GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DISTRIBUIDA A PARTIR DECÉLULA A COMBUSTÍVEL

Gerhard Ett, Gilberto Janólio, Volkmar Ett, Angelo Massatoshi Ebesui e Giuseppe VulcanoElectrocell Indústria e Comércio Ltda

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Marcelo Schunn Diniz JunqueiraEconergy Brasil Ltda

04552-000 – São Paulo-SP tel: (11) 3017-5174 email: junqueira@eic-br.com

ResumoA crise energética que o Brasil enfrentou e certamenteenfrentará em futuro próximo o obrigou a desenvolverrapidamente outras fontes de energia e com menorimpacto ambiental, devido às novas leis ambientais. Opetróleo (hidrocarbonetos) é um recurso não renovávelmas largamente utilizado como fonte de energia.Estima-se que suas reservas conhecidas ecomercialmente exploráveis durem em torno de 50anos. Com a redução das reservas, os preços em futuropróximo atingirão valores impraticáveis para suaaplicação como combustível. Uma outra forma deproduzir energia distribuída, sem necessidadeadicional de rede elétrica, seria através de célula acombustível. Além da geração de energia produz águapura e emite calor aproveitável para aquecer água. Asgrandes vantagens desta tecnologia são a ausência deemissão de poluentes e sua alta eficiência. Estesaspectos garantem um lugar de destaque noplanejamento econômico / ecológico da matrizenergética nacional. O combustível da célula é ohidrogênio que pode ser obtido por reforma dehidrocarbonetos renováveis (álcoois, biomassa) ou não(gás natural). Pode ser produzido por eletrólise de águacom armazenagem temporária ou – no futuro - porprocessos biológicos. A armazenagem permite cobrirperíodos sem vento, sol ou picos de demanda de outrossistemas de geração.

Abstract

Brazil’s energy shortage, both past and of the nearfuture, has forced the development of alternativeenergy sources. The environmental impact now is anessential issue, for economic and legislative reason aswell as for pubic image.Fossil hydrocarbons – petroleum – still bear the largestpart of the world’s energy supply. Being a non-renewable resource, it is expect that in, perhaps, 50year prices will be prohibitive for the production ofelectrical energy.Hydrogen will certainly represent an importantposition in our energy matrix. It can be produced fromany type of water by biological or other processes andwill produce nothing, but pure water. Hydrogen canalso be produced from bio- or natural gas, methanol,ethanol, or LPG.Fuel cells are electrochemical equipment, not subjectto the efficiency limitations of normal thermal engines(Carnot cycle). Proton exchange membrane (PEM)cells can transform about 50 to 60% of containedchemical energy directly into electrical energy; the restis heat, which can be used in many well-known ways.Temporary storage of hydrogen in the form of metalhydrides, traditional high pressure cylinders or other,allows to cover hours of peak demand, without windor light. Fuel cells are a valuable complement, notsubstitute, to hydroelectric power plants and othergenerating systems.

IntroduçãoA Energia é um fator essencial para odesenvolvimento: o homem moderno em todas suasatividades hoje utiliza cerca de 100 vezes mais energiaque o homem primitivo, ainda assim, o consumoequivalente per capta varia de 1,7 MWh por ano(Brasil) a 18 MWh (EUA). O corpo humano consomecerca de 0,8 MWh/ano porém cerca de 2 bilhões depessoas ainda queimam lenha a taxa absurda de 25MWh/ano/pessoa para se proteger do frio e aquecer asrefeições. A simples introdução do uso dos animais detração na antigüidade revolucionou a agriculturaaumentando a potência do homem em 5 vezes. O usoda máquina a vapor deu origem a revolução industriale o uso dos veículos a motor reduziu o tempo gasto nalocomoção e expandiu extraordinariamente apossibilidade de transportar produtos aos centros deconsumo.

