[pt] Uma célula PEM (membrana de troca de prótons) de 5 kW com reformador foi instalada na PUC-Rio tendo como objetivo a determinação experimental de seu desempenho e de seu potencial de cogeração para aumentar o uso da energia química do combustível. A unidade utiliza um processador de combustível para converter energia do gás natural em um reformado rico em hidrogênio. A célula é totalmente instrumentada fornecendo dados para o cálculo da eficiência global do sistema (eficiência total), eficiência do reformador, eficiência da pilha, eficiência de conversão (DC/AC) e o potencial de cogeração. Este estudo detalha as equações teóricas necessárias para calcular os parâmetros, os conceitos termodinâmicos e eletroquímicos, e experimentalmente, os balanços de massa e energia, comparando os resultados. Foram obtidos dados no regime permanente resultando em eficiências do reformador, da pilha, de conversão e global, junto com os desvios padrões calculados. Também foi comprovado que a energia perdida no reformador e na pilha é praticamente a mesma. Foi mostrado que as degradações de desempenho do reformador e da pilha reduzem a vida útil da célula do conjunto, que também tem uma eficiência abaixo do que foi indicado pelo fabricante. O potencial de aproveitamento da energia química do combustível foi estimado através do cálculo do calor rejeitado pela pilha e através do calor rejeitado pelo reformador dando um valor de 71,3 %. / [en] A 5 kW proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a reformer has been installed and tested at the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio), Brazil, aiming the experimental determination of its performance and co-generation potential to increase the fuel chemical energy usage. The unit uses a fuel processor to convert energy from natural gas into hydrogen rich reformate. The fuel cell is totally instrumented, supplying data for calculating the overall system efficiency (total efficiency), reformer efficiency, stack efficiency, conversion efficiency (DC/AC), and co- generation potential, at previously set up output powers of 2,5 kW. This study details the equations required for calculating the parameters, both theoretically, from thermodynamics and electrochemics points of view, and experimentally, from mass and energy balances, comparing the results. Steady state data were taken, resulting in reformer, stack, conversion and total average efficiencies, together with the calculated standard deviation. It was also found that the energy loss in the reformer and in the stack are approximately the same. It was also showed that the reformer and stack degradation reduce the system life, which also has an efficiency lower what is stated by the manufacturer. The fuel chemical energy usage potential was estimated by calculating the heat rejected by the stack and the heat rejected in the reformer, giving a value of 71,3%.

[pt] Este trabalho consiste no estudo de um sistema isolado de geração de energia elétrica, ou seja, não está ligado à rede. Seus objetivos consistem na montagem de uma banca experimental, na construção de um simulador e na realização de testes experimentais. O sistema físico possui como componentes: painéis fotovoltaicos, grupo de baterias, inversor de corrente e um sistema integrado de geração de energia elétrica (reformador + célula combustível). O reformador utiliza o etanol como combustível para geração de gás reformado que abastece uma célula a combustível do tipo Membrana de Troca de Prótons de Baixa Temperatura (LTPEM). O gás reformado é composto, principalmente, por hidrogênio e óxidos de carbono, além do metano em baixas porcentagens. Para análise do sistema, foi feito um volume de controle em cada componente, e retirados dados como potência, vazão, consumo elétrico, entre outros dados, assim como foi realizado diversos experimentos no Laboratório com os equipamentos separados e em conjunto. Com estes dados, foi possível o desenvolvimento de um simulador em Excel e Visual Basic for Applications (VBA), utilizando equações fenomenológicas. Após a caracterização dos equipamentos foi possível a validação do simulador. Com este validado, foi possível simular alguns cenários pré-estabelecidos, com objetivo de comprovar ou não a viabilidade técnica do sistema de geração isolada de energia elétrica. / [en] This work consists of the study of an isolated system of electricity generation, that is, it is not connected to the grid. Its objectives are to set up an experimental bench, build a simulator and carry out experimental tests. The physical system has as components: photovoltaic panels, battery pack, current inverter, and an integrated electric power generation system (reformer + fuel cell). The reformer uses ethanol as fuel to generate reformed gas that supplies a Low Temperature Proton Exchange Membrane (LTPEM) fuel cell. The reformed gas is mainly composed of hydrogen and carbon oxides, in addition to methane in low percentages. For system analysis, a control volume was made in each component, and data such as power, flow, electrical consumption, among other data, was taken, as well as several experiments were carried out in the Laboratory with the separate equipment and together. With these data, it was possible to develop a simulator in Excel and Visual Basic for Applications (VBA), using phenomenological equations. After the characterization of the equipment, it was possible to validate the simulator. With this validated, it was possible to simulate some pre-established scenarios, with the objective of proving or not the technical feasibility of the isolated electric energy generation system.

