UTILIZAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL COM GÁS NATURAL: UM ESTUDO DE CASO.

* ANTONIO GONÇALVES DE MELLO JUNIOR

MURILO TADEU WERNECK FAGÁ

*UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – ALUNO DOUTORANDO DO PROGRAMA INTERUNIDADES DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA.

*UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE – PROFESSOR DA ESCOLA DE ENGENHARIA

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - PROFESSOR DO PROGRAMA INTERUNIDADES DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA.

UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE - PROFESSOR DA ESCOLA DE ENGENHARIA

1. RESUMO

Há muitas alternativas tecnológicas de cogeração que podem ser utilizadas nos setores comercial e de serviços. Elas podem utilizar motores de combustão interna, microturbinas a gás ou, mais recentemente, células a combustível. A cogeração com a utilização de diversos tipos de células a combustível, alimentadas com gás natural, por sua eficiência e vantagens ambientais encontra-se em franco desenvolvimento tecnológico. O presente artigo descreve as principais características e o estado da arte das diferentes tecnologias de células a combustível, indicando aquelas que são mais compatíveis com as necessidades de energia útil dos setores comercial e de serviços. De posse de informações sobre o consumo energético em um complexo hospitalar na cidade de São Paulo, foi realizada uma avaliação econômica com células a combustível alimentadas a gás natural

2. ABSTRACT

There are many technological alternatives for cogeneration to be used in the commercial and service sectors. Those technologies adopt internal combustion engines, micro gas turbines or, more recently, fuel cells. The cogeneration with fuel cells fed with natural gas, for its efficiency and environmental advantages, is in steady and fast technological development. The present article describes the main characteristics and the state of the art for the different technologies of fuel cells, indicating those, which are more compatible with the final energy needs in the commercial and service sectors. Based on information about the energy consumption in a hospital complex in the city of Sao Paulo, the paper accomplishes an economic evaluation for a cogeneration facility with fuel cells fed with natural gas. 3. INTRODUÇÃO

A perspectiva de aumento de tarifa da energia elétrica, confiabilidade no sistema e autonomia, impõe ações que visem o fornecimento de energia que não dependa ou que não fique totalmente a mercê da concessionária de distribuição de energia elétrica local.

Atualmente muitos consumidores no setor comercial e de serviços possuem geradores instalados em suas dependências, porém, que atuam somente em casos emergenciais.

A configuração desses sistemas emergenciais, em geral com motores de combustão interna, não permite, na maioria dos casos, operação continua, quer pelo custo apresentado na sua operação, pelo transporte, armazenamento e alimentação do combustível, ruído, ou ainda pela emissão de gases poluentes nocivos ao meio ambiente.

As células a combustível apresentam um significativo avanço para a cogeração de energia diretamente no local de consumo, apresentando ainda as seguintes vantagens: pequeno ruído de operação, alto rendimento elétrico e térmico, baixa emissão de gases poluentes, área ocupada relativamente pequena, possibilidade de energia contínua, aproveitamento de vários tipos de combustíveis ricos em hidrogênio.

Atualmente o maior inconveniente da utilização das células a combustível no Brasil é o seu elevado custo por kW instalado, associado à dependência de tecnologia importada.

Existe no mundo mais de 150 plantas de células a combustível do tipo estacionária com capacidades variando entre 50 kW a 1 MW, a maioria delas instaladas em caráter de demonstração, totalizando quase 50 MW. Aproximadamente 75% desse total estão instalados no Japão, 15% na América do Norte e 10% na Europa.[www.europa.eu.int/com.energy, 2003].

Dos tipos de células a combustível em desenvolvimento, apenas a PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) encontra-se disponível comercialmente no mercado. Os demais tipos estão em desenvolvimento de avaliação de protótipos (HOLCOMB. F.H.,2000) .

Devido a grande pressão ambiental existente em uma região metropolitana como S. Paulo, a disseminação de sistemas de cogeração tradicionais, baseados no processo de combustão, tende a sofrer restrições. A célula a combustível poderá assim, ser uma alternativa com grandes perspectivas em grandes metrópoles.

4. COGERAÇÃO UTILIZANDO CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

A cogeração utilizando as células a combustível, tipo Molten Carbonato Fuel Cells (MCFC) ou Solide Oxide Fuel Cells (SOFC) apresentam a maior faixa de rendimento na conversão de energia elétrica.

Esses tipos de células estão em fase de avaliação dos protótipos, já tendo sido instalado em todo o mundo aproximadamente 7 plantas do tipo MCFC e 11 do tipo SOFC (A. D. Little, 2001).

