bateria de alumino

1

Clulas Combustveis a Alumnio: uma reavaliao oportuna para o planejamento energtico brasileiro

Francisco Carlos C. Schwab [email protected]

Faculdade de Engenharia da AEDB, Resende-RJ, Brasil

RESUMO Mais de 70% do potencial hidroeltrico do Brasil sua principal riqueza energtica encontra-se em regies distantes dos grandes centros consumidores, que por sua vez j utilizam todo o potencial localmente disponvel. Para assegurar o abastecimento e atender a demanda adicional para crescer, ser necessrio aproveitar o potencial remanescente. As clulas combustveis, em especial as que utilizam Alumnio, podem ser uma forma de armazenar, transportar e aproveitar esta energia. Em funo disso, seriam uma boa alternativa para substituir o petrleo atualmente consumido no sistema de transportes, com menos impacto ambiental e mais eficincia. O objetivo deste artigo revisitar alguns pontos bsicos sobre esta tecnologia e situa-la no contexto brasileiro, como contribuio inicial para uma reavaliao e possvel retomada em sua pesquisa e desenvolvimento no pas. Palavras-Chave: Energia renovvel. Clulas combustveis. Alumnio. Energia para veculos.

1. INTRODUO O aproveitamento das potencialidades do alumnio como fonte de energia em clulas

combustveis tem sido alvo de muitas pesquisas e desenvolvimento de prottipos desde os anos 60. Apezar de suas vantagens, alguns problemas tecnolgicos ainda parecem persistir, levando a que novos tipos de clulas combustveis, de desenvolvimento mais recente, ganhem preferncia nas pesquisas internacionais.

Entretanto, se levarmos em conta algumas caractersticas especficas do Brasil, justifica-se uma reavaliao desta tecnologia, para utilizar o alumnio como armazenador e portador de energia renovvel. Poderia ser uma alternativa estratgica interessante para o planejamento energtico nacional, considerando os seguintes pontos principais:

O maior potencial atual de energia limpa e renovvel encontra-se muito distante dos grandes centros consumidores, necessitando normalmente extensas linhas de transmisso que oneram o empreendimento e aumentam a insegurana do sistema;

Na regio deste potencial energtico existem vastas minas de bauxita, minrio que justamente requer grande suprimento de energia eltrica para ser transformado em alumnio, metal considerado como energia condensada;

Parte deste alumnio poderia ser usada como portador de energia, se utilizado em clulas combustveis, e capaz de devolver sua energia atravs de reao qumica, mantendo-a armazenada para ser usada quando, onde e na quantidade necessria;

Estas clulas poderiam ser excelente alternativa para substituir parte do petrleo consumido no sistema de transportes do pas, com menos impactos e muito mais eficincia, particularmente para o transporte de cargas e transporte coletivo;

fundamental identificar e explorar as alternativas que interessam ao pas, mesmo em casos onde no tenha havido atratividade suficiente para os pesquisadores de outros pases.

SEGeT Simpsio de Excelncia em Gesto e Tecnologia 2

Neste momento de transio, pelo qual est passando a conjuntura energtica mundial, pode existir uma janela de oportunidade insuspeitada, capaz de nos trazer perspectivas similares s do lcool combustvel.

A concluso deste artigo sugerir como pertinente uma reavaliao cientfica, tcnica e econmica mais detalhada das Clulas combustveis a Alumnio, considerando que podero se mostrar uma boa alternativa para aproveitamento das oportunidades e vantagens do contexto, no caso especfico do Brasil.

2. UM MUNDO EM TRANSIO: SEUS DESAFIOS E RISCOS Todas as evidncias indicam que o mundo j est passando por uma grande

transformao na rea de energia. Trata-se de um grande impacto, pois energia como se fosse o sangue que circula nas veias da civilizao atual, acarretando mudanas que devero se definir ao longo das prximas duas dcadas. Isto dever ocorrer no s por problemas como o crescente custo do petrleo, ou pelas restries quanto poluio e os impactos ambientais, mas principalmente pela disponibilizao de novas tecnologias. O momento atual reflete a grande tenso desta transio: h um formidvel esforo de pesquisa e desenvolvimento de inmeras possibilidades, com inovaes surgindo a cada dia. Ao acompanhar as notcias do setor observa-se como as tecnologias se alternam na crista da onda, to logo as novidades so divulgadas.

Devido ao ritmo de crescimento populacional combinado ao desenvolvimento econmico, a demanda por energia at 2015 j dever ter crescido 50%, num perodo de apenas 10 anos (SIQUEIRA, 2004). A incorporao de grandes contingentes de populaes sociedade de consumo como o caso da China e da ndia trar uma presso ainda maior sobre as demandas energticas e ambientais. Ainda estaro disponveis grandes reservas de petrleo e carvo: os principais combustveis da nossa poca. Em funo disso, provvel que os combustveis fsseis ainda continuem como fonte principal nas prximas dcadas, se bem que com predomnio cada vez maior do gs natural, mais limpo. Teremos tambm um perodo com grande participao das chamadas tecnologias de transio, como o caso dos veculos hbridos que j comearam a ser comercializados. Entretanto, j se prev o crescente predomnio das clulas combustveis, medida que as tecnologias forem evoluindo e se tornando mais competitivas.

