Orientadores: Carla Kazue Nakao Cavaliero, Paulo Fabrício Palhavam Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:20:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RiverosGodoy_GustavoArturo_D.pdf: 2492876 bytes, checksum: 99937cb490ddf587b5477bbd1ff7ade6 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A utilização de hidrogênio em veículos com células a combustível apresenta-se como uma solução que pode causar baixos impactos ambientais, além de poder trazer maior segurança energética, uma vez que pode ser produzido através de recursos energéticos disponíveis em cada país. Neste contexto, e considerando que o transporte de passageiros configura-se como um serviço público fundamental para a integração entre as regiões e os países, nessa tese focou-se no estudo técnico, econômico e ambiental da implementação de uma rodovia preparada para atender a demanda de hidrogênio no setor de transporte coletivo de passageiros. O trajeto escolhido foi à rota que une a cidade de Assunção/Paraguai com a cidade de São Paulo/Brasil. Especial ênfase foi dada ao custo de instalação e operação das estações de hidrogênio produzido através da eletrólise da água. Na análise colocaram-se duas possibilidades, sendo elas, i) a introdução de apenas um ônibus movido a hidrogênio, situação denominada de substituição mínima; e ii) a substituição de toda a frota que atende a rota em estudo, denominando-a como substituição máxima. O custo de implementação da primeira situação é de aproximadamente US$ 5,0 milhões e o custo operacional anual é de cerca de US$ 1,0 milhão. Com a segunda situação, o custo de implementação aumenta para US$ 17 milhões e a operação anual fica em torno de US$ 5,0 milhões. No caso do Paraguai, o custo do hidrogênio varia entre 8,50 US$/kg e 18,66 US$/kg. No caso do Brasil, estimaram-se entre 17,07 US$/kg e 28,30 US$/kg. A análise ambiental considerou as emissões evitadas de carbono com a substituição de óleo Diesel por hidrogênio eletrolítico em toda a frota de veículos. Para tanto, foi utilizada uma metodologia aprovada pela UNFCCC no âmbito dos projetos de MDL e que poderia ser aplicada para empreendimentos como o proposto na tese, obtendo-se como estimativa uma redução de emissões de 2.098 tCO2/ano / Abstract: The use of hydrogen in fuel cell vehicles is presented as a solution that may cause less environmental impact and as a mean of addressing energy security, considering it can be produced by energy resources available in each country. In this context, considering the passenger transport as a service in the public interest for integration between regions and countries, this thesis focused on technical, economic and environmental analysis by implementing a highway prepared to cover the hydrogen demand in the passenger transportation sector. They chose route is that one joins Asuncion/Paraguay and São Paulo/Brazil. Special emphasis on the installation and operation costs of hydrogen stations produced through the water electrolysis was given. Two possibilities were set, i) the introduction of only one hydrogenpowered bus, condition called minimal substitution, and ii) replacing the whole fleet that serves the route, called as maximal substitution. The implementation cost of the first one is roughly US$ 5.0 million and an annual operating cost of about US$ 1.0 million. In the second situation, the implementation cost amounts to US$ 17 million and annual operating around $ 5.0 million. In the case of Paraguay, hydrogen production cost varies between 8.50 US$/kg and 18.66 US$/kg. In the case of Brazil, the estimated costs vary between 17.07 US$/kg and 28.30 US$/kg. The environmental analysis performed verified the availability of an approved CDM methodology and its applicability for similar proposals, a reduction of emissions equal to 2098 tCO2/year, was estimated / Doutorado / Planejamento de Sistemas Energeticos / Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-10-18T14:27:42Z No. of bitstreams: 1 FRANCINALDO DE FREITAS PEREIRA - TESE PPGEP 2005..pdf: 5181579 bytes, checksum: 4b0502fc646549fa86f1d070395e206c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-18T14:27:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FRANCINALDO DE FREITAS PEREIRA - TESE PPGEP 2005..pdf: 5181579 bytes, checksum: 4b0502fc646549fa86f1d070395e206c (MD5) Previous issue date: 2005-08-26 / Capes / O objetivo deste trabalho é estudar o desempenho de um forno tipo mufla adaptado para utilizar hidrogénio eletrolítico como combustível. O sistema de aquecimento poderá ser aplicado em fornos de produção de tijolos, telhas, materiais cerâmicos, e produtos derivados do trigo. Neste sentido o hidrogénio eletrolítico substituiria os combustíveis de origem orgânica, que são os grandes vetores da poluição atmosférica, o hidrogénio poderá ser produzido usando-se energias renováveis como painéis fotovoltaicos e/ou turbinas eólicas. O hidrogénio foi produzido a partir da eletrolise da água em um reator bipolar usando hidróxido de potássio como eletrólito. O consumo de energia e a produção de hidrogénio foram estimados para diferentes níveis temperaturas de 300°C, 900°C e, 1100°C. / The objective of this work is the study of an oven adapted to use electrolytic hydrogen as fuel. The possible applications are the cooking of clay used in the production of ceramic materiais, bricks and tiles; as well as the production of derived products of the wheat. The electrolytic hydrogen, used as a fuel in replacement of carbonaceous fuels which contribute to the atmospheric pollution, can be produced using renewable energies like photovoltaic solar paneis and/or aeolian turbine power generators. The hydrogen production is done by electrolysis of water which occurs in a bipolar reactor using potassium hydroxide as electrolyte. The energy consumption and the hydrogen production are calculated for different temperatures of 300°C, 900°C and 1100°C range. They are respectively, 0,9 kWh and 0,131 m3, 2,1 kWh and 0,311 m3 and 3,2 kWh and 0,498 m3.