Uma análise do gráfico 1 mostra a vantagem, em relação ao rendimento elétrico, na utilização das células a combustível em sistemas de cogeração, principalmente os que utilizam os tipos de células de carboneto fundido (MCFC) e óxidos sólidos (SOFC). Esses dois tipos de células são os que liberam as maiores temperaturas durante o funcionamento, podendo chegar respectivamente a 8000C e 10000C.

Gráfico 1–Comparação entre as diversas aplicações de energias primárias

com combustível gás natural. Fonte: (THE ENERGY CENTER, 2001). Ambos são eficientes quando trabalhando com o gás natural como

combustível de alimentação da célula. Para essa alternativa, a cogeração utilizando a célula a combustível representa uma ótima solução, aliando a produção de eletricidade e calor. A figura 1 apresenta as possibilidades de utilização da célula a combustível e do gás natural.

a) Simples alimentação independente b) Instalação da célula para suprir toda energia elétrica.

c)Instalação da célula para suprir parte d) Utilização da célula para cogeração da energia elétrica. Figura 1. Possibilidades de aproveitamento na instalação de uma célula a combustível.

5. AS CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Uma célula a combustível é um dispositivo eletroquímico capaz de

converter a energia de uma reação química em eletricidade e calor. Geralmente consiste em três principais componentes:

- sistema de processar um combustível natural de alimentação em um gás rico em hidrogênio, usualmente denominado de reformador;

- o conjunto de células montadas em módulos (stack), onde cada célula consiste de um eletrólito e dois eletrodos, para converter o gás em energia elétrica no tipo corrente continua;

A reação eletrolítica produz calor, o qual pode ser reaproveitado se o conjunto da célula é usado em um sistema de cogeração de calor e força. Um outro produto da reação eletrolítica é a água, que também pode ser reutilizada.

5.1 TIPOS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

As células a combustível são classificadas pelo tipo de eletrólito que elas empregam. Isso também determina a reação química que tem lugar na célula, a espécie de catalisador requerido, a faixa de temperatura na qual a célula trabalhará, o combustível requerido e outros fatores. Estas características, por sua vez, influem no tipo de aplicação para as quais essas células são mais indicadas.

Entre os tipos de células a combustível, mais desenvolvidos e com maiores perspectivas de um futuro promissor de aplicação, em diversas áreas da tecnologia, podemos destacar:

1 – Alcalina - AFC (Alkaline Fuel Cell) 2 – Eletrólito Polimérico - PEFC (Polymer Eletrolyte Fuel Cell) 3 – Metanol Direto – DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) 4 - Ácido Fosfórico - PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). 5 – Carbonato Fundido - MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). 6 – Óxido Sólido - SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) Os principais fabricantes das células tipo carbonato fundido são: Fuel Cell

Energy, com a sua parceira MTU, Marubeni Corp., nos Estados Unidos e a Ishikawajima-Harima Heavy Industries, no Japão.

Os principais fabricantes das células tipo óxido sólido são: Siemens-Westinghouse, Honeywell, Global Thermaelectric, Dhephi Automotive Systems e a Cummins Power Sistems (A. D. Little, 2001).

As tabelas 1, 2 e 3 e os gráficos 2, 3 e 4 resumem as principais características técnicas e aplicações dos diversos tipos de células a combustível em aplicação ou desenvolvimento existentes.

Resumo das características dos principais tipos de células de combustível Tabela 1. Características tecnológicas dos diversos tipos de células

Tipo Abrev. Eletrólito

Temperatura de

operação 0C

Rendimento%

Potencia Densidade(kW/m2)

Combustível Oxidante

ION Conduto

r

Reformador

Estágio de desenvolvimento

Materiais Requerimento

Custo *atual

US$/kW

Uso indicado

Alcalina AFC

KOH (hidróxid

o de Potássio)

50-200 45-60 CHP-70 0,7 a 8,1 Hidrogênio –

H2

Ar +H2O (sem CO2

OH- Externo Tecnologia

madura, comercial

Platina catalítica

Requer H2 puro e platina intensivamente

2.200,00 Veículos espaciais

Polímero Eletrolítico PEFC Polímero 50-80 35-55 3,8 a 13,5 Hidrogênio –

H2

Ar (sem CO2)

H+ Externo Protótipo Platina catalítica

Eliminar pequenas quantidades de CO venenoso no catalisador

7.000,00 Automóveis, ônibus.

