Title

APROVEITAMENTO ENERGÉTICO EFICIENTE DO GLICEROL – MODELAMENTO NO ESTADO ESTACIONÁRIO DE SISTEMA HÍBRIDO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DO TIPO ÓXIDO SÓLIDO E TURBINA A GÁS

EFFICIENT ENERGETIC UTILIZATION OF GLYCEROL – STEADY STATE MODELING OF HYBRID SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC) AND GAS TURBINE (GT) SYSTEM

Authorship

Silva, Aline Lima da

Silva, Aline Lima da

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DOI

10.5151/1516-392X-31804

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Abstract

Sistemas híbridos de células a combustível do tipo óxido sólido e turbina a gás (SOFC/GT) são tecnologias inovadoras com o potencial de impulsionar a geração de energia distribuída, devido às eficiências elevadas alcançadas, enquanto mantêm o impacto ambiental reduzido. Neste contexto, o presente estudo apresenta um modelo estacionário para o sistema SOFC/GT baseado no conceito de recirculação do gás do ânodo, com glicerol sendo usado como combustível. O código desenvolvido permite calcular o balanço de massa e energia do sistema, resolvendo-se de forma iterativa e integrada, os modelos de cada módulo, isto é, reformador, stack da SOFC, combustor, trocador de calor, soprador de recirculação, turbina e compressor de ar. O reformador adiabático foi modelado de acordo com a técnica de maximização de entropia, permitindo uma integração mais simples com o ânodo da SOFC, o que garante uma execução rápida do código. Tabelas completas de composição e temperatura para a arquitetura SOFC/GT de 200kW AC são apresentadas, e o sistema tem uma eficiência elétrica AC de 66,6%. Essa eficiência é alcançada para o sistema pressurizado (8 atm), stack da SOFC composto por 500 células, em uma densidade de potência de 0,75 W cm-2, e potencial de célula unitária de 0,842V. O desempenho eletroquímico elevado é alcançado com a utilização de uma nova geração de células SOFC suportadas em metal, baseadas em materiais otimizados LSCM/YSZ/SDCN (manganita de lantânio dopada com estrôncio/ zircônia estabilizada com ítria/ céria dopada com samária misturada com Ni). Além disso, compressão e expansão realizadas em dois estágios, com seleção apropriada de diâmetros de rotores, com a utilização de uma tecnologia completamente eletrônica, poderia resultar em eficiências de compressores e turbinas de aproximadamente 83% e 85%, respectivamente, no ponto de operação.

Hybrid solid oxide fuel cell/gas turbine systems (SOFC-GT) are promising innovative technology with the potential to boost distributed energy generation, due to high electrical efficiencies achieved, while keeping much lower environmental impact. In this context, the present study provides a steady-state model for a SOFC-GT architecture based on anode gas recirculation concept, with glycerol being used as a fuel. The developed code allows calculating heat and mass balance using system analysis by modeling each module, namely, reformer, SOFC stack, afterburner, heat exchanger, anode gas recirculation blower, turbine and air compressor. Adiabatic reformer was modeled according to entropy maximization technique, allowing a more straightforward integration with SOFC anode, ensuring a faster code execution. The whole process flowsheet diagram (PFD) is provided for a designed 200kW AC SOFC-GT system, yielding 66.6% electrical efficiency. Such a high efficiency is achieved for pressurized system (8 atm), SOFC stack composed of 500 cells, at a power density of 0.75 W cm−2 and single cell voltage of 0.842V. Enhanced electrochemical performance is obtained with the utilization of a new generation of metal-supported SOFC, based on optimized materials LSCM/YSZ/SDCN (lanthanum strontium manganite/yttria stabilized zirconia/samaria-doped ceria mixed with Ni). In addition, two-stage compression and expansion, with proper selection of rotor diameter sizes besides a fully electric technology, could result in compressors and turbines efficiencies of approximately 83% and 85%, respectively.

Keywords

Célula a combustível; Termodinâmica; Biocombustível; Eficiência

Solid oxide fuel cell; Efficiency; Biofuel; Thermodynamics