INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ

CURSO SUPERIOR EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

CÉLULAS A COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO: ESTUDO DE CASO COMPARATIVO COM UM MOTOR A COMBUSTÃO

JOÃO GASPAR BEZERRA FILHO

FORTALEZA 2008

JOÃO GASPAR BEZERRA FILHO

CÉLULAS A COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO: ESTUDO DE CASO COMPARATIVO COM UM MOTOR A COMBUSTÃO

Trabalho de final de curso apresentado e julgado adequado para aprovação na sua forma final pelos professores do Curso de Graduação em Tecnologia Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Ceará.

Orientador: Prof. Cícero Roberto de O. Moura, MSc.

Contato: johnfla_@hotmail.com / jgasparbf@hotmail.com

FORTALEZA 2008

DEDICATÓRIA

Dedico esta monografia a todas as pessoas que acreditam e

lutam a cada dia por tecnologias sustentáveis não agressoras ao meio ambiente,

que se preocupam com o mundo e mostram, até para os mais pessimistas, que o

homem pode utilizar os recursos do planeta respeitando-o.

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar, agradeço a Deus, em quem encontrei a força maior para

realizar este projeto.

À minha família, em especial aos meus pais, pela paciência e pelo apoio

que têm me dado até hoje.

Aos professores que ajudam a fazer com que o CEFET Ceará tenha cada

vez mais credibilidade perante o sistema de ensino do país.

À empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy, que muito me ajudou, através de e-

mails, tirando algumas dúvidas a respeito do tema desenvolvido.

Aos colegas que me ajudaram e superaram comigo momentos difíceis

durante o curso, momentos que foram fundamentais para nossa aprendizagem.

"A decomposição da água em seus elementos primitivos, naturalmente se dará através da eletricidade, que tornar-se-á uma poderosa força manejável.

Acredito que o hidrogênio e o oxigênio proporcionarão uma fonte inesgotável de calor e luz."

JÚLIO VERNE

RESUMO

Esta monografia discorre sobre as células combustíveis a hidrogênio, dispositivos

eletroquímicos que utilizam o hidrogênio para gerar energia elétrica que pode ser

utilizada em várias aplicações, desde o funcionamento de aparelhos portáteis, nos

meios de transporte e até mesmo em estações de energia. Abordar-se-ão

informações atuais sobre essa tecnologia que se desenvolve rapidamente devido

a altos investimentos de empresas e instituições renomadas em todo o mundo.

Através de um estudo de caso comparar-se-á a célula a combustível a um motor

a combustão interna utlizando o etanol, destacando assim, as vantagens da

primeira, no que diz respeito à eficiência e aos benefícios ambientais.

PALAVRAS-CHAVES: energia renovável, célula combustível, hidrogênio,

tecnologia.

ABSTRACT

This monograph talks about the fuel cells to the hydrogen, electrochemical devices

that use hydrogen to generate electricity, which can be used in various

applications, from power stations or even on handheld devices or means of

transportation. Are shown to the reader current information on this technology,

which is developed quickly due to high investment of renowned companies and

institutions around the world. Through of a case study are made comparisons

between the fuel cell and a internal combustion engine that uses ethanol,

highlighting the advantages of the first, on efficiency and environmental benefits

KEY WORDS: energy renewable, fuel cell, hydrogen, technology.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1a: Densidade de energia por massa em kWh/kg.................................. 14

Figura 2.1b: Formas de Produção de Hidrogênio................................................. 14

Figura 2.2: Turbina eólica..................................................................................... 18

Figura 2.3: Funcionamento básico e Reações de uma célula a combustível ....... 30

Figura 2.4: Pilha de célula a combustível ............................................................. 32

Figura 2.5: Sistema de Célula a Combustível da Ballard Power Systems ........... 38

Figura 2.6: AUTOnomy da GM............................................................................. 39

Figura 2.7: Início da produção em larga escala do FCX Clarity no Japão............ 43

Figura 2.8: Posco Power - Usina de Energia através de célula combustível na

Coréia do Sul........................................................................................................ 45

Figura 2.9: Célula Combustível híbrida da Sony .................................................. 46