Submitted by Regina Francielle Silva Paulino null (repaulino28@yahoo.com.br) on 2017-05-15T16:55:58Z No. of bitstreams: 1 Disssertação para repositório.pdf: 2094038 bytes, checksum: 627da6791c7083908510f6129d80d56f (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-05-16T14:35:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 paulino_rfs_me_guara.pdf: 2094038 bytes, checksum: 627da6791c7083908510f6129d80d56f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-16T14:35:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 paulino_rfs_me_guara.pdf: 2094038 bytes, checksum: 627da6791c7083908510f6129d80d56f (MD5) Previous issue date: 2017-03-08 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho são estudados dois processos que utilizam biogás para obtenção do biohidrogênio. Inicialmente é analisado o processo de eletrólise da água, com o uso de energia elétrica gerada em conjunto motor de combustão interna/gerador (MCI) operando com biogás de aterro sanitário. Visando aproveitamento de calor dos gases de escape do MCI estuda-se o potencial de geração de energia térmica útil pela aplicação da técnica de cogeração. Considera-se dois casos: o primeiro para a produção de água quente em um trocador de calor, e o segundo, para a produção de água gelada em um sistema de refrigeração por absorção. Posteriormente é estudada a reforma a vapor de biogás para a produção de biohidrogênio, que utiliza também esse biocombustível para a geração de vapor superaquecido necessário ao processo de reforma. O objetivo é efetuar a análise energética de modo a determinar as eficiências dos processos, o potencial de produção de biohidrogênio, água quente ou água gelada, nos aterros sanitários da cidade de São Paulo. Também é efetuada análise de engenharia econômica para a determinação do custos da produção de biohidrogênio, água quente e água gelada, em US$/kWh. Esse estudo baseia-se em parâmetros tais como, investimento capital, custos de manutenção e operação dos equipamentos, período equivalente de utilização e período de amortização de capital. Em fase final, foram realizados estudos de impactos ambientais para a determinação das eficiências ecológicas dos processos de produção de biohidrogênio (reforma a vapor e eletrólise), considerando as emissões de poluentes, o dióxido de carbono equivalente e os indicadores de poluição. Como conclusões, tem-se que considerando a disponibilidade de biogás da cidade de São Paulo, existe potencial para a produção de biohidrogênio, e que o processo de reforma a vapor do biogás apresenta maior nível de eficiência sob o ponto de vista termodinâmico. Quando se considera a eletrólise incorporando a técnica da cogeração com a produção simultânea de eletricidade e água quente ou água gelada, observa-se aumento da eficiência energética do processo. A reforma a vapor do biogás, também se mostra mais atrativa economicamente de acordo com os parâmetros considerados. Sobre o ponto de vista ambiental, o processo de eletrólise com produção de água gelada apresenta maior eficiência ecológica, seguidos do processo de produção de água quente, reforma a vapor e somente eletrólise. / In this work is studied two processes to obtain hydrogen using biogas. Initially is analyzed the process of electrolysis of water, with the use of electricity generated in conjunction with an internal combustion engine / generator (ICE) operating with landfill biogas. generated by an internal combustion engine/generator operating with landfill biogas, is analyzed. In order to take advantage of the exhaust gases from the combustion of biogas, the potential of cogeneration is studied, another two cases are considered. The first one studies the production of hot water in the heat exchanger and the second analyzes the use of absorption refrigeration system to produce cold water. Subsequently it is studied the steam reform of biogas for the production of hydrogen, which is constituted of biogas burning for the generation of superheated steam used in the conversion of the fuel input. The objective is to make the energy analysis in order to determine the efficiency of the processes and the potential of producing hydrogen, hot water or ice water in the landfills of the city of São Paulo using the biogas generated. An economic engineering analysis to determine the production hydrogen cost, hot water and ice water, in US$/kWh, based on capital investment, maintenance and operation costs, equivalent period of use and payback. In the final phase, environmental study method is applied to determine the ecological efficiencies of the hydrogen production processes using biogas, considering the emissions of pollutants, carbon dioxide equivalent and pollution indicator. As a conclusion, considering the hydrogen production capacity and the biogas availability of the city of São Paulo, the process of steam reforming of the biogas is more thermodynamically efficient. When considering the electrolysis incorporating the cogeneration technique with the simultaneous production of electricity and hot water or cold water, it is observed an increase in the energy efficiency of the process. The steam reform of the biogas is more attractive economically according to the considered parameters. From the environmental point of view, the process of electrolysis with the production of cold water presents greater ecological efficiency, followed by the process of hot water production, steam reforming and only electrolysis.

