Análise comparativa entre sistemas de propulsão a hidrogênio por célula combustível do tipo membrana trocadora de prótons de alta temperatura e turbina a gás para veículos pesados

Abstract

As células de combustível a hidrogênio proporcionam uma forma de conversão de energia ambientalmente sustentável quando o hidrogênio é oriundo de uma fonte renovável. Tais células de combustível a hidrogênio geram eletricidade e água como produto, podendo ser integradas ao trem motriz de veículos elétricos pesados, permitindo alta eficiência e autonomia. Esta dissertação analisa uma unidade geradora de energia via célula a combustível a hidrogênio de alta temperatura e compara seu desempenho termodinâmico com um sistema de propulsão a turbina a gás operando em ciclo Brayton. A formulação fundamenta-se na aplicação da primeira lei da termodinâmica e curvas de eficiência de equipamentos existentes. O sistema de equações é resolvido no software Engineering Equation Solver utilizando as bibliotecas internas de propriedades termodinâmicas. Dois cenários são analisados. O primeiro opera com um empilhamento de 7000 HT-PEMFC gerando 350 kW de potência, 325,4 kW de potência líquida, 41,64 % de eficiência eletroquímica, 36,13 % de eficiência térmica, consumindo 0,007509 kg/s de hidrogênio e 1,05 m3 de volume da unidade geradora de energia, não sendo considerado o volume dos equipamentos auxiliares, tampouco o volume do cilindro de hidrogênio pressurizado. O segundo cenário opera com a utilização de duas turbinas a gás Capstone C200 operando em conjunto consumindo os mesmos 0,007509 kg/s, mas gerando apenas 274,2 kW de potência líquida com 30,43 % de eficiência térmica do sistema, consumindo 57 m3 de volume para todo o sistema, exceto o cilindro de hidrogênio pressurizado. Além desses cenários, foi feita uma análise paramétrica avaliando, em conjunto, a performance de diversas unidades geradoras de energia via célula combustível com variados números de células, das duas turbinas a gás Capstone C200 e de uma turbina a gás Brayton Energy ICR-350 em relação ao consumo de combustível. Este estudo mostrou que o sistema de células combustível é muito promissor devido à alta potência, baixo volume, baixas emissões e potencial de melhoramento na eficiência frente a um sistema consolidado como o de turbinas a gás.

Abstract: Hydrogen fuel cells provide an environmentally sustainable form of energy conversion when the hydrogen comes from a renewable source. The hydrogen fuel cell generates electricity and water as a byproduct and can be integrated into the powertrain of heavy electric vehicles, allowing for high efficiency and autonomy. This dissertation analyzes a hightemperature hydrogen fuel cell power generation unit and compares its thermodynamic performance with a gas turbine propulsion system operating in the Brayton cycle. The formulation is based on the application of the first law of thermodynamics and efficiency curves of existing equipment. The system of equations is solved using the Engineering Equation Solver software, utilizing internal libraries of thermodynamic properties. Two scenarios are analyzed. The first scenario operates with a stack of 7000 HT-PEMFCs generating 350 kW of power, 325.4 kW of net power, 41.64 % for electrochemical efficiency, 36.13 % for thermal efficiency, consuming 0.007509 kg/s of hydrogen, and 1.05 m3 of volume for the power generation unit, not considering the volume of auxiliary equipment or the pressurized hydrogen cylinder. The second scenario operates with two Capstone C200 gas turbines operating together, consuming the same 0.007509 kg/s but generating only 274.2 kW of net power with 30.43 % thermal efficiency, consuming 57 m3 of volume for the entire system except the pressurized hydrogen cylinder. In addition to these scenarios, a parametric analysis was conducted evaluating the performance of various energy-generating units via fuel cells with different numbers of cells, the two Capstone C200 gas turbines, and a Brayton Energy ICR-350 gas turbine in relation to fuel consumption. This study showed that the fuel cell system is very promising due to its high power, low volume, low emissions and potential for efficiency improvement compared to a well-established gas turbine system.