[pt] O presente trabalho trata da implementação de um sistema integrado de fornecimento de energia elétrica a sistemas isolados da rede de distribuição através de célula a combustível, combustível renovável (etanol) e painéis fotovoltaicos. Apresenta como objetivo a construção de um simulador para a otimização do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica. O sistema consiste em um reformador de hidrogênio que utiliza etanol para a reforma do hidrogênio, uma célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo, inversor de corrente, compressor de hidrogênio. O sistema foi dimensionado para atender um consumidor SIGFI 45. A partir da implementação do sistema foram realizados diferentes tipos de ensaios a fim de caracterizar o funcionamento de cada um dos equipamentos separadamente. Conhecendo o funcionamento de cada equipamento foi possível simular o funcionamento deles em diferentes condições de operação. Posteriormente foi implementado um simulador em VBA desse sistema e os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com os simulados para a validação desse simulador. Com o simulador validado foi possível simular diversos casos de operação com o intuito de otimizar o funcionamento desse sistema. / [en] This current work deals with the implementation of an integrated electrical power supply system with isolated fuel cell distribution networks: renewable fuel (ethanol) and photovoltaic panels. This thesis presents the objective of constructing a simulator in order to optimize the integrated electrical power supply system. The system consists of a hydrogen reformer that uses ethanol to produce hydrogen, a PEM fuel cell, photovoltaic panels, lead battery bank, current inverter, hydrogen compressor. The system has been sized to meet SIGFI 45 consumer. During the implementation and application of the system, different types of tests were carried out in order to characterize the behavior of each component separately. Knowing the function of each component within the system, it was possible to simulate their behavior in different operating conditions. Later, a VBA simulator of this system was created and then implemented. The results produced by the simulator were compared with those carried out experimentally to validate the accuracy of this simulation. With the validation of the simulator it was possible to simulate several operational cases in order to optimize the function of this system.

[pt] Neste trabalho é realizada a simulação de um sistema híbrido de geração de energia para pequenas comunidades, através de um simulador do sistema integrado de fornecimento de energia elétrica para consumidores sem acesso à rede de distribuição de energia elétrica desenvolvido para este fim. O simulador foi desenvolvido em Excel e Visual Basic for Applications (VBA). O sistema inicial consiste basicamente de uma unidade de células a combustível, baterias, um reformador de etanol para produção de hidrogênio, compressor, cilindros de armazenamento e painéis fotovoltaicos. A simulação foi desenvolvida aumentando-se gradativamente a quantidade dos componentes do sistema para atender à demanda de vários consumidores SIGFI45, até o limite do sistema, visando a diminuição do custo total de instalação por kWh para cada consumidor. Posteriormente foram avaliadas as características de cada equipamento (reformador de hidrogênio, célula a combustível do tipo PEM, painéis fotovoltaicos, banco de baterias de chumbo-ácido, inversor de frequência, compressor de hidrogênio) e a ampliação do sistema para atender a mais usuários. Foram analisados diferentes cenários, de acordo com o aumento do número de usuários do sistema e a demanda de energia resultante. Como resultado, a simulação do sistema ampliado atendeu a um maior número de consumidores, satisfazendo a demanda de pequenas comunidades com um custo menor para a produção de energia do que no caso com o sistema inicial. / [en] In this current work it is realized the simulation of a hybrid energy generation system for small communities, through a simulation program of the integrated system of energy supply for offgrid costumers developed for this purpose. The simulator was developed in Excel and Visual Basic for Applications (VBA). The starting system consists of a unit of fuel cells, lead-acid batteries, ethanol reformer to produce hydrogen, compressor, storage cylinders and photovoltaic panels. The simulation was developed adding a new component when it was necessary to supply the demand of more than one customer SIGFI45, up to the limit of the system, aiming at reducing the installation cost per kWh for each consumer. Subsequently, the characteristics of each equipment (hydrogen reformer, PEM fuel cell, photovoltaic panels, battery bank, inverter, hydrogen compressor) were evaluated and the system was expanded to supply more users. Different scenarios were analyzed in accordance with the increase in the number of users of the system and the resulting energy demand. As a result, the optimization of the system has supplied a greater number of customers and it can supply energy for small communities with a lower cost for energy production than the original system.

[pt] Neste trabalho, busca-se atender a demanda energética de grandes clientes através de um sistema híbrido de energias renováveis (HSRE, em inglês), com o mínimo custo e diminuindo as emissões de poluentes. O sistema é construído a partir do uso de células fotovoltaicas, células a combustível e chillers elétricos. Quatro tipos de célula a combustível são testadas e avaliadas quanto a viabilidade: PAFC (ácido fosfórico), SOFC (sólido óxido), MCFC (carbonato fundido) e PEMFC (membrana trocadora de prótons). Para o caso da última, geradores de hidrogênio são simulados para suprir a demanda. Os resultados são comparados com o caso base, de toda a demanda sendo atendida pela concessionária de energia elétrica local. Varia-se o custo de aquisição e instalação dos equipamentos, o custo de aquisição de gás natural e o custo da energia elétrica, além da variação da demanda e de simular o cliente em diferentes cidades. A demanda hipotética é calculada a partir de valores de iluminâncias segundo normas técnicas para cada sala de um laboratório em construção em Xerém, no Rio de Janeiro. A simulação indica como resultado a viabilidade econômica de abastecimento pelo sistema híbrido, com geradores do tipo PAFC, SOFC e MCFC. A alta demanda de hidrogênio, juntamente com o custo atual para geração do mesmo inviabiliza o retorno com uso de células PEMFC. / [en] In this work, we seek to meet the energy demand of large customers through a hybrid system of renewable energy (HRSE), with minimal cost and reducing emissions. The system is built from the use of photovoltaic cells, fuel cells and electric chillers. 4 fuel cell types are tested and evaluated for viability: PAFC (phosphoric acid) SOFC (solid oxide), MCFC (molten carbonate) and PEMFC (proton exchange membrane). In the case of the latter, hydrogen generators are simulated to meet demand. The results are compared with the base case, that includes all the demand being met by the local power company. The cost of purchase and installation of equipment, the cost of acquisition of natural gas and the cost of electricity, as well as the demand variation and simulate the client in different cities are analyzed under different values. The hypothetical demand is calculated from illuminance values according to technical standards for each room of a laboratory under construction in Xerém, in Rio de Janeiro. The simulation result shows the economic viability supply the hybrid system The high demand for hydrogen with the current cost for generating the same prevents the payback form PEMFC fuel cells.