Artigos de autoria do Prof. Stefanelli

Viabilidade ambiental, financeira e energética da eletrólise do vapor da água de resfriamento do reator nuclear de IV geração nos momentos de baixo consumo de energia elétrica: desafios e perspectivas

Resumo

A nossa civilização está em um ponto de inflexão. As decisões que tomarmos neste momento nos conduzirão a mudanças drásticas no clima do planeta ou a modelos de geração de energia mais limpos e sustentáveis. Em algum momento da evolução de nossa sociedade, privilegiamos a produtividade em detrimento do uso racional dos recursos do planeta. Esta opção tem nos conduzido a uma situação em que estes recursos estão seriamente comprometidos. Novos modelos de geração e utilização de energia devem ser debatidos e adotados, no intuito de reverter este processo. O consumo da energia elétrica não é constante ao longo do tempo e ela deve ser gerada no momento em que é consumida. Há momentos de grande ociosidade no sistema de geração de energia elétrica, contrabalanceados por momentos de demanda elevada. Esta característica induziu à construção de um modelo de grande capacidade de geração que fica ocioso na maior parte do tempo, produzindo impactos financeiros e ambientais gigantescos. Neste artigo, será discutida a viabilidade ambiental, financeira e energética de utilizar a capacidade ociosa do sistema elétrico para, via eletrólise do vapor da água, produzir hidrogênio que seria reconvertido em energia elétrica nos momentos de pico por uma pilha a combustível. Neste estudo, será investigada a viabilidade de se associar uma SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) - célula a combustível de óxido sólido atuando como uma cuba de eletrólise - a um reator de IV geração (GEN IV), para produzir hidrogênio a partir do vapor da água, superaquecido no resfriamento do reator, que será reconvertido em energia elétrica, via SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), nos momentos de pico. O método utilizado nesta investigação foi o de estudar a variação da carga elétrica consumida, num dia aleatoriamente selecionado, em função da hora do dia, lançar uma curva num diagrama a 'Demanda x Hora do dia', estabelecer os momentos de pico, de vale e o consumo médio e, a partir destes dados e geometricamente, prever a viabilidade de se utilizar o potencial energético dos momentos que a curva está abaixo da reta da média para compensar o sistema nos momentos que a curva está acima da média, a aproximando a um patamar. Com estes dados, é possível estabelecer em que nível o patamar irá estabilizar quando as perdas energéticas oriundas das conversões forem integradas ao estudo. Como conclusão, observou-se que esta opção seria viável num universo no qual segunda lei da termodinâmica não vigisse. O nunca acabar de conversões entre energias arrastaram a linha patamar para muito próximo do pico da curva original, inviabilizando sua adoção do ponto de vista energético. Contudo, o hidrogênio é um insumo de valor agregado maior que a energia elétrica. Verificou-se que a tecnologia da utilização de células a combustível de óxido sólido operando como cuba de eletrólise (SOEC) associada a um reator nuclear é muito promissora para a produção deste importante vetor energético a ser destinado a outras aplicações móveis ou portáteis.

Environmental, financial and energy feasibility of the electrolysis of the water steam of a generation IV reactor cooling system during the moments of low consumption of electrical energy: challenges and perspectives

Abstract

Our civilization is in an inflection moment. Our current decisions will lead us to drastic changes in the planet climate or to cleaner and more sustainable energy generation models. In a certain moment in the evolution of our society, we have privileged the productivity instead of the reasonable use of the planet's resources. This option has been leading us to a situation in which these resources are seriously jeopardized. New models of energy generation and use should be discussed and adopted in order to reverse this process. The electric-power consumption is not constant through time and it must be generated at the moment it is going to be used. There are moments of great idleness in the electric-power generation system, counterbalanced by high demand moments. This characteristic has induced us to the construction of a model of great generation capacity that remains without use most of the time, producing huge financial and environmental impacts. In this article, we discuss the environmental, financial and energy viability of using the idle capacity of the electric-power system to, through water steam electrolysis, produce hydrogen, which would be reconverted into electric power in peak moments by a fuel cell. In this study, we aim at investigating the viability of associating a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), acting as an electrolysis bow, to a generation IV reactor, in order to produce hydrogen from superheated water steam in the cooling of the reactor, which will be converted into electric power via SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) in peak moments. The method used in this investigation was to study the electric charge variation consumed in a day, randomly selected in relation to the hour of the day, to launch a curve into a diagram ‘Demand x hour of the day', to establish the peak moments, the minimum moments, and the average consumption, and, based on these data and geometrically, predict the viability of using the energetic potential of the moments in which the curve is below the average straight line to compensate the system in the moments in which the curve is above the average, putting it closer to a certain baseline. With these data, we aim at finding out in which level the baseline will stabilize when the energetic losses resulting from the conversions are integrated to the study. As partial conclusion, we have observed that this option would be viable in a universe in which the Second Law of Thermodynamics would not be valid. The never ending of the conversions between energies took the baseline line very close to the maximum point of the original curve, making its adoption, in the energetic point of view, not viable. However, the hydrogen is an input of greater added value than the electric power. As conclusion, we have observed that the technology of using the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), operating as an electrolysis bow associated to a nuclear reactor, shows itself as promising to the production of this important energetic vector that can be addressed to other movable or portable applications.

Prof.: Eduardo José Stefanelli
Prof. Ms. do IFSP - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia São Paulo.
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN / CNEN - SP)
ipen@stefanelli.eng.br
http://www.stefanelli.eng.br

Eduardo J. Stefanelli - www.stefanelli.eng.br