Células a combustível de óxido sólido, ou SOFCs, são dispositivos que produzem eletricidade e calor pela oxidação de um combustível como o gás natural ou o biogás. Com eficiência energética, a tecnologia de emissão zero tem potencial para atender à energia doméstica e comercial, necessidades de aquecimento e água quente.

Embora a aceitação seja alta em países como o Japão, SOFCs ainda não pegaram na Europa, até porque os altos custos de produção representam uma barreira para a fabricação das células em escala. Mas uma nova pesquisa feita por uma equipe da EPFL pode vir a ser uma virada de jogo.

Engenheiros do Laboratório de Projeto Mecânico Aplicado (LAMD), baseado na Microcity em Neuchâtel, desenvolveram uma nova maneira de melhorar a eficiência das SOFCs domésticas, isto é, células avaliadas em 6 kWe (quilowatt-elétrico). O ventilador movido a turbina a vapor, que recircula os gases através do sistema, também aumenta a vida útil da célula. Este projeto colaborativo envolveu três parceiros:o LAMD, o Grupo de Materiais de Energia (GEM) com base no campus da EPFL Valais Wallis em Sion e dirigido por Jan Van Herle, e SOLIDpower SA, uma empresa privada localizada em Yverdon-les-Bains. Um artigo detalhando a pesquisa foi publicado na revista Applied Energy.

Recirculação de gás

Os pesquisadores alcançaram esses ganhos de eficiência e vida útil usando um novo sistema chamado ventilador de recirculação de gás anodo. Em condições normais, SOFCs convertem apenas cerca de 80-85% do combustível de entrada, que só transita pela célula uma vez. Ao conectar a saída à entrada, a equipe conseguiu recircular os gases através da célula uma segunda vez. Como SOFCs operam em temperaturas superiores a 600 ° C, "o ventilador de recirculação aumenta a pressão dos gases de saída, trazendo-o para um nível compatível com a pressão dentro da célula, "diz Patrick Wagner, o autor principal do artigo.

Com o novo sistema, a equipe observou ganhos de eficiência impressionantes de até 10%. "Quando acoplamos o ventilador a uma célula de combustível doméstica funcionando com carga parcial, ou 4,5 kWe, alcançamos eficiências brutas de 66%, "diz Jürg Schiffmann, quem dirige o LAMD. Por comparação, as usinas mais avançadas alcançam eficiências de 63% sem gerar calor recuperável. Além disso, essas usinas operam em faixas de capacidade na ordem de centenas de megawatts-elétricos, ou MWe. Na Suíça, cerca de 6% dessa energia é perdida entre a alimentação e a retirada da rede.

Além de melhorar a eficiência, o sistema de ventilador também estende a vida útil da célula porque a mistura de gás recirculada aumenta a estabilidade do catalisador.

Resistente e autossuficiente

A recirculação de gás pode não ser um conceito novo em si, mas o design da equipe marca uma ruptura com os sistemas anteriores. O ventilador é equipado com rolamentos lubrificados a vapor desenvolvidos no LAMD e é acionado por uma turbina a vapor em miniatura que funciona com o calor produzido pela célula.

Os pesquisadores optaram por rolamentos lubrificados a vapor para evitar o risco de contaminação. "SOFCs, como quase todos os dispositivos catalíticos, são extremamente delicados, "diz Wagner." Se o óleo ou outro lubrificante entrar, pode causar problemas reais. Os rolamentos lubrificados a vapor são peças mecânicas que não requerem óleo. A parte giratória do sistema assenta em uma almofada de ar gerada pelo eixo - outra parte do sistema - conforme ele gira. "Este projeto tem outro benefício:além da inicialização e desligamento, nenhuma das partes entra em contato uma com a outra, o que significa que eles não usam.

A equipe usou uma turbina a vapor porque os gases de saída SOFC contêm hidrogênio e outros compostos potencialmente explosivos no combustível residual. “Nosso ventilador de recirculação é feito exclusivamente de peças mecânicas, então não representa nenhum risco de segurança, "acrescenta Wagner." Isso não teria sido o caso se tivéssemos usado um motor elétrico. "A turbina de 34 Watts é ideal para SOFCs de uso doméstico. Medindo apenas 15 mm de diâmetro, é uma das menores turbinas a vapor do mundo.