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An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Geração de energia elétrica distribuida a partir de célula a combustível

 

 

Gerhard EttI; Gilberto JanólioI; Volkmar EttI; Angelo Massatoshi EbesuiI; Giuseppe VulcanoI; Marcelo Schunn Diniz JunqueiraII

IElectrocell Indústria e Comércio Ltda, 05508-900 - São Paulo /S.P. tel.: 111-3039-8300 - Fax: 11-3812-7093
IIEconergy Brasil Ltda, 04552-000 - São Paulo-SP tel: (11) 3017-5174 email: junqueira@eic-br.com

 

 

RESUMO

A crise energética que o Brasil enfrentou e certamente enfrentará em futuro próximo o obrigou a desenvolver rapidamente outras fontes de energia e com menor impacto ambiental, devido às novas leis ambientais. O petróleo (hidrocarbonetos) é um recurso não renovável mas largamente utilizado como fonte de energia. Estima-se que suas reservas conhecidas e comercialmente exploráveis durem em torno de 50 anos. Com a redução das reservas, os preços em futuro próximo atingirão valores impraticáveis para sua aplicação como combustível. Uma outra forma de produzir energia distribuída, sem necessidade adicional de rede elétrica, seria através de célula a combustível. Além da geração de energia produz água pura e emite calor aproveitável para aquecer água. As grandes vantagens desta tecnologia são a ausência de emissão de poluentes e sua alta eficiência. Estes aspectos garantem um lugar de destaque no planejamento econômico / ecológico da matriz energética nacional. O combustível da célula é o hidrogênio que pode ser obtido por reforma de hidrocarbonetos renováveis (álcoois, biomassa) ou não (gás natural). Pode ser produzido por eletrólise de água com armazenagem temporária ou - no futuro - por processos biológicos. A armazenagem permite cobrir períodos sem vento, sol ou picos de demanda de outros sistemas de geração.

Palavras Chaves: Célula a Combustível, Energia distribuída, Energia limpa, hidrogênio, etanol e álcool

ABSTRACT

Brazil's energy shortage, both past and of the near future, has forced the development of alternative energy sources. The environmental impact now is an essential issue, for economic and legislative reason as well as for pubic image.
Fossil hydrocarbons - petroleum - still bear the largest part of the world's energy supply. Being a non-renewable resource, it is expect that in, perhaps, 50 year prices will be prohibitive for the production of electrical energy.
Hydrogen will certainly represent an important position in our energy matrix. It can be produced from any type of water by biological or other processes and will produce nothing, but pure water. Hydrogen can also be produced from bio- or natural gas, methanol, ethanol, or LPG.
Fuel cells are electrochemical equipment, not subject to the efficiency limitations of normal thermal engines (Carnot cycle). Proton exchange membrane (PEM) cells can transform about 50 to 60% of contained chemical energy directly into electrical energy; the rest is heat, which can be used in many well-known ways.
Temporary storage of hydrogen in the form of metal hydrides, traditional high pressure cylinders or other, allows to cover hours of peak demand, without wind or light. Fuel cells are a valuable complement, not substitute, to hydroelectric power plants and other generating systems.

 

 

Introdução

A Energia é um fator essencial para o desenvolvimento: o homem moderno em todas suas atividades hoje utiliza cerca de 100 vezes mais energia que o homem primitivo, ainda assim, o consumo equivalente per capta varia de 1,7 MWh por ano (Brasil) a 18 MWh (EUA). O corpo humano consome cerca de 0,8 MWh/ano porém cerca de 2 bilhões de pessoas ainda queimam lenha a taxa absurda de 25 MWh/ano/pessoa para se proteger do frio e aquecer as refeições. A simples introdução do uso dos animais de tração na antigüidade revolucionou a agricultura aumentando a potência do homem em 5 vezes. O uso da máquina a vapor deu origem a revolução industrial e o uso dos veículos a motor reduziu o tempo gasto na locomoção e expandiu extraordinariamente a possibilidade de transportar produtos aos centros de consumo.