As clulas combustveis representam a tecnologia mais promissora a longo prazo, constituindo-se numa alternativa muito eficiente, flexvel, limpa, e com impacto ambiental extremamente reduzido. Alguns tipos de clulas j se encontram bastante desenvolvidos, com modelos comerciais j em operao, enquanto que outros tipos como Alumnio/Ar (Al/Ar) ainda carecem aperfeioamentos em busca da competitividade. Segundo um relevante estudo de Lenssen (1996: 779) a clula combustvel poder um dia ser considerada o chip de silcio da economia do hidrognio, prevendo-se que esta nova era estar consolidada ao final do sculo XXI, quando captaes de energias elicas e solares devero prover 90% do consumo mundial, gerando eletricidade e produzindo o portador de energia considerado ideal: o hidrognio.

Nesta conjuntura de desafios e riscos, percebe-se uma oportunidade: que as Clulas combustveis a Alumnio podero se mostrar uma boa alternativa como tecnologia de transio, dentro do contexto nacional.


3. CLULAS COMBUSTVEIS: UM PANORAMA DE REFERNCIA O nome clula combustvel j consagrado em nosso pas, mas no

conceitualmente correto, pois se trata de uma traduo deturpada ou simplificada do termo fuel cell, que quer dizer clula a combustvel. Este nome reflete o seu modo de funcionamento, pois um dispositivo que produz energia eltrica atravs de um processo eletroqumico, a partir de um combustvel que vai sendo alimentado numa clula. O nome faz distino em relao s pilhas e baterias, pois estas precisam ser substitudas, recondicionadas ou recarregadas quando gastam toda a sua carga.

importante observar que as clulas combustveis se tornaram muito atraentes porque, at agora, as baterias no se mostraram capazes de atender adequadamente aos crescentes e variados requisitos para armazenagem e transporte de energia eltrica. As principais fontes alternativas de energia renovvel e limpa tm como produto a gerao de eletricidade, que uma forma de energia com limitaes tcnicas para distribuio e armazenamento. Estes so justamente dois pontos fortes dos combustveis fsseis, principalmente no caso do petrleo e seus derivados: so mais facilmente transportados, armazenados, distribudos e utilizados. As clulas combustveis resolvem estes problemas e ainda trazem diversas vantagens, cujas principais podemos resumir como sendo:

Alta eficincia no aproveitamento do combustvel, pelo menos o dobro da eficincia energtica dos motores de combusto interna (MCI);

Constituem uma tecnologia bem mais limpa, com baixo impacto ambiental;

Operam com componentes quase exclusivamente eletro-eletrnicos, sem peas mveis, livre de atritos e desgastes, com alta confiabilidade e durabilidade;

Geram energia na medida das necessidades, de maneira distribuda junto aos pontos de consumo, independentes dos grandes sistemas de distribuio;

Podem utilizar uma grande variedade de combustveis, desde os tradicionais como gs natural, at os renovveis como o nosso etanol da cana-de-acar.

A primeira clula combustvel foi demonstrada por Sir William Grove em 1843, de princpio similar s clulas de cido fosfrico atuais. A idia em si no nova, porm ficou sem viabilidade prtica de aproveitamento, devido a dificuldades de materiais adequados e tecnologias de suporte. Alm disso, levou desvantagem frente a outras tecnologias mais viveis e accessveis. S recentemente, a partir da dcada de 70, comearam a serem usadas como fontes de energia, a partir das misses espaciais da NASA, que adotaram o tipo Alcalino, utilizando hidrognio para gerar energia eltrica e liberando vapor dgua que tambm era aproveitado.

Desde ento muitos avanos foram feitos com o lanamento de modelos comerciais de clulas, principalmente do tipo membranas de troca usando diretamente hidrognio ou outros combustveis capazes de desempenho similar. Entretanto, at o momento, nenhum tipo de clula nem novo combustvel podem ser considerados tecnologia madura. A humanidade se encontra, efetivamente, numa era de transio, premida pela necessidade de buscar alternativas para a sua principal base energtica: o petrleo.

Os pontos cruciais para viabilizao das clulas combustveis a hidrognio so: (i) custo elevado e vida til restrita, que precisa ser aumentada pelo menos 5 vezes para viabiliz-las; (ii) com as tecnologias atuais, se gasta 60% mais energia para produzir hidrognio do que se obtm ao utiliz-lo nas clulas; (iii) a eletricidade gerada por estas clulas nos veculos cara demais, sendo necessrio reduzir em 10 vezes este custo para tornar o seu uso


economicamente vivel. Isto para no falar em outras dificuldades, como infra-estrutura de abastecimento, atingir produo em grande escala, etc.

