas de energia. A flexibilidade na projeção de diferentes combinações de plantas podem envolver por exemplo, trocadores de calor, turbina a gás, turbina a vapor, gaseificador, entre outros dispositivos. O objetivo deste trabalho foi analisar um sistema de cogeração, o qual utiliza uma SOFC de 100 kW para geração de eletricidade e trocadores de calor para a geração de água quente a 60 ºC, sob três aspectos: energético, econômico e ambiental. O biogás que alimenta o sistema passa por um processo de reforma interna a vapor que ocorre na própria célula a combustível, com a finalidade de produzir um gás de síntese rico em hidrogênio. Trocadores de calor são acoplados no sistema para reaproveitar a energia dos gases de exaustão. O sistema apresentou eficiência global de 94,5%, conforme à primeira Lei da Termodinâmica. Quanto à viabilidade econômica, baseada nas correntes de exergia, foram realizadas análises com alguns cenários de investimento em que variaram o custo de aquisição da célula e também as taxas de juros. Na hipótese de o custo o investimento da SOFC ser de 2.000 US$/kW, o períodos de amortização são pouco maiores que 4 anos, nas três hipóteses de juros consideradas. Ao considerar o cenário em que o custo é de 4.500 US$/kW, os retornos dos investimentos se dão em pouco mais de 8 anos. E na hipótese em que o custo é de 7.000 US$/kW, não houve retorno dos investimentos dentro do período avaliado. Sob o ponto de vista ambiental, a eficiência ecológica do sistema é de 94,2% para todos poluentes emitidos pelo sistema. Se for desconsiderado o CO2 presente no biogás que alimenta a planta, a eficiência ecológica aumentou para de 95,9%.

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC’s) are considered promising and are gaining relevance in the energy sector due to their high efficiency and low emissions when operating with biofuels. The combination of features brings unique advantages to this type of fuel cell, including flexibility in cell design, manufacturing processes and power plant applications. SOFC’s also have the advantage of projecting different combinations of plants, which may involve heat exchangers, gas turbine, steam turbine, gasifier, among other devices. The objective of this work was to analyze a cogeneration system, which uses a 100 kW SOFC for electricity generation and heat exchangers for the generation of hot water at 60 ºC, under three aspects: energetic, economical and environmental. The biogas that feeds the system undergoes an internal steam reform process that takes place in the fuel cell itself, in order to produce a synthesis gas rich in hydrogen. Heat exchangers are coupled to the system to reuse the energy from the exhaust gases. The system showed an overall efficiency of 94.5%, according to the first Law of Thermodynamics. As for economic viability, based on currents of exergy, analyzes were carried out with some investment scenarios in which the cost of acquisition of the cell and the interest rates varied. In the event that SOFC's investment cost is US$ 2,000/kW, the amortization periods are slightly longer than 4 years, for the three interest hypotheses considered. When considering the scenario in which the cost is 4,500 US$/kW, the investment returns occur in just over 8 years. And in the event that the cost is US$ 7,000/kW, there was no return on investment within the evaluated period. From the environmental point of view, the ecological efficiency of the system is 94.2% for all pollutants emitted by the system. If the CO2 present in the biogas that feeds the plant is disregarded, the ecological efficiency increased to 95.9%.