 

Crise energética

Existe uma estreita relação entre o consumo de energia e desenvolvimento que envolve considerações econômicas complexas, devido ao seu alto investimento de instalação com um retorno financeiro ao longo prazo. Para usinas hidroelétricas de grande porte o tempo de retorno estimado é dez anos, já para as PCH, este tempo se reduz para 3 anos.

O aumento da produção de energia deve-se antecipar ao PIB: em 2001 o crescimento esperado seria de 4,5%, porém foi somente de 1,5%. A diferença de 3%, foi consequência do efeito da crise na Argentina (1%), crises políticas internacionais (1%) e racionamento (1%). [3]

A elasticidade-renda do consumo de energia para a década de 90 foi de 1,6 o que significa que para cada 1% de aumento de renda o país necessitou de 1,6% de aumento de oferta de energia. Mesmo considerando que esta elasticidade vem diminuindo, no ano 2000 o crescimento do PIB de 4,5% propiciou um aumento de 5% no consumo energético. O setor industrial que alavanca o crescimento é o que mais solicita energia. As indústrias são responsáveis por 43% do consumo total do Brasil, enquanto o comércio responde por 15% e o gasto residencial é de 28%. A título de noção de grandeza, na década de 70 havia no país 8,1 milhões de consumidores de energia elétrica, no ano 2000 este número saltou para 47,3 milhões. [5]

Há ainda uma variedade de problemas políticos envolvidos na produção e uso da energia devido ao fato que combustíveis fósseis não estão distribuídos uniformemente sobre a Terra, o que dificulta a rede de distribuição. Hoje no Brasil, cuja capacidade instalada é de 67GW, 5% da população não dispõe de energia elétrica, 80 mil escolas não tem luz [2] e falta de uma política energética. Já se menciona um pequeno racionamento no início de 2003.

 

Fontes energéticas

O petróleo (hidrocarbonetos) por ser um recurso não renovável, irá diminuir; com o aumento do consumo energético, estima-se que a curto prazo haverá falta de energia elétrica. Uma outra forma de produzir energia elétrica em lugares remotos onde não possuem rede elétrica, seria inicialmente através de células foto-voltaícas, energia eólica, pequenas centrais elétricas (PCH's), ondas do mar e uma infinidade de outras fontes não constantes; esta energia obtida e aplicada em eletrolizadores; produz hidrogênio de alta pureza, que uma vez armazenado, poderá ser convertido outra vez em energia elétrica através das células a combustível de forma constante e a longo prazo.

Utilizando-se hidrogênio como fonte de energia em célula a combustível, a única emissão será a água (pura); sem produção de poluentes. Considera-se que o hidrogênio deva ser produzido a partir do gás natural; eventualmente da hidro-energia, água salobra, do álcool fermentado ou outros tipos de energia regenerativa.

 

Leis ambientais

O grande incentivo das células a combustível hoje é devido a exigências das leis ambientais de alguns estados do Estados Unidos. Nova York em 1997 se tornou o pioneiro na exigência de carros de emissão zero de poluentes. Devido a uma decisão do juiz federal Lawrence Kahn, as autoridades estaduais poderiam exigir em 1998 que 2% dos veículos comercializados seriam movidos exclusivamente a energia elétrica. Em 2003 a cota seria de 10%. Neste sentido, a Shell Oil Co., subsidiária Norte Americana da Royal Dutch/Shell Group, tornou-se a última companhia petrolífera a optar pelo etanol em substituição ao MTBE na gasolina a ser comercializada no estado da Califórnia a partir do ano de 2003. Esta decisão anunciada no dia 13 de Junho de 2002 foi acompanhada com empenho pelas autoridades locais, já que o estado da Califórnia faz parte do conjunto de estados do meio-oeste americano interessados no uso do álcool combustível como forma de combustível limpo.

No campo da eletricidade, apesar da pouca cooperação entre senado, congresso e poder executivo dos Estados Unidos, uma revisão geral na legislação energética inclui a sugestão, atingir um total de 10% de geração elétrica com fontes renováveis para o ano de 2020. Isto sem dúvida gera oportunidades para o Brasil.