O setor de transporte um dos que apresentam maiores desafios e tambm grandes oportunidades para novas tecnologias, com diversos modelos de clulas em estgio pr-comercial. Sabe-se que os veculos (e os meios de transporte em geral) so os maiores consumidores de combustveis de petrleo e constituem grande fonte de emisso de gs carbnico, principal causador do aumento do efeito estufa.

Um desdobramento da atual fase de transio so os veculos chamados hbridos, ou seja, que apresentam uma combinao de diferentes tecnologias e/ou formas de energia, em busca de maior eficincia energtica. Estes veculos hbridos so dotados de frenagem eltrica regenerativa, para recuperar parte da energia motriz original e armazen-la nas baterias para reutilizao, atingindo assim uma alta eficincia global. Segundo um estudo do MIT, os veculos hbridos esto desenvolvendo uma supremacia que dever perdurar at o ano 2020, ver: http://lfee.mit.edu/features/hydrogen.vehicles . Um exemplo prximo de ns o nibus brasileiro da Eletra, com motorizao diesel-eltrica e baterias, em circulao experimental na linha Centro-Barra da Tijuca, no Rio de Janeiro. Nos Estados Unidos, o primeiro hbrido vendido em massa foi o automvel Honda Insight lanado em dezembro de 1999, com motorizao gasolina/eletricidade, que atinge 30Km/litro. Outro exemplo atual o automvel hbrido Prius da Toyota, eleito o carro do ano nos Estados Unidos em 2004, cuja produo j atinge 30.000 veculos/ms e mesmo assim estava com fila de espera de 6 meses. Entretanto, h inmeras outras tecnologias em gestao e testes, competindo pela supremacia, muitas tentando substituir o motor de combusto interna por clula combustvel. Como por exemplo o Quark, carro-conceito apresentado pela Peugeot no Salo de Paris em 2004, com clula que utiliza hidrognio comprimido e baterias de nquel-hidreto metlico. Estas informaes podem ser acessadas em www.portalve.com.br bem como tambm em www.babez.de/peugeot/quark.php .

A tecnologia ideal para veculos eltricos seria os chamados puramente eltricos, ou seja, tipo plug-in que usam apenas motor eltrico e baterias que so periodicamente ligadas em tomadas para recarregar, que permitem maximizar a eficincia energtica. Uma tentativa que atingiu escala comercial foi feita pela General Motors-GM a partir de 1996, restrita Califrnia, para atender exigncias de uma nova legislao local. Foram produzidas mais de 1.000 unidades do EV1 (electrical vehicle 1) e arrendadas mediante contrato de leasing para usurios que se interessaram em participar do teste. Os carros eram no poluentes, silenciosos, bom desempenho, montagem mais simples e com poucas peas, manuteno fcil, e o custo de energia mostrou-se compensador. Considerando o preo mdio atual da energia eltrica e da gasolina, um carro eltrico teria custo de combustvel 2,6 vezes mais barato. Entretanto, as baterias eram um problema e continuam a ser ainda hoje. No caso do EV1 pesavam 750Kg, dobrando o peso total do carro, e mesmo assim s conseguiam reter energia suficiente para uma autonomia mxima de 145Km em estradas. Aps alguns anos (3 a 4 anos) o conjunto de baterias tinha que ser substitudo, gerando uma despesa to elevada que tornaria o custo do ciclo de vida maior do que o dos carros com motor de combusto interna(MCI). A partir de 2002 a GM resolveu encerrar o teste, rompeu os contratos e recolheu todos os carros, que foram sucatados at o final de 2004. Houve forte reao por parte do pblico, questionando a deciso e tentando reverter a situao, acusando que o teste fora positivo mas que diminuiria os lucros da GM. Esta por sua vez, alegou que havia poucos clientes e que aquela tecnologia no tinha futuro. Isto deu origem a um polmico documentrio intitulado Quem matou o carro eltrico, atualmente disponvel em locadoras de vdeo, ver http://www.pluginamerica.com/wktec.shtml ou www.imagemfilmes.com.br , ver trailer em http://www.pbs.org/now/shows/223/index.html#here .


Uma novidade surpreendente foi o lanamento pela GM de seu novo veculo eltrico, o carro-conceito Volt E-flex Electric Hybrid, realizado em Janeiro de 2007: Trata-se de um hbrido convencional, porm dotado de baterias com grande capacidade, possibilitando reabastec-lo tambm como um plug-in. Divulgaram que este carro-conceito dever ser comercializado em breve, assim que terminarem o desenvolvimento de uma nova bateria. Interessante ver o vdeo onde so mostradas as caractersticas deste veculo, disponvel em http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1166 , ver tambm www.chevy-volt.net .

O presidente da GM, Bob Lutz, apresenta o veculo eltrico Chevrolet Volt na abertura do North American International Auto Show, em Detroit.