Crise energéticaExiste uma estreita relação entre o consumo de energiae desenvolvimento que envolve consideraçõeseconômicas complexas, devido ao seu altoinvestimento de instalação com um retorno financeiroao longo prazo. Para usinas hidroelétricas de grandeporte o tempo de retorno estimado é dez anos, já paraas PCH, este tempo se reduz para 3 anos.O aumento da produção de energia deve-se anteciparao PIB: em 2001 o crescimento esperado seria de4,5%, 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 adécada de 90 foi de 1,6 o que significa que para cada1% de aumento de renda o país necessitou de 1,6% deaumento de oferta de energia. Mesmo considerandoque esta elasticidade vem diminuindo, no ano 2000 ocrescimento do PIB de 4,5% propiciou um aumento de5% no consumo energético. O setor industrial quealavanca o crescimento é o que mais solicita energia.As indústrias são responsáveis por 43% do consumototal do Brasil, enquanto o comércio responde por 15%e o gasto residencial é de 28%. A título de noção degrandeza, na década de 70 havia no país 8,1 milhõesde consumidores de energia elétrica, no ano 2000 estenúmero saltou para 47,3 milhões. [5]Há ainda uma variedade de problemas políticosenvolvidos na produção e uso da energia devido aofato que combustíveis fósseis não estão distribuídosuniformemente sobre a Terra, o que dificulta a rede dedistribuição. Hoje no Brasil, cuja capacidade instaladaé de 67GW, 5% da população não dispõe de energiaelétrica, 80 mil escolas não tem luz [2] e falta de umapolítica energética. Já se menciona um pequenoracionamento no início de 2003.

Fontes energéticasO petróleo (hidrocarbonetos) por ser um recurso nãorenovável, irá diminuir; com o aumento do consumoenergético, estima-se que a curto prazo haverá falta deenergia elétrica. Uma outra forma de produzir energiaelétrica em lugares remotos onde não possuem redeelétrica, seria inicialmente através de células foto-voltaícas, energia eólica, pequenas centrais elétricas(PCH’s), ondas do mar e uma infinidade de outrasfontes não constantes; esta energia obtida e aplicadaem eletrolizadores; produz hidrogênio de alta pureza,que uma vez armazenado, poderá ser convertido outravez em energia elétrica através das células acombustível de forma constante e a longo prazo.Utilizando-se hidrogênio como fonte de energia emcélula a combustível, a única emissão será a água(pura); sem produção de poluentes. Considera-se que ohidrogênio deva ser produzido a partir do gás natural;eventualmente da hidro-energia, água salobra, doálcool fermentado ou outros tipos de energiaregenerativa.

Leis ambientaisO grande incentivo das células a combustível hoje édevido a exigências das leis ambientais de algunsestados do Estados Unidos. Nova York em 1997 setornou o pioneiro na exigência de carros de emissãozero de poluentes. Devido a uma decisão do juizfederal Lawrence Kahn, as autoridades estaduaispoderiam exigir em 1998 que 2% dos veículoscomercializados seriam movidos exclusivamente aenergia elétrica. Em 2003 a cota seria de 10%. Nestesentido, a Shell Oil Co., subsidiária Norte Americanada Royal Dutch/Shell Group, tornou-se a últimacompanhia petrolífera a optar pelo etanol emsubstituição ao MTBE na gasolina a sercomercializada no estado da Califórnia a partir do anode 2003. Esta decisão anunciada no dia 13 de Junho de2002 foi acompanhada com empenho pelasautoridades locais, já que o estado da Califórnia fazparte do conjunto de estados do meio-oeste americanointeressados no uso do álcool combustível como formade combustível limpo.No campo da eletricidade, apesar da pouca cooperaçãoentre senado, congresso e poder executivo dos EstadosUnidos, uma revisão geral na legislação energéticainclui a sugestão, atingir um total de 10% de geraçãoelétrica com fontes renováveis para o ano de 2020. Istosem dúvida gera oportunidades para o Brasil.