 

Protocolo de Kyoto

Convenção Quadro sobre Mudança Climática (do inglês UNFCCC), assinada em 1992 na EcoRio 92 e o Protocolo de Kyoto, incluso nesta; estabelece que as nações industrializadas (OCDE, mais países com economia em transição para mercado, ou sejam os chamados Países do Anexo I) deverão reduzir suas emissões de gases de efeito estufa em média 5,2% com relação a emissão inventariada no ano de 1990. Isto deve ocorrer no primeiro período de comprometimento, ou seja, de 2008 até 2012.

 Como forma de facilitar os Países do Anexo I a atingirem suas metas e ainda auxiliar o desenvolvimento sustentado das nações não constantes do Anexo I, foram criados mecanismos de flexibilização no Protocolo de Kyoto. Dentre estes mecanismos, o Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (do inglês CDM) possibilita a geração de créditos de redução de emissão de gases de efeito estufa em projetos implementados em outros países. Desta forma, a comercialização deste créditos possibilitará um recurso adicional ao desenvolvedor do projeto no país Não-Anexo I, ao mesmo tempo que irá possibilitar o comprador do crédito atingir sua meta de redução de emissão de gás de efeito estufa de forma economicamente vantajosa em comparação a uma redução de emissão feita internamente no país Anexo I.

Sendo este mercado de créditos de carbono um mercado convencional, suas bases estão sendo negociadas entre os países que ratificaram a Convenção Quadro sobre Mudança Climática. Portanto sua entrada em funcionamento depende de requisitos pré-estabelecidos.

 

Energia distribuída

Os sistemas de geração de energia elétrica através de células a combustível podem ser divididos basicamente em dois tipos: sistemas isolados (fig 1) no qual um ou vários pequenos consumidores estão conectados ao inversor do sistema de células a combustível. Este tipo de configuração seria aplicado em regiões muito distantes de redes elétricas.

 

 

O segundo tipo de sistema ( fig. 2) é paralelável a rede elétrica local. Esta configuração é importante porque o excedente de energia produzido pode ser despachado ao sistema elétrico de distribuição aliviando-o no horário de ponta, bem como produzindo energia 24 hs/dia, aumentado o nível de confiabilidade do sistema elétrico a ele conectado.

 

 

Células a combustível

O início da pesquisas células a combustível (CC) ocorreu há mais de 100 anos atrás, mas com o grande desenvolvimento na área de novos materiais dos últimos 15 anos, esta tecnologia, associada à crescente exigência de baixo impacto ambiental, tornou-se bastante promissora no cenário mundial de energia. Representam, já a médio prazo, uma alternativa para motores a combustão (unidades móveis), e geradores de energia de médio porte (100kW) até plantas de alguns MW de potência (unidades estacionárias).

A célula a combustível é apontada atualmente como a mais provável tecnologia para se produzir carros de baixa emissão de poluentes. Ela consiste em dar tratamento químico (reforma) a combustíveis tradicionais ou alternativos líquidos ou gasosos de forma a obter hidrogênio. Associado ao oxigênio por um processo eletroquímico, a célula a combustível vai gerar energia elétrica para mover o carro. Com esse método um litro de gasolina pode gerar o dobro da energia obtida pelos atuais carros.

 

Principio de funcionamento:

As Células a Combustível são, em princípio baterias (pilhas) químicas, ou seja, dispositivos que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica, possuindo, entretanto, uma operação contínua graças à alimentação constante de um combustível. Esta conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado, ou seja, a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo, com o auxílio de catalisadores especialmente desenvolvidos, indicadas nas reações (1), (2) e (3):

Escolhendo-se, por exemplo, hidrogênio como combustível e oxigênio como oxidante, tem-se na denominada célula ácida, a formação de água e produção de calor, além da liberação de elétrons livres, que podem gerar trabalho elétrico. Um esquema simplificado de uma CC ácida é apresentado na figura (3).

 

 

Os prótons produzidos na reação anódica são conduzidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se ligam aos ânions O2-, formando água. Diferentemente dos motores a combustão, que têm sua eficiência máxima teórica limitada pelo ciclo de Carnot, a eficiência teórica das CC é dada pelo quociente entre a energia livre de reação ΔGr e a entalpia da reação ΔHr segundo a equação (4).