At recentemente as clulas do tipo Metal/Ar no eram consideradas uma fonte vivel de energia, porm grandes progressos tem sido alcanados. Neste caso o processo se baseia em aproveitar eltrons liberados na reao de oxidao do metal com oxignio do ar, para gerar energia eltrica. Para alguns, estas clulas devem ser consideradas, mais propriamente, como baterias, sendo que outros as consideram semiclulas. O fato que o anodo metlico consumido ao longo da produo de energia: gera resduos que precisam ser removidos e deve ser substitudo periodicamente, ou seja, no se trata de apenas reabastecer combustvel. Estas MAFC (Metal Air Fuel Cell) tambm no operam em circuito inverso, recebendo eletricidade para acumular energia, como seria ideal para recuperar a energia inercial na frenagem. Porm apresentam algumas vantagens atrativas e j tem seus nichos de mercado. interessante analisar os resultados das MAFC porque as clulas Alumnio/Ar so deste tipo, basicamente com as mesmas dificuldades e barreiras. Dentre as MAFC, as que tem tido mais sucesso comercial so as de Zinco, como, por exemplo, no automvel apresentado pela eVionyx em parceria com o governo da Malsia, dotado de clula MAFC de Zinco e baterias Nquel-Zinco, cujo modelo de demonstrao apresentou desempenho recorde: 1.000 Km num nico percurso, sem reabastecer nem recarregar, com impacto ambiental mnimo. Ver: www.inventqjaya.com . Outro exemplo de sucesso com clula Zinco/Ar tem sido as demonstraes do nibus totalmente eltrico realizadas em conjunto pelo fabricante do sistema de propulso, a empresa israelense Electric Fuel Co., e a Agencia Federal de Transportes (FTA) dos Estados Unidos. Os primeiros testes foram em 1998 e em Janeiro de 2004 o prottipo foi aprovado para a ltima fase de benchmarking com os concorrentes restantes, que deve terminar este ano. Estas clulas Zinco/Ar se mostraram atrativas, mesmo tendo necessidade de serem retiradas do


veculo, e encaminhadas para serem recondicionadas aps cada ciclo, num processo bem mais trabalhoso do que simplesmente encher um tanque com combustvel.

nibus eltrico com clula Zinco/Ar, em operao experimental no Arizona, EEUU, 2004. Ver Relatorio dos testes - fase III www.electric-fuel.com/evpro/Phase3.pdf

O sistema fornece energia para um motor eltrico de 200hp com bons indicadores de desempenho, similares aos obtidos de clulas Alumnio/Ar j testadas, o que um bom sinal. 4. PORQUE CLULAS COMBUSTVEIS A ALUMNIO?

H um interesse estratgico especial para o Brasil: o pas possui um grande potencial hidroeltrico ainda sem utilizao, justamente nas proximidades de vastas reservas de bauxita de boa qualidade, alm de dominar o processamento e ser um dos maiores produtores mundiais de alumnio.

O alumnio rene pelo menos trs caractersticas bsicas que o tornam muito atrativo: (i) uma das espcies qumicas mais abundantes e tem grande produo em muitas partes do mundo, (ii) seu preo relativamente mais baixo do que outras alternativas, (iii) tem a mais alta capacidade de estocagem de energia por unidade de peso.

As clulas a Alumnio foram das primeiras a serem pesquisadas e muito conhecimento foi sedimentado. J em 1960 Salomon Zaromb, trabalhando para a Philco Company - USA, fabricou o primeiro prottipo deste tipo de clula. Em 1992 a empresa Alupower, subsidiria da Alcan no Canad (fabricante de alumnio) iniciou o desenvolvimento de um veculo eltrico com apoio da UQM(www.uqm.com). O Eng Steve Lapp coordenou a converso de um Dodge Caravan para motorizao eltrica, acionado por clula Alumnio/Ar e baterias, que rodou 300Km. O principal problema foi a rpida degradao da membrana de troca, uma tecnologia que ento estava comeando. A tecnologia tambm exigia uma liga de alumnio de alta pureza, de custo elevado. Este projeto foi descontinuado em 1994 quando a subsidiria foi vendida para a EnerTek.

Os diversos experimentos realizados mostraram algumas dificuldades, que parecem no ter sido satisfatoriamente resolvidas. Como conseqncia, as aplicaes prticas e modelos comerciais tem sido escassos, podendo-se considerar que o nico segmento onde as


clulas Al/Ar se consolidaram so como fonte de energia para emergncia ou reserva, em centrais telefnicas e instalaes similares, bem como aplicaes militares e de campo que exijam alta densidade de corrente eltrica.

Entretanto, o potencial e atratividade das clulas Al/Ar to grande que sua pesquisa nunca foi totalmente abandonada, e novos avanos tem sido constantemente registrados, apesar da forte concorrncia de outras tecnologias.