Figura 2.10: Laptop de célula combustível a Metanol Direto da Lg...................... 47

Figura 2.11: Veículo militar GM equipado com sistema de célula combustível .... 48

Figura 2.12: (PEMFC) Célula Combustível de Membrana de Troca de Prótons.. 49

Figura 2.13: Célula a Combustível de Metanol Direto (DMFC) ............................ 51

Figura 2.14: Nova membrana desenvolvida pela MTI .......................................... 52

Figura 2.15: Célula a Combustível de Etanol Direto. Biocélula que funciona com

etanol ou água e açúcar....................................................................................... 56

Figura 2.16: Cronograma das prioridades do Roteiro Brasileiro para Estruturação

da Economia do Hidrogênio no Brasil .................................................................. 57

Figura 3.1: Energia útil fornecida por um motor a combustão interna utilizando 1

litro de álcool. ....................................................................................................... 61

Figura 3.2: Energia útil fornecida por uma célula a combustível que recebeu

hidrogênio obtido através da reforma de 1 litro de etanol. ................................... 61

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Preços estimados para viabilidade das células combustíveis ........... 40

Tabela 3.1: Unidades de Energia e Conversão.................................................... 59

Tabela 3.2: Valores de matéria e energia ............................................................ 60

Tabela 3.3: Comparação entre veículos a hidrogênio e a combustão.................. 63

Tabela 3.4: Comparação entre a eficiência anual de um veículo a célula

combustível mais reformador e um veículo com motor a combustão interna....... 64

Tabela 3.5: Comparação entre as emissões de CO2 da gasolina e do álcool

(etanol) ................................................................................................................. 65

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 11

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA....................................................................... 13

2.1 Hidrogênio .................................................................................................... 13

2.1.1 Propriedades ............................................................................................... 13

2.1.2 Produção ..................................................................................................... 14

2.1.2.1 Eletrólise................................................................................................... 16

2.1.2.2. Reforma a vapor...................................................................................... 18

2.1.2.3 Outras formas de produção.................................................................... 221

2.1.3 Armazenamento .......................................................................................... 22

2.1.4 Distribuição.................................................................................................. 24

2.2. Célula a Combustível .................................................................................. 26

2.2.1 Definição e conceitos .................................................................................. 27

2.2.2 Composição ................................................................................................ 27

2.2.3 Princípio de funcionamento ......................................................................... 29

2.2.4 Sistema de célula a combustível ................................................................. 33

2.2.5. Vantagens das células combustíveis ......................................................... 36

2.2.6. Aplicações .................................................................................................. 40

2.2.7. Tipos de células a combustível .................................................................. 48

2.2.8. Projetos no Brasil e no mundo ................................................................... 56

3. ESTUDO DE CASO ......................................................................................... 59

3.1. Considerações iniciais................................................................................... 59

3.2. Reforma do etanol na plataforma Unicamp x combustão interna do etanol .. 60

3.3. Comparação entre um veículo a combustão de etanol e um veículo a célula

combustível a hidrogênio...................................................................................... 62

4. CONCLUSÃO .................................................................................................. 67

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................... 69

11

1. INTRODUÇÃO

Algumas das maiores preocupações da humanidade, presentes

diariamente em manchetes e noticiários nos meios de comunicação, estão

relacionadas às crises energéticas, problema muito grave no mundo, que envolve

várias complexidades. Dentre estas preocupações, pode-se citar a poluição do

meio ambiente, pois se as emissões de gases tóxicos não forem bruscamente

reduzidas, há grandes possibilidades de o mundo ficar inabitável nos próximos

anos.

Outro fator associado às crises energéticas é a escassez de combustíveis

fósseis em grandes partes do mundo, tendo como conseqüência o aumento dos

preços desses combustíveis. Pesquisadores acreditam que as reservas mundiais

de petróleo estarão escassas em 30 ou 40 anos. Diante disso, as próprias

empresas produtoras de petróleo já investem em outras fontes de energia, ou

seja, já se preparam para uma nova era de energias renováveis, com as células

combustíveis a hidrogênio.