A eficiência dada pela equação (4) tem uma fraca dependência da temperatura, quando comparada à eficiência dada pelo ciclo de Carnot. Assim sendo, as CC possibilitam a obtenção de altas eficiências, ou seja, um melhor aproveitamento do combustível, mesmo e especialmente a baixas temperaturas.

Na prática, obtêm-se eficiências de 55 a 60% para o sistema de CC global. Entretanto, deve-se salientar que instalações modernas de grande porte, com turbinas a gás otimizadas, também já atingem valores de eficiência de 53 %. Assim, tem-se que a eficiência, isoladamente, não é a principal vantagem de sistemas de geração de energia com CC, mas sim, o seu inerente fator ecológico, com baixíssima geração de poluentes, além de serem silenciosas, compactas e de fácil manutenção.

Por estas razões, vislumbra-se um mercado para sistemas de CC para geração de energia, com aplicações localizadas de até alguns MW de potência, como, por ex., em hospitais, condomínios residenciais, repartições públicas e outros. As vantagens das CC aumentam para a geração de energia móvel. Células de baixa temperatura e alta eficiência, silenciosas, pode-se imaginar tráfego intenso sem ruído dos motores e sem gases de escapamentos.

A eficiência na conversão de energia das células a combustível, estacionária ou móvel é de 60%, ou seja, duas a três vezes a dos motores convencionais de combustão interna. Além disso o único produto da reação decorrente é o vapor de água; que poderá ser reutilizado na co-geração de energia. Não há emissões poluentes de CO, NOx, CO2, hidrocarbonetos ou fuligem.

 

Tipos de Células a combustíveis

Existem vários tipos de CC, classificadas segundo o tipo de eletrólito que utilizam e, consequentemente, sua temperatura de operação. A tabela (1) relaciona os tipos de CC desenvolvidos até o presente com suas características principais, vantagens e desvantagens atuais e suas aplicações mais relevantes.

 

 

Os vários tipos de CC existentes, classificados segundo a sua temperatura de operação, envolvem materiais constituintes distintos e técnicas de construção diversas.

Células que utilizam o metanol direto como combustível já existem mas com baixo rendimento. Porém, quando se utiliza combustível como gás natural, metanol, etanol, biogás, etc., estes são submetidos a passagem por um reformador à vapor obtendo-se o hidrogênio que é injetado na célula.

 

Vantagens de aplicação das células

"Célula a combustível: emissão ZERO de poluentes e ruído, gera unicamente água potável, calor e eletricidade."

 

Viabilidades energéticas

O estudo e desenvolvimento de CC associa outras áreas de conhecimento, como, por exemplo, a produção de hidrogênio (combustível da CC) a partir da reforma de outros combustíveis (fósseis, de biomassa, etc.), incluindo-se aí o etanol, estratégico para o Brasil. Além disso, considera-se a produção de hidrogênio também via eletrólise da água, que pode ser efetuada tanto por processo fotovoltáico, ou até mesmo aproveitando-se a energia térmica gerada no núcleo de reatores nucleares.

 

Estado da arte da reforma do álcool

A reforma de etanol já é viável dos pontos de vista técnico e comercial, mas ainda não foram determinados os parâmetros que permitem o melhor rendimento. Certamente a isto contribui, ser o Brasil o único país do mundo com uma sólida infra-estrutura para a produção e distribuição de álcool combustível. Existem, não obstante, numerosas patentes cobrindo reformadores para vários combustíveis, incluindo o etanol.