4.1 CARACTERSTICAS DAS CLULAS A ALUMNIO Clulas Al/Ar no tem emisses gasosas, no desprendem vapor dgua como no caso

do uso do Hidrognio: o resduo no tem impacto ambiental significativo e pode ser reciclado. Estudos indicam que sua eficincia energtica global atinge cerca de 20% com a reciclagem do xido de alumnio gerado, contra 13% dos motores de combusto interna (MCI). um ndice que pode ser superado por alguns outros tipos de clulas, mas bem superior aos motores a exploso e combustveis fsseis atuais, tomando como referncia a eficincia global no ciclo de vida. Comparado com outros portadores de energia como gasolina, gs natural ou hidrognio, o alumnio tem enormes vantagens como baixo peso, combinado com alta capacidade de armazenar energia, estabilidade numa faixa ampla de temperaturas. Como no voltil, nem explosivo, no requer tanques nem transporte especial, pode ser armazenado sem nenhuma instalao ou dispositivo de segurana. Este , atualmente, um dos pontos crticos no desenvolvimento de tecnologia para uso do Hidrognio: ainda no h uma soluo efetivamente satisfatria para estes aspectos.

Esquema e funcionamento de uma Clula Combustvel a Alumnio:

Esquema bsico de uma clula Alumnio/Ar: Fonte: http://129.93.84.115/Chemistry/DoChem/DoChem117.html

Componentes de uma clula Alumnio/Ar:

Anodo constituido por placa de alumnio (Alluminum Aloy) Catodo poroso ao Oxignio do Ar (Air Cathode) Eletrlito lquido, neste caso soluo aquosa de cloreto de sdio (Salt water) Carga eltrica produzida entre os polos (Load)

Cada quilo de alumnio consome 14kWh para ser produzido, na sua fabricao original a partir do xido de alumnio, e parte desta energia pode ser devolvida numa clula Al/Ar, numa reao qumica inversa. Para isso, a capa de xido que existe normalmente sobre a superfcie do alumnio metlico precisa ser rompida, de modo que uma reao de oxidao se processe continuamente, e este o papel do eletrlito, sendo o mais comumente usado uma soluo de hidrxido de potssio.


A reao qumica completa produz uma voltagem bastante elevada:

Reaes parciais Voltagem Anodo Al + 4 OH-> Al(OH)4- + 3e -2.35 Catod

o 3/4 O2 + 3/2 H2O + 3e> 3OH

-

0.40

Global Al + 3/2 HO + 3/4 O2 > Al(OH)3 2.75 V Reaes qumicas e produo de energia numa Clula Al/Ar

Fonte: http://www.powerstream.com acessado.em 07Jan2007

4.2 DESAFIOS TECNOLGICOS

geralmente mais fcil levantar as descobertas e conquistas dos pesquisadores do que seus fracassos e frustraes, pois isto no costuma ser to divulgado. No diferente no caso da clula Alumnio/Ar.

H vrias dificuldades, tpicas do processo em si, que j foram ou esto sendo superadas. A primeira o controle da reao, pois assim que o Al colocado em contato com o eletrlito a reao comea, tornando a armazenagem destas clulas complicada e exigindo que anodo e eletrlito sejam separados.

O controle da reao de oxidao, de modo a modular o fluxo de energia outro desafio que j recebeu inmeras propostas de soluo. No caso das clulas que usam combustveis lquidos ou gasosos isto simples, bastando controlar o fluxo do combustvel. Mas no caso Al/Ar o anodo slido e mesmo as tentativas de pulveriz-lo no foram bem sucedidas. Uma possvel soluo o controle do acesso do oxignio, patenteada pela eVionyx.

A acumulao de uma gelia pelo hidrxido de alumnio formado outro problema, pois se deposita na superfcie do anodo bloqueando a reao, absorve lquido do eletrlito e obstrui a clula exigindo uma limpeza peridica. A soluo mais comum prover um sistema de recirculao do eletrlito e uma caixa separadora. Este um problema que a Europositron alega ter resolvido satisfatoriamente.

A troca do anodo de alumnio gera diversas dificuldades, para garantir a vedao sem criar obstculos operao normal da clula. A Alupower tem patente de um sistema com cartucho que parece bem prtico, pois torna a recarga mais simples sem requerer troca da clula.

Finalmente, segundo informao ao autor, dada pelo Dr. Harry Knickle da Universidade de Rhode Island, que fez avaliaes em prottipos destas clulas, uma das maiores dificuldades que a reao produz eltrons mas tambm desprende hidrognio como reao secundria, dependo das condies de operao. Segundo ele, bastante problemtico controlar esta reao secundria.

Uma verdadeira revoluo est em andamento na rea energtica, estrategicamente fundamental para a moderna sociedade tecnolgica. Muitas novas tecnologias disputam a


supremacia em diferentes aplicaes e nichos de mercado. As clulas combustveis do tipo Alumnio/Ar so uma possibilidade real e j encontram diversas aplicaes comerciais.

