Frente a um panorama de escassez de combustível convencional fóssil e disponibilidade hidráulica para a produção de energia elétrica, fontes alternativas de energia renovável se tornam cada vez mais urgentes e necessárias. O hidrogênio é o elemento químico mais abundante disponível no planeta, tornando-se um potente candidato para suprir essa escassez de energia, pois, é capaz de conter um grande potencial energético comparável aos combustíveis fósseis, como a gasolina ou carvão. Sendo ele um vetor energético, não se tem a possibilidade de sua \"extração\" direta, porém, técnicas de obtenção do hidrogênio são bastante flexíveis, conhecidas e utilizadas comercialmente. Este trabalho teve como objetivo o estudo e construção de um sistema para produção de energia limpa a partir da produção de hidrogênio gasoso por eletrólise da água em meio alcalino, fazendo uso de um painel fotovoltaico como fonte alternativa de energia elétrica, bem como, a análise da eficiência energética desta produção. Para garantir a obtenção dos gases hidrogênio e oxigênio separadamente foi utilizada uma membrana separadora de gases, o Zirfon® Perl, permitindo a eletrólise pelo eletrolisador projetado e construído especificamente para este estudo, sem a necessidade de um sistema de circulação do eletrólito. Para uma análise comparativa das eficiências, produziu-se hidrogênio por eletrólise alcalina de uma solução aquosa de KOH (1M) com energia fornecida por uma fonte externa DC e por um painel solar ligado diretamente ao eletrolisador. O cálculo dessa eficiência foi feito pela relação entre a energia fornecida à eletrólise pelas fontes (solar e externa) e a energia do hidrogênio produzido com base no seu poder calorífico inferior (LHV). Além disso, curvas de carga de tensão e corrente do painel solar foram levantadas e estudadas para garantir a efetividade da ligação direta com o eletrolisador, bem como ensaios de EIE (Espectroscopia de Impedância Eletroquímica) foram realizados para análise da corrosão do eletrodo anódico e determinação da resistência ôhmica do sistema eletrolisador. Foram realizadas medidas e obtidas a eficiência energética com quatro montagens de sistemas eletrolisadores: 4 células com suprimento de energia por uma fonte externa DC, resultando em uma eficiência de 48,21%; 4 células e painel solar, 44,85%; 1 célula e fonte externa, 23,52 %; 1 célula e painel solar, 23,10%. Também foram calculadas eficiências energéticas da produção do hidrogênio em função do aumento de energia fornecida à eletrólise. Todas as aquisições dos parâmetros da eletrólise foram realizadas com um sistema automático projetado e construído especificamente para este trabalho, de forma que os dados foram obtidos a cada segundo, fornecendo valores em tempo real. Os resultados obtidos, tanto sobre os parâmetros importantes para que uma eletrólise para produção de hidrogênio possa se tornar eficiente energeticamente, como sobre as soluções para o desenvolvimento de um sistema com painel fotovoltaico que alimente diretamente o eletrolisador, serão de vital importância para continuação da pesquisa que envolva a utilização otimizada do hidrogênio em locais onde a energia elétrica proveniente de concessionárias seja escassa ou até mesmo inexistente. / The scenario of conventional fuel shortages (fossil and hydraulic availability for the production of electricity) shows us that alternative sources of renewable energy become more urgent and necessary. Hydrogen is the most abundant chemical element available on the planet, making it a potent candidate to address this energy shortage, since it is able to contain a large energy potential comparable to fossil fuels such as gasoline or coal. Being an energetic vector, one does not have the possibility of its direct \"extraction\", but techniques of obtaining hydrogen are quite flexible, known and used commercially. The objective of this work was the study and construction of a system for the production of clean energy from the production of gaseous hydrogen by electrolysis of water in alkaline medium, making use of a photovoltaic panel and an external source of electric energy, as well as the analysis the energy efficiency of this production. In order to guarantee the hydrogen and oxygen gases separately, a gas separation membrane, Zirfon® Perl, was used allowing electrolysis by the electrolyzer, designed and built specifically for this study, without the need for an electrolyte circulation system. For a comparative analysis of efficiencies, hydrogen was produced by alkaline electrolysis of an aqueous solution of KOH (1M) with energy supplied by an external DC source and by a solar panel connected directly to the electrolyser. The calculation of this efficiency was made by the relation between the energy supplied to the electrolysis by the sources (solar and external) and the energy of the hydrogen produced based on its Lower Heat Value (LHV). In addition, voltage and current load curves of the solar panel were collected and studied to ensure the effectiveness of the direct connection with the electrolyser, as well as IEE (Electrochemical Impedance Spectroscopy) tests were carried out to analyze the corrosion of the anodic electrode and determination of the ohmic resistance of the electrolyser system. Measurements and energy efficiency were obtained with four electrolyser systems assemblies: 4 cells with energy supply by an external DC source, resulting in an efficiency of 48.21%; 4 cells and solar panel, 44.85%; 1 cell and external source, 23,52%; 1 cell and solar panel, 23.10%. Energy efficiencies of hydrogen production were also calculated as a function of the increase in energy supplied to the electrolysis. All the electrolysis parameters were acquired with an automated system designed and built specifically for this work, so that the data were obtained every second, providing real-time values. The results obtained in this work, both on the important parameters so that an electrolysis for hydrogen production can become energy efficient, and on the solutions for the development of a system with photovoltaic panel that directly feed the electrolyser, will be of vital importance for continuation of the research that involves the optimized use of hydrogen in places where the electric energy coming from concessionaires is scarce or even non-existent.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-03072019-141816 |
| Date | 30 May 2019 |
| Creators | Garcia Neto, José dos Santos |
| Contributors | Silva, Adonis Marcelo Saliba |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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