Metanol Direto DMFC Polímero 60-130 40-50

CHP–80 1,0 a 6,0 Metanol, etanol ou gasolina

Ar H+ Não

requerido Protótipo Platina catalítica - 6000,00

Pequenos sistemas de cogeração, transporte, sistemas

Acido Fosfórico PAFC Ácido

Fosfórico 160-220 40-50 0,8 a 1,9 Hidrogênio – H2

Ar (sem CO)

H+ Externo Disponível comercialmente

Platina catalítica

Se o combustível for gasolina, o enxofre deve ser removido

4.000,00 Ônibus , cogeração

Carbonato Fundido MCFC

Carbonato

Fundido Lítio

P á i

630-800 50-60 CHP-80 0,1 a 1,5

Hidrogênio – H2

Óxido de Carbono – CO

Ar+ CO2 CO32 Externo ou

interno Em demonstração

Pré - comercial Níquel catalítico

Menos propenso a CO venenoso que as células de baixa temperatura

3.000,00 Grandes sistemas cogeração

Óxido Sólido SOFC

Cerâmico composto de cálcio ou óxidos

de zircônio

700-1000 50-65 CHP-75 1,5 a 5,0

Hidrogênio – H2

Dióxido de Carbono–CO2

Metanol – CH4

Ar O2 Externo ou interno Protótipo Cerâmica - 4.500,00

Em cogeração de diversas capacidades

Fonte: LITTLE; A. D. (2001).

Tabela 2. Total de emissões em cogeração para uso comercial de grande escala (g/kWh)

Aplicação NOx SOx CO NMHC CO2 CH4 PM Energia MJ/kWh

Convencional Calor/potência Valores abs. 0,31 0,007 0,14 0,068 270 0,20 0,003 5,7

Motor Diesel Valores abs. Valores rel.

4,4 1432%

0,68 9443%

0,22 158%

0,74 1086%

315 116%

0,08 40%

0,049 1390%

4,8 84%

Motor a gás Valores abs. Valores rel.

1,2 402%

0,006 77%

1,0 706%

0,094 139%

218 81%

0,31 157%

0,001 21%

4,4 78%

Turbina a gás Valores abs. Valores rel.

1,49 480%

0,0213 304%

0,121 86%

0,046 67%

580 215%

0,37 185%

0,0123 410%

4,5 79%

PAFC CHP Valores abs. Valores rel.

0,027 8,8%

0,006 77%

0,010 7%

0,058 85%

218 81%

0,15 76%

0,0028 94%

4,4 78%

SOFC CHP Valores abs. Valores rel.

0,021 6,8%

0,005 64%

0,001 1%

0,052 76%

218 81%

0,15 76%

0 0%

4,4 78%

Fonte: LITTLE; A. D. (2001).

0

100

200

300

400

500

600

valo

res

rela

tivos

% (c

entr

al

conv

enci

onal

)

NOx SOx CO NMHC CO2 CH4 PMtipos de emissões

central convencional

motor a diesel

motor a gás

turbina a gas

PAFC CHP

SOFC CHP

Gráfico 2 – Valores relativos com relação a central convencional de diversos tipos de emissões. Fonte: LITTLE; A. D. (2001).

Tabela 3 Previsão da adaptação dos custos e comercialização das células a combustível

Tipo de célula

Tamanho do

Sistema

Início de Introdução comercial

Custo de Fabricação

inicial (US$/kWe)

Custo de oper./

manut. Inicial

(¢/kWe)

Escala Comercial disponível

Custo de Fabricação Em escala

Custo de Oper./ Manut.

Em escala(¢/kWe)

3 kWe 2003-2004

2500 a 5000 5-11 2004-

2006 700 a 1200 1,7-2,7

PEMFC 50 kWe 2003-

2004 2500 a 5000 5-11 2004-

2006 650 a 1200 1,1-2,1

MCFC 100

kWe- 3MWe

2003-2005

2000 a 4000 5-9 2005-

2007 1100 a 1900 2,0-2,7

200 kWe-

3 MW

2002-2003

1500 a 2500 2-4 2004-

2005 800 a 1350 1,1-1,6

SOFC 3 kWe 50 kWe-

2004-2006

2500 a 5000 3-7 2005-

2007 600 a 1300 0,8-2,0

PAFC 250 kWe Corrente 3500 a 4000 2-3 corrente 2000 a

2400 2,0-2,7

Fonte: CTEnerg – Programa Brasileiro de Células a Combustível (2002).

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007Ano

Cus

to d

a cé

lula

(US$

/kW

)

PAFC MCFC SOFC

Gráfico 3 – Perspectiva de evolução do custo da célula a combustível. Adaptado da tabela 3. 6. CLASSIFICAÇÃO DOS TIPOS DE EDIFÍCIOS COMERCIAIS

Em termos de semelhança em potencial e características energéticas, não existe uma classificação oficial dos tipos de edifícios comerciais.

