Células de combustível de óxido sólido fornecem energia de reserva para aplicações híbridas de pequena escala

O Watt Remote SOFC foi projetado para ser integrado a uma solução de armazenamento de energia/energia solar. (Foto: Watt Fuel Cell)

A energia de reserva atende a uma gama de aplicações, desde residenciais até industriais. Neste último caso, grupos geradores e sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) estão atualmente em competição. Muitos fabricantes de BESS conseguiram dimensionar seus sistemas para fornecer os vários megawatts de energia que antes só podiam ser fornecidos por grandes grupos geradores industriais.

Os grupos geradores também são utilizados em um nicho de energia de reserva que poderia ser melhor descrito como comercial. Essas aplicações normalmente exigem uma fonte de alimentação de emergência confiável, mas não exigem a quantidade de energia necessária em situações industriais.

Competindo com grupos geradores em aplicações comerciais menores estão as células de combustível de óxido sólido (SOFC).

Danielle Ramaley, vice-presidente de vendas e marketing da Watt Fuel Cell, fabricante de SOFCs sediada em Mount Pleasant, Pensilvânia, disse que a maneira mais fácil de descrever uma SOFC é pensar em uma bateria.

É o mesmo tipo de dispositivo eletroquímico, onde você tem um ânodo, um cátodo [e] um eletrólito. Mas, em vez de apenas armazenar energia, uma SOFC pode gerar energia, desde que haja uma fonte de combustível.

Ela disse que uma SOFC converte quimicamente combustível — principalmente gás natural — em eletricidade CC.

“É tudo catalítico — sem combustão”, disse Ramaley, acrescentando que os benefícios incluem ruído muito baixo “porque você não tem o equipamento rotativo de um processo tradicional baseado em combustão” e emissões significativamente reduzidas.

“Sem NOx (óxidos de nitrogênio), sem SOx (óxidos de enxofre), sem partículas”, disse ela.

Fontes de Combustível Gasoso

Embora as SOFCs de Watt usem principalmente gás natural, Ramaley disse que elas também podem usar propano.

“Em alguns dos nossos projetos, podemos usar hidrogênio misturado em qualquer um desses combustíveis, até cerca de 20% de hidrogênio misturado”, disse Ramaley. “Mas o foco da Watt tem sido em combustíveis prontamente disponíveis, comercialmente disponíveis e fáceis de adquirir.”

Ela acrescentou que muitas aplicações remotas são baseadas em propano, assim como aplicações em veículos recreacionais. Quando usado em aplicações residenciais, o combustível preferido tende a ser o gás natural, disse Ramaley.

Aplicações em pequena escala

“Eu diria que, de uma perspectiva de mercado, a Watt está focada em energia de pequena escala, e realmente nos aplicamos a três mercados diferentes”, disse Ramaley.

Dois deles são energia residencial, que pode ser primária ou de reserva, e aplicações recreativas, como em veículos recreativos (RV). O terceiro mercado são aplicações de energia remota, nas quais as SOFCs da Watt normalmente trabalham em conjunto com outras tecnologias de geração e armazenamento de energia, incluindo baterias, disse Ramaley.

O Watt Nomad SOFC foi projetado para o mercado de veículos recreacionais (RV), um dos principais mercados da Watt Fuel Cell. (Foto: Watt Fuel Cell)

“Nós realmente formamos um ótimo sistema energético que é muito aplicável àqueles tipos de aplicações que são, tipo, 'Estou no meio do nada e preciso de energia confiável, resiliente e limpa'”, disse ela. “Quando você combina energia solar com uma bateria e uma célula de combustível [de óxido sólido], quando não há energia solar em operação, você tem a célula de combustível sempre lá, capaz de ciclar e operar conforme necessário.”

Ramaley disse que outras aplicações incluem a proteção de equipamentos remotos, como cabeças de poços de petróleo e gás, bem como alguns usos mais exclusivos da tecnologia.

“Quando penso em algumas das aplicações industriais e comerciais em que estamos nos concentrando com nossos parceiros revendedores, elas são coisas como segurança e vigilância remotas”, disse ela. “Temos um cliente que se concentra em coisas como software de reconhecimento facial. Eles têm um contrato para a Amber Alerts — pessoas desaparecidas.”

Tecnologia Única

Ramaley disse que a tecnologia SOFC de Watt é única em comparação às tecnologias concorrentes, que ela descreveu como SOFCs “planares”.

“As células de combustível têm aproximadamente o tamanho de uma montanha-russa, ou de um post-it”, disse ela sobre as células de combustível planas. “Essas células de combustível são empilhadas em uma série de pilhas, como um baralho de cartas. Nossas células de combustível são microtubulares, então têm aproximadamente o tamanho de uma caneta. Elas são organizadas em uma pilha de células juntas.”

De acordo com Ramaley, essa geometria e configuração tubular tornam os SOFCs da Watts particularmente adequados para ciclos térmicos e acompanhamento de carga, além de poderem ligar e desligar diversas vezes.

“Tradicionalmente, a tecnologia SOFC planar não gosta de ser ligada e desligada”, disse ela. “Ela gosta de estar ligada e operando com uma potência de saída consistente. Mas as células de combustível microtubulares se saem muito bem com essa ciclagem, e nossa tecnologia é construída em torno dessa ciclagem. Portanto, voltadas para aplicações comerciais e industriais ou aplicações remotas de energia, somos uma tecnologia excelente para essa necessidade de ciclagem.”

Uma pequena pegada

Ao contrário dos geradores tradicionais, mesmo muitos portáteis, os SOFCs da Watt cabem literalmente em uma bancada.