4.3 PERSPECTIVAS PARA AS CLULAS A ALUMINIO Alm da clula Al/Ar, diversas outras possibilidades tem sido testadas, algumas j

com relativo sucesso, como: Al/perxido de hidrognio para veculos e equipamentos submarinos; Al/permanganato, entre outras. Tambm diversas combinaes de ligas de Alumnio e adies no eletrlito tem sido experimentadas, principalmente para controlar a taxa da reao e a formao de gelia do resultante hidrxido de alumnio. Dentre as novidades recentes e possibilidades que merecem ateno podemos destacar:

Nova patente da Europositron Submetida em Jul/2004 pelo finlands Rainer Partanen, constitui uma novidade

importante em funo da performance indicada pelo prottipo, porm ainda dever ser desenvolvido um modelo para demonstrao. Trata-se de uma nova bateria, que pode ser recarregada cerca de 3.000 ciclos, utilizando eletroqumica com base em nanotecnologia, com as seguintes caractersticas: densidade de energia 2100 Wh/litro ou 1330 Wh/Kg, opera bem entre 40C e +70C, vida esperada at 30 anos.

Para exemplificar suas vantagens, estima-se que um veculo eltrico como o EV1 da General Motors poderia usar uma bateria de 60Kg ou 40 litros com capacidade de 80kWh, suficiente para uma autonomia mdia de 780Km entre recargas. Entretanto, com as baterias usadas pela GM, o peso do carro aumenta de 816 para 1550Kg, com autonomia limitada a 145Km trafegando em estradas. Ver www.europositron.com acessado em 06/01/2005.

Clulas para aplicaes navais Num primeiro fornecimento para a marinha canadense em 1992, a clula Al/Ar da

Alupower mostrou desempenho equivalente ao da clula a metanol da Ballard, ambas usando oxignio lquido no catodo, porm depois outras possibilidades foram preferidas. Mais recentemente, em Agosto de 2004 a eVionyx ganhou duas etapas seguidas de uma concorrncia para a marinha americana desenvolvendo uma clula Al/Ar com energia especfica de 500Wh/Kg e altas densidades de corrente. um grande mercado potencial.

Aplicaes em veculos Um artigo muito esclarecedor resume as pesquisas de YANG e KNICKLE. Design

and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles (Projeto e anlise de clulas Al/Ar para veculos eltricos). apresentada uma avaliao do desempenho, descrio de todo o processo de produo de alumnio e uma avaliao global de custos, considerando todo o ciclo, com o reaproveitamento dos resduos das clulas. Neste artigo foram relatados seu desempenho e as vantagens comparativas com outros tipos de baterias.

Durante a dcada de 90 houve uma grande busca por uma bateria que permitisse as montadoras oferecer um carro eltrico com desempenho e atratividade similar aos veculos tradicionais de motor a combusto interna, porm aparentemente sem sucesso. A grande novidade recente foi desenvolvida no MIT com base em tecnologia de nanofosfatos, que deu origem a empresa A123Systems para fabricar novas baterias do tipo ltio-ion de alta capacidade e baixo peso. A General Motors est contando com estas baterias para seu novo veculo VOLT e planeja realizar os primeiros testes no incio de 2008, prevendo a comercializao do veculo at 2010. Ver www.A123Systems.com


Entretanto, o custo e questes de segurana ainda so obstculos para baterias tipo ltio-ion. Por isso, outras montadoras ainda esto preferindo baterias tipo Nquel Hidreto, que tem custo menor, porm so mais volumosas e mais pesadas para uma capacidade de acumulao de energia equivalente. A poderia haver uma grande oportunidade para baterias a alumnio, algo que vale a pena ser verificado em profundidade, pelo interesse que representa para o nosso pas, como ser mostrado no item 5 abaixo.

Baterias para equipamentos fixos e portteis

Para equipamentos fixos, como baterias de emergncia ou de reserva j se usa clulas Al/Ar, consagradas como uma boa alternativa, com modelos comerciais disponveis, tais como os oferecidos pela Alupower, Fuel Cell Technologies, Yardley e outras. Tambm so a melhor alternativa para equipamentos portteis especiais que exigem alta densidade de corrente eltrica, como em aplicaes militares e outras.

Bateria comercial Al/Ar de alta capacidade, ver http://www.yardney.com/alu_power/index.html

Entretanto, h ainda um grande potencial de aplicaes para clulas Al/Ar em baterias para portteis, como computadores, telefones celulares e inmeros outros equipamentos similares, como mostraram prottipos como da Alupower, patenteado em Maro de 2002. Teoricamente, as baterias Al/ar so consideradas ideais para portabilidade, pois sua energia especfica terica alcana 8100 Wh/Kg, ou seja, muita energia em pouco peso.