Seguindo o trabalho de LITTLE; A.D. (1995), pode-se agrupar os tipos de edifícios comerciais, de acordo com a necessidade de consumo de calor e trabalho.

1 – Hospitais, maternidades, asilos, casa de repouso. 2 – Universidades, escolas públicas. 3 – Hotéis, flats, motéis. 4 – Edifícios de escritórios, bancos, repartições públicas. 5 – Shopping Centers, super mercados. 6 – Garagens. 7 – Armazéns, frigoríficos. 8 – Bombeiros, presídios, delegacias, fóruns, 9 – Igrejas, teatros, cinemas. Torna-se importante poder definir o tipo de célula a combustível compatível

com cada caso de edifício em particular. Para o simples aquecimento de água de distribuição no edifício pode ser

utilizada a célula de combustível de baixa e média temperatura como, por exemplo, a PEM (Próton Exchange Membrane) que trabalha com uma temperatura de 70 a 90 0C, ideal para um simples aquecimento de água ou ainda a PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), que trabalha com uma temperatura de aproximadamente 2000 C, para alimentação de um boiller. Para utilização em cogeração, com uso em sistemas de geração de vapor para alimentação de turbinas, pode-se utilizar a célula de combustível tipo MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) com 6500 C e da SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), temperatura da célula entre 850 a 11000 C.

7. EXEMPLO DE APLICAÇÃO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL EM UM COMPLEXO HOSPITALAR

O exemplo a seguir apresenta a aplicação da célula combustível em um complexo hospitalar com consumo de energia elétrica para as necessidades hospitalares e para alimentação da caldeira responsável pela alimentação das auto-claves de esterilização, cozinha hospitalar e lavanderia. A tabelas 1 e o gráfico 2 apresentam os dados de consumo do complexo hospitalar do ano de 2003. Tabela 4. Consumo de energia do complexo hospitalar, prédio administrativo e caldeira

HS - ELETROPAULO - 2003 CONSUMO EM KWH

LOCAL JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZativo ponta 4148 3876 5004 5408 5155 5987 5266 5834 6084 5943 5884 6034

PREDI0 fora p. ind. 45864 40354 44503 42882 41135 45872 40841 43772 42756 43127 42338 43476ADM fora p. cap 5309 5090 4570 3982 3688 4385 3990 4586 5888 5750 5670 5842

Fonte: Hospital HS (2004).

media KWH 55321 49320 54077 52272 49978 56244 50097 54192 54728 54820 53892 55352

media KW

ativo ponta 66776 65497 77021 69663 62071 67326 58611 65842 58454 60403 62325 63114COMPLEXO fora p. ind. 620844 523110 627018 531976 540414 540288 471030 494172 442848 456791 479003 483323

5 fora p. cap 100968 102270 109914 89208 79170 83538 72618 80346 97104 95783 92168 94612H 788588 690877 813953 690847 681655 691152 602259 640360 598406 612977 633496 621540

media KW

ativo ponta 14043 5913 7850 14029 7719 7037 11559 27691 37913 29956 31287CALDEIRA fora p. ind. 366156 307062 324702 300510 354564 324198 299502 367920 329868 370944 375673 398703

fora p. cap 101430 94122 87318 82404 75096 72576 73584 86814 112770 123984 131218 128735H 467586 415227 417933 390764 443689 404493 380123 466293 470329 532841 536847 558725

Consumo de energia

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ2003

Con

sum

o em

kW

h/m

ês

consumo hospitalar consumo administrativo consumo da caldeira

o

Gráfico 4. Distribuição do consumo de energia no complexo hospitalar. Fonte: Hospital HS (2004).

O consumo no complexo hospitalar e administrativo pode ser dado como

8.800.000 kWh/ano. O consumo de energia elétrica na caldeira é de 5.500.000 kWh/ano. A configuração atual para o complexo hospitalar pode ser dada pelo

esquema de distribuição da figura 2.

Figura 2. Esquema da distribuição atual de energia do Hospital. Dando prioridade para a instalação da célula voltada às necessidades de

atendimento a parte térmica da caldeira e sendo que a célula combustível de 200 kWe libera 900.000 BTU/h de rejeito térmico, ou seja, 250 kW, pode-se definir o número de células combustíveis para essa finalidade.

5.500.000 / (0,95 * 8760) = 660,90 kW Número de células = 660,90/250 = 2,64 2 células de 200 kWe O restante 1.065.260 kWh continuarão sendo fornecidos por uma caldeira

alimentada a gás natural com um rendimento de 90% (PERA H., 1990).

