Modelagem e simulação de um sistema híbrido de célula a combustível de óxido sólido e turbina a gás

Abstract

Os sistemas híbridos de células a combustível de óxido sólido-turbina a gás (SOFC-GT) se apresentam como candidatos promissores para a geração de energia num futuro próximo devido às suas altas eficiências. No presente trabalho, a modelagem matemática e a simulação deste sistema são apresentadas. O sistema avaliado é composto por dois compressores (ar e combustível), dois recuperadores, uma célula a combustível de óxido sólido de reforma interna com recirculação de vapor d’água, um combustor, uma turbina e um gerador. A influência da razão molar vapor d'água-carbono na reforma a vapor do metano é explorada com maior detalhe e embora seja observado o decaimento na concentração de H2 conforme tal razão cresce, mostrou-se que, na realidade, a produção de hidrogênio ao final da reação aumenta, atingindo o seu valor máximo a 1073K e S/C=4. Na simulação, confirmou-se que a recirculação anódica do vapor d’água é possível de ser feita neste arranjo através da relação denominada Excesso de Água. No pior caso observado, 973K e S/C=4, ainda havia 32,42% de vapor d’água em excesso. Além disso, enfoque foi dado aos sobrepotenciais da SOFC. Observou-se, no modelo utilizado, que as perdas por ativação são preponderantes na maior parte do intervalo de operação da célula, exceto na região próxima à densidade de corrente limite, aonde as perdas por concentração se sobrepujam às demais. Os resultados mostram eficiências elétrica do ciclo e da célula a combustível acima de 60% e 50% respectivamente, confirmando a alta performance do sistema. O modelo desenvolvido serve também de base para estudos vindouros nesta área.

Solid oxide fuel cells-gas turbine hybrid systems (SOFC-GT) emerge as promising candidates for power generation in the near future mostly due to its high efficiencies. In this work, this system is mathematically modeled and simulated. It is composed by two compressors (air and fuel), two recuperators, one internal reforming solid oxide fuel cell with anode recirculation arrangement, one combustor, one turbine and one generator. Steam-to-carbon ratio influence is explored with great detail. Although a decrease in H2 concentration is observed as the SC ratio grows, it was shown in fact an increase in H2 production, reaching an optimum value at 1073K and S/C=4. Steam recirculation is also investigated in the simulation, and in the worst case scenario, 973K and S/C=4, there is still a steam surplus of 32,42% at the anode outlet. Furthermore, SOFC overpotentials are also analyzed. It is found that activation losses are larger in all operational range except near limiting current density, where concentration losses exceed all the others. Results show system's high performance, electrical and cell efficiency over 60% and 50% respectively, and provide an initial model for further studies.