Neste trabalho, é mostrada uma possível solução tecnológica para o

problema energético ambiental, que são as chamadas células a combustível, ou

células combustíveis, as quais, já estão sendo aplicadas em diversos setores

industriais (eletro-eletrônicos, portáteis, veículos) e energéticos, e vêm se

desenvolvendo dia após dia com o investimento de grandes empresas.

A célula a combustível é uma tecnologia que compreende um processo

eletroquímico que tem como princípio de funcionamento gerar energia elétrica

através da reação dos gases hidrogênio (H2) e oxigênio (O2), expelindo para o

meio ambiente apenas água e calor. Essa reação chama-se hidrólise, que é o

processo contrário ao da eletrólise. Logo, com a célula combustível é possível

diminuir as emissões de gases poluentes ao meio ambiente, além da diminuição

da poluição sonora e dos lençóis freáticos.

Consciente disso, tentar-se-á mostrar nesta pesquisa, os vários meios de

se extrair o hidrogênio, alguns mais viáveis, outros nem tanto, mas, que ao longo

do tempo, alcançarão sua viabilidade econômica, destacando-se alguns meios

mais poluentes e outros que podem chegar a uma poluição mínima.

12

Segundo Gomes Neto, diretor da empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy, os

custos dessa tecnologia têm caído 25% nos últimos anos, e especialistas

acreditam que entre o ano de 2030 e 2045, comece uma nova era da energia no

mundo.

1.1. Objetivos

Abordar os diferentes tipos e aplicações das células combustíveis, mostrando

suas perspectivas de ser a principal tecnologia para geração de energia do

mundo.

Expor soluções aplicáveis das células combustíveis em aparelhos portáteis,

geração de energia estacionária, automóveis, dentre outros, para diminuir

problemas ambientais como o aquecimento global.

Trazer um estudo de caso, com números baseados em aplicações reais, que

confirmam as vantagens ambientais e energéticas das células combustíveis,

utilizando as fontes de energia de uma maneira mais adequada, em especial o

etanol, já que essas podem ser transformadas em hidrogênio, o combustível das

células.

1.2. Estrutura do trabalho

O Capítulo 1 corresponde à introdução, onde são apresentados o tema, as

justificativas e objetivos da pesquisa.

O Capítulo 2 traz uma fundamentação teórica, expondo o funcionamento, as

aplicações, vantagens e perspectivas das células combustíveis.

No Capítulo 3, abordar-se-á um estudo de caso que mostra números

comparativos entre a energia gerada por 1 litro de etanol diretamente em um

motor a combustão interna, e também de 1 litro de etanol, do qual foi extraído o

hidrogênio, este utilizado em uma célula combustível. Seu objetivo é realizar uma

comparação que mostre, em números aplicáveis, as vantagens de rendimento de

uma célula combustível perante um motor a combustão.

13

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Hidrogênio

Este subcapítulo trata do hidrogênio, o combustível das células

combustíveis. Na realidade, esse gás não é uma fonte primária de energia, mas

sim, um vetor energético, pois ele não é encontrado livre na natureza, sendo

necessário produzi-lo a partir de tal fonte primária.

O hidrogênio pode ser produzido através da eletrólise da água, utilizando

energia procedente de hidrelétricas, energia eólica, solar, etc. Também pode ser

produzido a partir da reforma de combustíveis fósseis ou biocombustíveis, e

ainda, através do biogás presente nos lixões e esgotos.

Será abordado, ainda, os meios de armazenamento do hidrogênio, e as

formas de sua distribuição para chegar até o consumidor e ser empregado nas

células combustíveis.

2.1.1 Propriedades

Segundo Gomes Neto (2005, p.87), o hidrogênio é o elemento mais

abundante de todo o Universo. Compondo 90% das moléculas existentes, como

por exemplo, a água (H2O), ele não é encontrado em sua forma elementar, ou

seja, sempre está combinado com outros elementos, formando as moléculas.