Protocolo de KyotoConvenção Quadro sobre Mudança Climática (doinglês UNFCCC), assinada em 1992 na EcoRio 92 eo Protocolo de Kyoto, incluso nesta; estabelece que asnações industrializadas (OCDE, mais países comeconomia em transição para mercado, ou sejam os

chamados Países do Anexo I) deverão reduzir suasemissões de gases de efeito estufa em média 5,2% comrelação a emissão inventariada no ano de 1990. Istodeve ocorrer no primeiro período decomprometimento, ou seja, de 2008 até 2012. Como forma de facilitar os Países do Anexo I aatingirem suas metas e ainda auxiliar odesenvolvimento sustentado das nações não constantesdo Anexo I, foram criados mecanismos deflexibilização no Protocolo de Kyoto. Dentre estesmecanismos, o Mecanismo de DesenvolvimentoLimpo (do inglês CDM) possibilita a geração decréditos de redução de emissão de gases de efeitoestufa em projetos implementados em outros países.Desta forma, a comercialização deste créditospossibilitará um recurso adicional ao desenvolvedor doprojeto no país Não-Anexo I, ao mesmo tempo que irápossibilitar o comprador do crédito atingir sua meta deredução de emissão de gás de efeito estufa de formaeconomicamente vantajosa em comparação a umaredução de emissão feita internamente no país Anexo I.Sendo este mercado de créditos de carbono ummercado convencional, suas bases estão sendonegociadas entre os países que ratificaram aConvenção Quadro sobre Mudança Climática.Portanto sua entrada em funcionamento depende derequisitos pré-estabelecidos.

Energia distribuídaOs sistemas de geração de energia elétrica através decélulas a combustível podem ser divididosbasicamente em dois tipos: sistemas isolados (fig 1) noqual um ou vários pequenos consumidores estãoconectados ao inversor do sistema de células acombustível. Este tipo de configuração seria aplicadoem regiões muito distantes de redes elétricas.O segundo tipo de sistema ( fig. 2) é paralelável a redeelétrica local. Esta configuração é importante porque oexcedente de energia produzido pode ser despachadoao sistema elétrico de distribuição aliviando-o nohorário de ponta, bem como produzindo energia 24hs/dia, aumentado o nível de confiabilidade do sistemaelétrico a ele conectado.

Fig 1- Sistema isolado

Fig 2- Sistema paralelável a rede elétrica.

Células a combustívelO início da pesquisas células a combustível (CC)ocorreu há mais de 100 anos atrás, mas com o grandedesenvolvimento na área de novos materiais dosúltimos 15 anos, esta tecnologia, associada à crescenteexigência de baixo impacto ambiental, tornou-sebastante promissora no cenário mundial de energia.Representam, já a médio prazo, uma alternativa paramotores a combustão (unidades móveis), e geradoresde energia de médio porte (100kW) até plantas dealguns MW de potência (unidades estacionárias).A célula a combustível é apontada atualmente como amais provável tecnologia para se produzir carros debaixa emissão de poluentes. Ela consiste em dartratamento químico (reforma) a combustíveistradicionais ou alternativos líquidos ou gasosos deforma a obter hidrogênio. Associado ao oxigênio porum processo eletroquímico, a célula a combustível vaigerar energia elétrica para mover o carro. Com essemétodo um litro de gasolina pode gerar o dobro daenergia obtida pelos atuais carros.

Principio de funcionamento:As Células a Combustível são, em princípio baterias(pilhas) químicas, ou seja, dispositivos que convertemenergia química diretamente em energia elétrica etérmica, possuindo, entretanto, uma operação contínuagraças à alimentação constante de um combustível.Esta conversão ocorre por meio de duas reaçõesquímicas parciais em dois eletrodos separados por umeletrólito apropriado, ou seja, a oxidação de umcombustível no ânodo e a redução de um oxidante nocátodo, com o auxílio de catalisadores especialmentedesenvolvidos, indicadas nas reações (1), (2) e (3):

Ânodo: H2 + 2 H2O 2 H2O + 2e- (1)

Cátodo: ½ O2 + 2H3O+ + 2e- → 3H2O (2)

Reação global: H2 + ½ O2 → H2O (3)

Escolhendo-se, por exemplo, hidrogênio comocombustível e oxigênio como oxidante, tem-se nadenominada célula ácida, a formação de água eprodução de calor, além da liberação de elétrons livres,

+

-

CargaStack

Eletrônicade

potência

+

-Stack

Eletrônicade

potência Carga

Rede

Fluxode

Potência

que podem gerar trabalho elétrico. Um esquemasimplificado de uma CC ácida é apresentado na figura(3).