Due to the system does not recognize equations and formulas the resumo and abstract can be found in the PDF file. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Devido ao sistema não reconhecer equações e fórmulas o resumo e abstract encontra-se no arquivo em PDF.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In many hydroelectric power plants, while the water inflows are greater than demand, part of this water that could be used to generate energy is spilled by the dam gates and literally wasted. This dissertation discusses the use of this wasted hydroelectric potential for hydrogen (H2) generation through water electrolysis. The usage of this hydrogen can happen not only in vehicle engines or industrial applications, but in energy generation through fuel cells and behaving as an energy vector. The H2 production by electrolysis requires an energy source for its processing. This dissertation aims at to mitigate this issue by the use of the secondary energy. Besides the H2 generation aspects, it is presented the complete mathematic model of alkaline electrolyzers. With respect to the wasted hydroelectric potential approach it must be taken into account that alternative sources of energy are settled onto three bases: the energy source itself, the distribution grid and the interconnection energy source-to-grid (or source-to-load). Looking at this fact, the source connection and disconnection from the grid is a challenge for systems engineering. For this dissertation the simulation of Voltage Source Inverters (VSI) was selected to represent the islanded and grid tied conditions. For that, it is proposed an anti-islanding algorithm used to protect the system against faults that may occur in the grid. A reconnection algorithm is also included to obtain the synchronism of the alternative source with the electric grid. To control these inverters, two control techniques are presented along this text: DQ-frame and the proportional and resonant (P+Resonant) control. These control techniques are simulated to evaluate the application efficiency of such controllers. Additionally a smart control in perspectives of the smart grid was also developed and it is proposed in this dissertation. A smart grid integrated to the distribution system allows aggregation of efficient actions of all agents related to electricity services and so strategically making available the electricity goods and services. In this context, based on real-time spot pricing of the electricity obtained from the utility using an advanced metering device, the inverter control algorithm determines the optimal operating mode. This algorithm enables the inverter to: a) schedule local loads; b) determine either to local storage or selling of energy to the grid. Finally, it is shown that on-line fault detection in the system can also make possible a fast restoration of most contingence situations. / Em muitas Usinas Hidrelétricas, quando as afluências de água são maiores que a demanda, uma parcela desta água que ainda poderia ser utilizada para gerar energia é desviada para o vertedouro e literalmente desperdiçada. Esta energia recebe a denominação de Energia Vertida Turbinável (EVT). Essa dissertação discute o aproveitamento da EVT para produção de hidrogênio através da eletrólise da água. O uso desse hidrogênio pode ocorrer não apenas em motores de veículos ou aplicações industriais, mas na própria geração de energia elétrica em células a combustível, agindo como vetor energético. A produção de H2 por eletrólise da água convencionalmente necessita de uma fonte de energia para o processo. Essa dissertação sugere a mitigação deste problema pela utilização de energia secundária. Além de aspectos para produção de H2, é apresentada uma modelagem matemática completa de todo este processo envolvendo os eletrolisadores alcalinos. Na abordagem da EVT há que se levar em conta que as fontes alternativas em geral estão assentadas em três fundamentos: a fonte de energia, a rede de distribuição e a interconexão fonte de energia-rede (ou fonte-carga). Com vistas a este fato, a desconexão e re-conexão entre a fonte e a rede pode ser um problema desafiador para a engenharia de sistemas. Para esta dissertação, selecionou-se a simulação dos Inversores VSI (Voltage Source Inverters) como resposta para as condições de ilhamento e conexão à rede elétrica. Para isto, propõe-se um algoritmo anti-ilhamento que visa a proteção contra as faltas que possam ocorrer na rede e um algoritmo de re-conexão à rede, incluindo o meio de sincronismo da fonte alternativa com a rede. Para controlar tais inversores, duas técnicas são apresentadas ao longo deste texto: utilizando as transformações DQ e controle proporcional e ressonante (P+Resonant). Essas duas técnicas de controle são simuladas para se avaliar a eficiência da aplicação de tais controladores. Em adicional, foi desenvolvido um controle inteligente diferenciado com perspectivas ao Smart Grid. O Smart Grid integrado aos sistemas de distribuição permite agregar de forma eficiente as ações de todos os agentes ligados a ele para que, de forma estratégica, sejam disponibilizados bens e serviços de eletricidade. Neste contexto, o controle inteligente proposto para inversores de conexão com rede a utiliza técnicas de gerenciamento pelo lado da demanda e ainda determina automaticamente o ponto ótimo de operação do inversor, possibilitando assim o planejamento e arranjo de cargas locais e a determinação de quando deve ser armazenada energia ou vendida para a rede. Mostra-se finalmente que a detecção das falhas no sistema também poderá ser praticada de forma a se poder atuar rapidamente no restabelecimento das situações de contingência.