Um balanço de energia do novo esquema proposto com a utilização da célula a combustível é exposto a seguir: Energia necessária para alimentação do gás natural nas células: Rendimento Necessário Energia da célula elétrica 3.328.800 37% 8.996.757 kWh/ano térmica 4.161.000 50% 8.322.000 kWh/ano Energia da caldeira 1.339.000 90% 1.487.778 kWh/ano Total para alimentação das 2 células 18.806.534 kWh/ano Consumo de gás: Utilizando um valor calorífico médio de 9.000 kcal/m3 ou 10,46 kWh/m3

Célula 1.655.713 m3/ano Caldeira 142.235 m3/ano Total 1.797.948 m3/ano Custo do gás natural: Com 0,42 R$/m3(COMGÀS, 2003) 695.399,41 R$/ano Complementação elétrica: 5.741.200 kWh/ano Custo médio da energia, considerando as tarifas verde, azul e o valor fixo de consumo de pico: 0,18 R$/m3 1.033.416,00 R$/ano Custo total, gás + energia elétrica 1.728.815,41 R$/ano Custo só com alimentação elétrica Consumo total 14.300.000 kWh/ano Custo total 2.574.000,00 R$/ano Valor economizado anualmente 845.184,59 R$/ano

Assim, o esquema proposto para atendimento ao complexo hospitalar com a

utilização de duas células a combustível de 200 kW cada é visto na figura 3.

Figura 3. Balanço do fornecimento de energia com a utilização das células a combustível.

8. ANÁLISE ECONÔMICA A análise econômica será feita levando em conta os parâmetros de variação

do custo da célula já instalada, tomando como referência a variação entre 2001 e o valor previsto com a penetração total no mercado em 2007, conforme valores para a PAFC, apresentados no gráfico 3. Foi considerado ainda um custo anual de operação /manutenção de 1,5% do valor da célula.

O tempo de retorno do investimento leva em conta a Taxa Interna de Retorno variando de 8% a 14%.

Tempo de retorno X TIR

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 anos

tem

po d

e re

torn

o (a

nos)

taxa de 8%" taxa de 10%taxa de 12% taxa de 14%

Gráfico 5. Tempo de retorno para variação do custo da célula conforme

penetração no mercado, para diversas taxas internas de retorno.

7. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES As perspectivas da industria nacional, para o fator de escala de produção e

comercialização será de relevante importância na redução do custo de fabricação, instalação, operação e manutenção das células a combustível aplicadas na cogeração em edifícios comerciais.

Será de grande importância nessa implantação, a definição do tipo de célula de combustível mais adequada para as necessidades propostas. Para um país dependente de tecnologia externa, a definição de um ou dois tipos somente de células adequadas para tal aplicação pode melhorar o desempenho de um programa de implantação e ajudar na redução do custo final do produto, pois aumentará a quantidade fabricada e a comercializada de um mesmo componente, aumentando assim, a escala de fabricação e, conseqüentemente, reduzindo o seu custo.

Os resultados obtidos na análise econômica indicam boas perspectivas para a utilização da tecnologia.

10. BIBLIOGRAFIA ARTHUR D. LITTLE, Inc. “Fuel Cells for Building Cogeneration Applications – Cost/Performance Requirements and Markets”. U.S. Departament of Energy, final report, Massachusetts, 1995. ARTHUR D. LITTLE, INC..“Opportunities for Micropower and Fuel Cell/Gas Turbine Hybrid Systems in Industrial Applications, Vol. 1”- Energy´s Office of Industrial Technologies OIT, main text, Massachusetts, USA. 2001. CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS – CGEE (2002) – Programa Brasileiro de Células a Combustível – CTEnerg – Secretaria Técnica do Fundo Setorial de Energia. 2002. COMGÁS – Companhia Municipal de Gás de S. Paulo – Tarifa de gás Natural Canalizado – Segmento Pequena Cogeração – Tabela de Margens Máximas. (www.comgás.com.br/pt/serviços/tarifa.asp. Acesso em 21/01/2004). FUEL CELLS FOR STATIONARY POWER - // europa.eu.int/comm./energy. Acesso em fev./2003). HOLCOMB. F.H. e outros. “Phosphoric Acid Fuel Cells”- US Army Corps of Engineers. Washington, DC, 2000. PERA, H. – Geradores de Vapor. Editora Fama Ltda. 2.a edição, 1990. São Paulo. THE ENERGY CENTER of Wisconsin. “Assesment of Solid Oxide Fuel Cells in Building Application. University of Wisconsin-Madison, report Summary 207-R, USA, 2001.