Fig.3 Desenho simplificado de uma célula acombustível

Os prótons produzidos na reação anódica sãoconduzidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se ligamaos ânions O2-, formando água. Diferentemente dosmotores a combustão, que têm sua eficiência máximateórica limitada pelo ciclo de Carnot, a eficiênciateórica das CC é dada pelo quociente entre a energialivre de reação ∆Gr e a entalpia da reação ∆Hr segundoa equação (4).

ηeletroquímico = ∆Gr/∆Hr (4)

A eficiência dada pela equação (4) tem uma fracadependência da temperatura, quando comparada àeficiência dada pelo ciclo de Carnot. Assim sendo, asCC possibilitam a obtenção de altas eficiências, ouseja, um melhor aproveitamento do combustível,mesmo e especialmente a baixas temperaturas.Na prática, obtêm-se eficiências de 55 a 60% para osistema de CC global. Entretanto, deve-se salientar queinstalações modernas de grande porte, com turbinas agás otimizadas, também já atingem valores deeficiência de 53 %. Assim, tem-se que a eficiência,isoladamente, não é a principal vantagem de sistemasde geração de energia com CC, mas sim, o seuinerente fator ecológico, com baixíssima geração depoluentes, além de serem silenciosas, compactas e defácil manutenção.Por estas razões, vislumbra-se um mercado parasistemas de CC para geração de energia, comaplicações localizadas de até alguns MW de potência,como, por ex., em hospitais, condomínios residenciais,repartições públicas e outros. As vantagens das CCaumentam para a geração de energia móvel. Células debaixa temperatura e alta eficiência, silenciosas, pode-se imaginar tráfego intenso sem ruído dos motores esem gases de escapamentos.

A eficiência na conversão de energia das células acombustível, estacionária ou móvel é de 60%, ou seja,duas a três vezes a dos motores convencionais decombustão interna. Além disso o único produto dareação decorrente é o vapor de água; que poderá serreutilizado na co-geração de energia. Não há emissõespoluentes de CO, NOx, CO2, hidrocarbonetos oufuligem.

Tipos de Células a combustíveisExistem vários tipos de CC, classificadas segundo otipo de eletrólito que utilizam e, consequentemente,sua temperatura de operação. A tabela (1) relaciona ostipos de CC desenvolvidos até o presente com suascaracterísticas principais, vantagens e desvantagensatuais e suas aplicações mais relevantes.Os vários tipos de CC existentes, classificadossegundo a sua temperatura de operação, envolvemmateriais constituintes distintos e técnicas deconstrução diversas.Células que utilizam o metanol direto comocombustível já existem mas com baixo rendimento.Porém, quando se utiliza combustível como gásnatural, metanol, etanol, biogás, etc., estes sãosubmetidos a passagem por um reformador à vaporobtendo-se o hidrogênio que é injetado na célula.

Tabela 1. Tipos de células a combustívelTipo Eletrólito °C Vantagens / Desvantagens

PEMFC

Polímero(H3O+)

20-120 Alta densidade de potênciaOperação flexível

MobilidadeAlto custo da membrana e

catalisadorContaminação do catalisador com CO

PAFC H3PO3

(H3O+)160-220 Maior desenvolvimento tecnológico

Tolerância a COControle da porosidade do eletrodoEficiência limitada pela corrosão

MCFC Carbonatos fundidos

(CO32-)

550-660 Tolerância a CO/CO2

Eletrodos à base de NiCorrosão do cátodo

Interface trifásica de difícil controleSOFC ZrO2

(zircônia)(O2-)