A constituio esquemtica de uma bateria Alumnio/Ar a seguinte:

Fonte: http://www.ectechnic.co.uk/alumair.html

Recentemente este mercado vem sendo dominado pelas baterias de Ltio-ion, que tiveram um grande desenvolvimento. Entretanto, estas baterias geram um calor considervel durante sua operao e h vrios casos de problemas com exploses e incndio em computadores portteis, telefones celulares e outros eletrnicos portteis, lanando uma grande dvida quanto a sua segurana. Elas so muito sensveis tanto ao carregamento rpido quanto demanda por descargas fortes de energia em curtos espaos de tempo.


O consumo global de baterias representou US$ 48 bilhes em 2003, incluindo 110 milhes de baterias chumbo-cido para reposio em cerca de 80% dos veculos existentes. Este mercado dever atingir 65 bilhes at 2008 e, com o crescimento acelerado dos veculos eltricos, tornou-se vido de novas solues.

As fortes demandas do mercado e os desenvolvimentos de pesquisas recentes determinaro, nos prximos poucos anos, o futuro das clulas Al/Ar. H reais possibilidades de que se consolidem pelo menos como a melhor alternativa para algumas aplicaes especficas, podendo representar um papel auxiliar na transio para a Economia do Hidrognio.

5 . OPORTUNIDADES NO CONTEXTO ENERGTICO BRASILEIRO A proposio deste artigo, a ser avaliada em mais detalhe, estudar o aproveitamento

do alumnio como portador de energia para auxiliar no aproveitamento do potencial brasileiro ainda no utilizado, que se concentra na Amaznia e Centro-oeste. A distribuio atual a seguinte:

Fonte: CEPEL, Nov. 2004.

At o momento, apenas cerca de 28% do potencial eletrohidrulico brasileiro foi aproveitado, e encontra-se praticamente esgotado nas regies Sul e Sudeste, justamente as mais desenvolvidas e demandadoras de energia. O aproveitamento de, pelo menos, parte do potencial restante, se feito em grande escala, no teria justificativa econmica face aos consumos tradicionais, principalmente das regies circunvizinhas. Entretanto, poderia ser utilizado como energia para o sistema de transporte do pas, atravs de um portador como o alumnio e veculos eltricos, sem necessidade de grandes e custosas linhas de transmisso e distribuio.

Estas extensas linhas de transmisso so um aspecto relevante para o aproveitamento da hidroeletricidade a grandes distncias. A confiabilidade e qualidade do suprimento de energia so hoje fatores essenciais para grande parte dos consumidores. A medida que a distncia aumenta, passando por regies nas mais diversas condies, perde-se bastante nestes dois fatores. Tambm grande o impacto ao meio ambiente, nos ecosistemas por onde passam estas linhas, aumentando com sua extenso e com as necessidades de duplicao e vias de acesso para manuteno. Alm disso, h que considerar as perdas de energia por efeito Joule,


que so proporcionais ao comprimento do condutor. Para avaliar as implicaes deste efeito basta lembrar toda a tecnologia que precisou ser desenvolvida quando da construo da hidroeltrica de Itaip e que foi considerada como tendo alcanado o limite de viabilidade tcnico-econmica.

Em relao ao alumnio, por coincidncia, j existem grandes minas de bauxita de tima qualidade na regio, minrio que poderia ser usado para produo de alumnio (eletrometalurgia). o que a Albrs (Barcarena-PA) e Alumar (S. Luis-MA) j esto fazendo, e com grandes ampliaes de capacidade produtiva, colocando-as entre as maiores operaes integradas (do minrio ao metal) a nvel mundial.

Projetos de novas hidroeltricas, como Belo Monte p.ex., tm estimativa de custo de produo da ordem de US$0,012/kW, um dos mais baixos do mundo, o que aumenta a atratividade de novos empreendimentos eletro-intensivos. A previso de que dever estar em operao a partir de 2012. Entretanto, a necessidade de linhas de transmisso onera muito os investimentos, causa perda de energia considervel por efeito Joule e aumenta o impacto ambiental do empreendimento.

Para dar idia da dimenso e das implicaes destas linhas de transmisso basta observar uma representao grfica, mostrando a sua localizao geogrfica e extenso:

Fonte: CEPEL, Nov. 2004.

Considerando toda esta conjuntura, h casos como o da Islndia, que est desenvolvendo estudos e empreendimentos com a idia similar de exportar energia, sendo a produo massia de alumnio a estratgia principal, com a possibilidade de tambm usa-lo como portador de energia (VAN PELT, 2004).

Para complementar, podemos afirmar que o Brasil j possui atualmente base suficiente para realizar pesquisas nacionais visando o desenvolvimento e melhorias em clulas combustveis. Uma das reas de destaque tem sido a de Nanotecnologia, com realizaes


fundamentais para obteno de novos materiais, como para anodos, catodos e principalmente membranas de troca, que constituem questes chave para estas novas tecnologias. Recentemente os pesquisadores do CNEN, Comisso Nacional de Energia Nuclear, anunciaram a produo de uma membrana composta de nanoparticulas de carbono, adequada para ser usada em clulas combustveis.