“Nossa unidade tem aproximadamente o tamanho de um micro-ondas doméstico que você colocaria sobre o balcão”, disse Ramaley. “É relativamente pequena — cerca de pouco mais de 60 cm, depois 60 cm de largura e, por fim, pouco mais de 30 cm em cada sentido.”

Ela acrescentou que a pegada permanece a mesma, independentemente da potência de saída. "Temos um sistema de cerca de 500 watts e um sistema de 1,5 kW."

Ramaley disse que a potência média de saída para uso residencial nos EUA é de cerca de 1,2 kW, o que pode atender consistentemente à carga básica média de uma casa quando combinada com armazenamento de energia.

“Você consegue então cobrir seus picos e ter energia de reserva limpa sempre que precisar, basicamente”, disse ela.

Consumo de combustível reduzido, manutenção

Ramaley disse que as SOFCs usadas como reserva para um sistema solar que, de outra forma, dependeria de um gerador tradicional para energia de reserva podem oferecer economia de combustível de 60 a 90 por cento.

“Em alguns casos, a célula de combustível pode ficar parada por dias e dias”, disse ela. “Em outros casos, ela pode ficar em ciclos diários, como no inverno. Portanto, ter uma fonte de energia capaz de reduzir o consumo de combustível em 60 a 90% em relação aos produtos à base de combustão realmente permite que esses locais remotos tenham menos manutenção em campo.”

Reduzindo ainda mais a manutenção, além da ausência de peças móveis, está a capacidade de monitorar o SOFC por meio de qualquer conexão de internet.

“Então, quando essas são aplicações realmente remotas, nas quais você precisa enviar uma equipe de serviço de campo para um cenário no meio do nada, você consegue monitorar a operação da célula de combustível remotamente, desde que tenha acesso à internet, e ver o que está acontecendo em tempo real com seus níveis de armazenamento de energia, seus níveis de bateria, estado de carga, quanta energia solar você está produzindo, bem como está o ciclo da célula de combustível.”

Modular e Escalável

Para aplicações maiores ou que ocasionalmente exijam mais energia do que uma única unidade pode fornecer, Ramaley disse que as células de combustível são modulares e escaláveis.

“Usamos a comunicação CAN para interligar nossas unidades”, disse ela. “Podemos interligar cerca de 10 unidades, e elas podem se comunicar de forma inteligente. Assim, se você não precisar de um grande consumo de energia por um período, eles alternarão inteligentemente entre as unidades, alternando a primeira, depois a segunda e a terceira. Mas se você precisar de várias unidades alternando simultaneamente, eles também conseguem fazer isso.”

Watt aplica tecnologia de impressão 3D para produzir SOFCs

A Watt Fuel Cell se orgulha de usar a manufatura 3D na produção de suas células de combustível de óxido sólido (SOFC).

“Essa é a fama da Watt”, disse Danielle Ramaley, vice-presidente de vendas e marketing da Watt Fuel Cell, “e grande parte da nossa tecnologia proprietária se baseia na maneira como fabricamos nossas células de combustível tubulares”.

Um robô automatizado usado no processo de impressão 3D da Watt. (Foto: Watt Fuel Cell)

Ramaley disse que células de combustível tubulares como as que Watt fabrica são produzidas por meio de um processo de extrusão.

"É como fazer um pedaço de rigatoni", disse ela, referindo-se ao tipo de macarrão. "Você está fazendo uma pasta. Você a extrai e, em seguida, passa por vários processos de camadas, camadas de eletrólito e cátodo. É um processo muito iterativo e longo."

Com esse processo de extrusão, leva cerca de 200 horas para fazer uma célula de combustível tubular, disse Ramaley.

“Watt concentrou o desenvolvimento da tecnologia em torná-la econômica e viável em escala”, disse ela. “Por isso, focamos desde o início na impressão 3D. E agora reduzimos um processo que tradicionalmente leva cerca de 200 horas para quatro minutos.”

Além da redução significativa no tempo de fabricação, Ramaley disse que outro benefício da tecnologia de impressão 3D da Watt é o nível de detalhes que ela oferece.

“Na verdade, estamos imprimindo em nível micrométrico, ou seja, em cerca de metade do tamanho de um fio de cabelo humano”, disse ela. “Isso nos permite controlar não apenas a qualidade das nossas células de combustível, mas também a maneira como elas são impressas e construídas.”

Ramaley disse que isso permite que Watt projete seus SOFCs para maximizar a eficiência devido ao alto nível de detalhes — algo que não é possível com extrusão.

Processo de fabricação da Watt versus o processo de extrusão tradicional. (Imagem: Watt Fuel Cell)

“Nossa sede fica em Mount Pleasant, Pensilvânia, nos arredores de Pittsburgh, e acabamos de passar por uma grande expansão”, disse Ramaley. “O foco dessa expansão foi ampliar nossa capacidade de impressão 3D. Agora, temos capacidade para produzir entre 1.500 e 2.000 unidades por ano.”

Watt pode usar sua capacidade de impressão 3D para fabricar SOFCs 24 horas por dia.

“Usamos múltiplos processos de impressão com um braço robótico e inspeção visual de CQ (controle de qualidade) computadorizada robótica”, disse Ramaley. “Conseguimos eliminar o elemento humano até certo ponto desse processo de produção, o que nos proporciona um alto nível de qualidade e repetibilidade para produzir células de combustível tubulares de altíssima qualidade.”

A Generac adquire participação acionária na empresa de células de combustível Watt Fuel Cell Corp., especializada em células de combustível de óxido sólido para aplicações residenciais e outras