Os reformadores auto-térmicos produzem o calor necessário - a temperatura de operação é de 500 a 800ºC - pela queima de parte do combustível. Efetivamente, a reforma, se processa em dois estágios: no primeiro, endotérmico, o hidrocarboneto, é dissociado e reage com vapor água. A proporção de vapor deve ser de ca 2 a 4 moles para cada mol de carbono para formar hidrogênio, monóxido e dióxido de carbono. O hidrogênio neste estágio pode ser removido através de um diafragma de paládio ou liga de paládio. A proporção de hidrogênio depende da temperatura e do catalizador. O gás que sobra pode ser queimado ou submetido ao segundo estágio,a reação "shift" ( de substituição), fracamente exotérmica, (CO+H2O→CO2+H2). A formação paralela de metano (CO+6H→CH4+H2O) já pode ser minimizada a valores toleráveis. A proporção de H2/CO da primeira reação e a necessidade de calor determinará a necessidade do segundo estágio: se para etanol e metano pode ser suprimido, parece importante mantê-lo para outros combustíveis líquidos ou GLP. Usando técnicas conhecidas da engenharia química.(condução dos gases em contrafluxo, isolamento térmico, trocadores de calor, aproveitamento do calor gerada na célula e injeção de gás pobre no queimador), é possível obter níveis de rendimento energético excelentes.

Metanol é um combustível líquido, que pode ser usado diretamente em células a combustível, porém, devido a sua alta toxidez, provavelmente será restrito a instalações industriais ou a cartuchos de pequeno porte, que impedem acidentes. A possibilidade de fabricar metanol a partir de resíduos da fabricação de celulose, palha, bagaço de cana, sem necessidade de evaporar quantidades relativamente grandes de água, devem tornar o metanol uma parte importante do sistema energético do Brasil. Sistemas de fermentação de alto rendimento já se encontram em desenvolvimento. Com se necessita cerca 50% d água no combustível, a destilação talvez possa ser substituída por outros processos de separação, como a osmose, menos onerosos.

Metano, tanto de origem fóssil como de processos biológicos de fermentação (bio-gás), é uma fonte de energia importante, que pode ser usado em células de combustível. Mesmo usando reformador, a eficiência de aproveitamento é o dobro de, por exemplo, um motor de combustão interna ou caldeiras.As pequenas quantidades de gases sulfurosos encontradas no gás natural são absorvidas em cartuchos recicláveis, não havendo assim emissão de quaisquer poluentes.Não existe a possibilidade de formação de gases nitrosos.

 

Propriedades

 

 

 

 

Segurança

Conforme a tabela 2, nota-se que o hidrogênio é bem mais leve que o ar , além de formar as menores moléculas de todos os gases. Isto assegura rápida difusão para níveis inofensivos ao contrário de outros gases combustíveis. Mesmo assim devem ser usadas todas as medidas de segurança cabíveis, como sensores e alarme de vazamento, ventilação ampla, natural e forçada, exaustores em recintos fechados e construção adequada do equipamento. Onde viável, distância contínua a melhor proteção.

 

Conclusões

Combustíveis proveniente da biomassa são renováveis. A célula a combustível é um equipamento de conversão de energia de alta eficiência. Como o mundo caminha para sérios problemas ambientais e combustíveis fósseis terão preços proibitivos para a produção de energia em poucoas dezenas de anos, a sociedade e órgãos governamentais devem se sensibilizar com o desenvolvimento tecnológico destas propostas, que são amplamente aceitas na comunidade científica. Por enquanto o custo ainda é alto, com a introdução de produção em escala os custos serão competitivos com o mercado, até mesmo na área automobilística, onde além do custo por kW instalado também o volume e peso são críticos.

 

Agradecimentos

FAPESP, CNPq e FINEP pelo auxílio financeiro nos desenvolvimento e capacitação técnica de pessoal.

 

Referências

[1] "The Economist Diary"; The Economist Newspaper Limited, Macdermott&Chant Group, United Kingdom, Oxford, p. 119, 1998

[2] Luciana Brafman, Jornal do Brasil, p. E3, 15 de abril de 2001.

[3] Congresso Brasileiro de Energia, - Ilumina, 2002

[4] Gilberto de Martino Jannuzzi "Políticas Publicas para a eficiência e Energia Renovável no novo conceito de Mercado" Ed.Autores Associados, 1999

[5] COMITÊ COORDENADOR DO PLANEJAMENTO DE EXPANSÃO DOS SISTEMAS ELÉTRICOS. Plano Decenal de Expansão 2001/2010; endereço eletrônico: http://www.ccpe.gov.br/index.asp

 
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