6. CONCLUSES Face ao exposto, consideramos justificado que se promova um esforo de reavaliao

tcnica, cientfica e econmica para as Clulas Combustveis a Alumnio, tendo em vista os interesses para o planejamento energtico brasileiro e seu futuro aproveitamento.

Apesar de terem sido, historicamente, uma das primeiras a serem pesquisadas, apresentaram algumas dificuldades tecnolgicas que ainda no parecem totalmente superadas na prtica. Isto se deve, segundo esta avaliao, ao fato de que os interesses em jogo desviaram as foras impulsionadoras das pesquisas para outras direes. Apesar disso, as clulas Al/Ar j se consolidaram como a melhor alternativa em diversas aplicaes comerciais. Por outro lado, seu grande potencial de benefcios continua mantendo a atratividade para pesquisa e desenvolvimento deste tipo de clulas, fazendo com que alguns inovaes recentes lancem novas possibilidades, que podero vir a ser confirmadas e alcanar o mercado comercial em futuro prximo.

O eventual aproveitamento desta oportunidade, neste momento favorvel de transio de tecnologias, pode trazer uma nova alternativa, pela utilizao do Alumnio como armazenador e portador da energia hidroeltrica gerada em regies distantes do Brasil, de modo a poder ser utilizada nos centros consumidores de maneira racional, ambientalmente correta e energeticamente eficiente: quando, onde e na quantidade necessria.

Finalmente, no podemos ficar esperando que outros pases, com outros interesses e objetivos, desenvolvam tecnologias que possam ser teis para o Brasil. Precisamos estar atentos para identificar e tratar de desenvolver as tecnologias de interesse estratgico para o pas, como pode ser o caso das Clulas Combustveis a Alumnio.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

YANG, S., KNICKLE, H. Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles. Journal of Power Sources, 112 (2202) p. 162-173. KNICKLE, H. Mensagem atravs de correio eletrnico, enviada em 11/01/2005 para

LI, Q., BJERRUM, N. Aluminium as anode for energy storage. Journal of Power Sources, 110 (2002), p. 1-10. LENSSEN, N., FLAVIN, C. Sustainable energy for tomorrows world The case for an optimistic view of the future. Energy Policy, v.24, n.9, p.769-781.

PARRISH, A. Controlling corrosion enables Aluminum Air fuel cell. Fuel Cell Today, 13/03/2002, cpia em papel nos arquivos do autor.


ALUMINUM POWER INC. Aluminum The latest fuel in the Power Revolution. Fuel Cell Online, 7/10/2001, disponvel em acessado em 20/09/2004.

PERES, L.A.P. Baterias para VE: alguns aspectos tecnolgicos. Disponvel em site do Grupo de Estudos de Veculos Eltricos, da UERJ, datado 26/04/2004, acessado em 03/01/2005.

EVIONYX, INC. eVionyx awarded SBIR Phase II for Aluminum-Air fuel cell development. Disponvel em acessado em 10/12/2004.

VAN PELT, P. Cheap electricity from Iceland. Disponvel em < http://www.batteries digest.com/id301/htm> acesso em 06Jan2004.

SIQUEIRA, Ethevaldo. 2015 Como viveremos. S. Paulo: Saraiva, 2004. ALMEIDA, P.C. Planejamento e operao de grandes redes eltricas. In Workshop CEPEL 30 anos: Planejamento e Operao na CEPEL. EVWORLD. Entrevista com Steve Lapp 23set2005, revista especialista em veculos eltricos; Ver em: http://www.evworld.com/article.cfm?archive=1&storyid=898&first=6057&end=6056 Lapp Renewables Co. http://www.lapprenewables.com/ e-mail: [email protected]

PAINE, Cris, diretor. Quem matou o carro eltrico? Produo de Dean Devlin & Plinyminor, Who killed the electric car? foi lanado em Junho/2006 nos Estados Unidos; verso brasileira: Imagem Filmes, So Paulo www.imagemfilmes.com.br; para informaes, entrevistas, videos e artigos analticos ver http://www.pluginamerica.com/wktec.shtml CRONOLOGIA HISTRICA DOS VECULOS ELTRICOS disponvel em http://www.pbs.org/now/shows/223/electric-car-timeline.html , consulta em Agosto/2007.

BRODRECHT, D, RUSEK, J. Aluminum hydrogen peroxide fuel-cell studies. Applied Energy 74, 2003, p.113-124.

LOVINS, A, CRAMER, D. Hypercars, hydrogen, and the automotive trasition. Int. J. Vehicle Design, vol. 35, ns 1-2, 2004, p.50-85 disponvel em PDF para download no site do Rocky Mountain Institute www.rmi.org , consulta em Junho/2007.

LICHT, S. A novel aqueous aluminum/ permanganate fuel cell. Elsevier: Electrochemistry Communications I, 1999, p.33-36.

bateria de alumino

Documents