850-1000 Alta eficiência(cinética favorável)

A reforma do combustível pode ser feitana célula

Problemas de materiaisExpansão térmica

(*) PEMFC (Proton Exchange Membran Fuel Cell),PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (MoltenCarbonate Fuel Cell) e SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)

Vantagens de aplicação das células“Célula a combustível: emissão ZERO de poluentes eruído, gera unicamente água potável, calor eeletricidade.”• Flexibilidade quanto ao combustível utilizado

• Elevada eficiência na conversão da energia,relativamente independente do valor da carga• Menor consumo de combustível (50 a 70%)• Não exige cursos ou quedas de água• Menor custo por kW instalado• Ausência de ruído• Baixa emissão de poluentes• Geração distribuída (próximo ao consumidor)• Facilidade de expansão, devido à suacaracterística de modularidadePossibilidade deutilização do calor residual para cogeração ouaquecimento• Resposta rápida a flutuações de demanda• Permite o manejo dos sistemas hídricos paraoutras prioridades• Capacidade de acompanhar rapidamente ocrescimento da carga• Baixo custo de manutenção• Geração de créditos de carbono –(Mecanismo de desenvolvimento limpo)• Desenvolvimento sustentávelGeração deenergia elétrica com baixas emissões de poluentes.• Redução do efeito estufa e mudançasclimáticas• Eliminação da chuva ácida - referente àpoluição causadas na atmosfera com o dióxido deenxofre (SO2) e os óxidos de nitrogênio (NOx);

• Não criam problemas de ozônio.• Redução de investimentos em linhas detransmissão, redes de distribuição.• Sensibilidade à contaminação pela ação dealguns contaminantes (CO)• Tecnologia nova e em desenvolvimento• “Medo” em relação ao hidrogênio• Logística de distribuição de combustível• TreinamentoViabilidades energéticasO estudo e desenvolvimento de CC associa outrasáreas de conhecimento, como, por exemplo, aprodução de hidrogênio (combustível da CC) a partirda reforma de outros combustíveis (fósseis, debiomassa, etc.), incluindo-se aí o etanol, estratégicopara o Brasil. Além disso, considera-se a produção dehidrogênio também via eletrólise da água, que pode serefetuada tanto por processo fotovoltáico, ou atémesmo aproveitando-se a energia térmica gerada nonúcleo de reatores nucleares.

Estado da arte da reforma do álcoolA reforma de etanol já é viável dos pontos de vistatécnico e comercial, mas ainda não foramdeterminados os parâmetros que permitem o melhor

rendimento. Certamente a isto contribui, ser o Brasil oúnico país do mundo com uma sólida infra-estruturapara a produção e distribuição de álcool combustível.Existem, não obstante, numerosas patentes cobrindoreformadores para vários combustíveis, incluindo oetanol.Os reformadores auto-térmicos produzem o calornecessário – a temperatura de operação é de 500 a800oC – pela queima de parte do combustível.Efetivamente, a reforma, se processa em dois estágios:no primeiro, endotérmico, o hidrocarboneto, édissociado e reage com vapor água. A proporção devapor deve ser de ca 2 a 4 moles para cada mol decarbono para formar hidrogênio, monóxido e dióxidode carbono. O hidrogênio neste estágio pode serremovido através de um diafragma de paládio ou ligade paládio. A proporção de hidrogênio depende datemperatura e do catalizador. O gás que sobra pode serqueimado 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 avalores toleráveis. A proporção de H2/CO da primeirareação e a necessidade de calor determinará anecessidade do segundo estágio: se para etanol emetano pode ser suprimido, parece importante mantê-lo para outros combustíveis líquidos ou GLP. Usandotécnicas conhecidas da engenharia química.(conduçãodos gases em contrafluxo, isolamento térmico,trocadores de calor, aproveitamento do calor gerada nacélula e injeção de gás pobre no queimador), épossível obter níveis de rendimento energéticoexcelentes.Metanol é um combustível líquido, que pode ser usadodiretamente em células a combustível, porém, devido asua alta toxidez, provavelmente será restrito ainstalações industriais ou a cartuchos de pequenoporte, que impedem acidentes. A possibilidade defabricar metanol a partir de resíduos da fabricação decelulose, palha, bagaço de cana, sem necessidade deevaporar quantidades relativamente grandes de água,devem tornar o metanol uma parte importante dosistema energético do Brasil. Sistemas de fermentaçãode alto rendimento já se encontram emdesenvolvimento. Com se necessita cerca 50% d águano combustível, a destilação talvez possa sersubstituída por outros processos de separação,como a osmose, menos onerosos.Metano, tanto de origem fóssil como de processosbiológicos de fermentação (bio-gás), é uma fonte deenergia importante, que pode ser usado em células decombustível. Mesmo usando reformador, a eficiênciade aproveitamento é o dobro de, por exemplo, ummotor de combustão interna ou caldeiras.As pequenasquantidades de gases sulfurosos encontradas no gásnatural são absorvidas em cartuchos recicláveis, não

havendo assim emissão de quaisquer poluentes.Nãoexiste a possibilidade de formação de gases nitrosos.

Propriedades

Tabela 3. Propriedades do hidrogênio.H2 CH4

(GN)C3H8

(GLP)Densidade(Kg/m3)

0,08988 0,7175 2,011

Temperatura deignição no ar(ºC)

530 645 510

Limite de ignição noar (Vol-%)

4,1-72,5 5,1-13,5 2,5-9,3

Máxima velocidadede queima (Cm/s)

346 43 47

Tabela 4. Densidade energéticaCombustível (MJ/kg, 25°C) fatorHidrogênio* 141,90 1,00Gasolina 47,27 0,33Gas Natural 47,21 0,33Metano 55,55 0,39Metanol 22,69 0,16Etanol 29,70 0,21Querosene 46,00 0,32Carvão 31,38 0,22Madeira 17,12 0,12

SegurançaConforme a tabela 2, nota-se que o hidrogênio ébem mais leve que o ar , além de formar asmenores moléculas de todos os gases. Istoassegura rápida difusão para níveis inofensivos aocontrário de outros gases combustíveis. Mesmoassim devem ser usadas todas as medidas desegurança cabíveis, como sensores e alarme devazamento, ventilação ampla, natural e forçada,exaustores em recintos fechados e construçãoadequada do equipamento. Onde viável, distânciacontínua a melhor proteção.

Conclusões

Combustíveis proveniente da biomassa são renováveis.A célula a combustível é um equipamento deconversão de energia de alta eficiência. Como omundo caminha para sérios problemas ambientais ecombustíveis fósseis terão preços proibitivos para aprodução de energia em poucoas dezenas de anos, asociedade e órgãos governamentais devem sesensibilizar com o desenvolvimento tecnológico destaspropostas, que são amplamente aceitas na comunidadecientífica. Por enquanto o custo ainda é alto, com aintrodução de produção em escala os custos serãocompetitivos com o mercado, até mesmo na áreaautomobilística, onde além do custo por kW instaladotambém o volume e peso são críticos.

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

AgradecimentosFAPESP, CNPq e FINEP pelo auxílio financeiro nosdesenvolvimento e capacitação técnica de pessoal.

Referências[1] “The Economist Diary”; The EconomistNewspaper Limited, Macdermott&Chant Group,United Kingdom, Oxford, p. 119, 1998[2] Luciana Brafman, Jornal do Brasil, p. E3, 15 deabril de 2001.[3] Congresso Brasileiro de Energia, - Ilumina, 2002[4] Gilberto de Martino Jannuzzi “Políticas Publicaspara a eficiência e Energia Renovável no novoconceito de Mercado” Ed.Autores Associados, 1999[5] COMITÊ COORDENADOR DOPLANEJAMENTO DE EXPANSÃO DOSSISTEMAS ELÉTRICOS. Plano Decenal deExpansão 2001/2010; endereço eletrônico:http://www.ccpe.gov.br/index.asp