Em condições ambientes de temperatura e pressão, o hidrogênio é um gás

incolor, inodoro, insípido e bem mais leve que o ar. Caso esteja no estado líquido,

possui um volume 700 vezes menor que no seu estado gasoso, mas para isso é

preciso armazená-lo sob a temperatura de -253 °C. Outra forma de diminuir seu

volume é comprimindo-o quando está na forma de gás.

De acordo com Almeida (2005, p.04), o hidrogênio tem cerca de 2,4 vezes

mais energia que o gás natural por unidade de massa, e cerca de 1100 vezes

mais que uma bateria ácida. Sabendo-se que 1 watt equivale a 3600 joules, ver

figura 2.1a.

14

Figura 2.1a: Densidade de energia por massa em kWh/kg. Fonte: (ALMEIDA, 2005.)

Apesar de o hidrogênio possuir esse alto grau de energia por massa, ele

precisar ser utilizado sob altas taxas de compressão, já que em pressão

ambiente, tende a se expandir bastante.

2.1.2 Produção

A figura 2.1b mostra as principais formas de produção do hidrogênio, comentadas posteriormente.

Figura 2.1b: Formas de Produção de Hidrogênio. Fonte: o Autor

De acordo com a empresa Arkitel apud Marques (2004, p.8), a produção

mundial de hidrogênio atualmente é de 500 bilhões de metros cúbicos por ano.

15

Aparentemente um número alto, porém, equivale a apenas 10% da produção de

petróleo no mundo. Em relação à fonte de obtenção do hidrogênio, este pode ser

classificado como: “Green Hydrogen”, o hidrogênio limpo, extraído de fontes de

energia limpas e renováveis, como solar, eólica, a partir de biocombustíveis, etc.

ou “Black Hydrogen”, quando o hidrogênio é extraído de fontes fósseis de energia,

como o petróleo ou o gás natural.

Atualmente, a maior parte da produção de hidrogênio provém de fontes de

energia poluentes convencionais fósseis. Em alguns anos, isso deve mudar, já

que países como o Brasil e Argentina apostam em fontes alternativas para

obtenção de um hidrogênio limpo.

“Estima-se que haja cerca de 750 milhões de veículos pelo mundo,

alimentados por combustíveis fósseis. Isso não é nada bom se

considerarmos que os gases expelidos por esses veículos são

responsáveis por 17% das emissões de CO2, um dos gases que causam

o efeito estufa. O número de veículos deve dobrar nos próximos 25 anos”

(BOTO, 2007).

Cada país ou região deverá produzir seu hidrogênio para células

combustíveis de acordo com suas reservas ambientais ou como for mais viável

para sua economia.

2.1.2.1 Eletrólise

A produção de hidrogênio através da eletrólise é uma das mais

conhecidas, devido às experiências de ciências desenvolvidas na escola. Estima-

se que no futuro deverá ser uma das formas mais comuns de se produzir

hidrogênio, já que é o método menos poluente. Porém atualmente é um dos

meios menos viáveis de se produzir hidrogênio.

De acordo com Marques (2004, p.12), apenas 2% do hidrogênio produzido

no mundo se dão através da eletrólise. Isso devido ao custo elevado da

eletricidade que equivale a 2/3 (dois terços) do custo operacional da produção do

hidrogênio. Porém, com uso de fontes alternativas de energia, como a eólica e a

solar, isso pode ser viável, como ocorre na Alemanha.

Essa produção se dá através da quebra da molécula de água (H2O) em

seus átomos constituintes, o hidrogênio (H) e o oxigênio (O), por meio de uma

16

corrente elétrica que passa por dois eletrodos, atravessando uma solução

aquosa.

De acordo com Gomes Neto (2005, p.115), o processo mais conhecido

comercialmente chama-se eletrólise alcalina, é empregado na produção em larga

escala de hidrogênio. Para quebrar a molécula de água em seus constituintes, é

necessário ser aplicada uma tensão maior que 1,23 volts, que, na prática, aplica-

se 1,5 volts, a tensão de uma pilha comum. Essa tensão será aplicada entre os

eletrodos da solução descrita de água e cloreto de sódio.

Segundo Silveira (2006, p.7), para se produzir 1 m3 de hidrogênio através

de um eletrolisador com 80% de eficiência, gasta-se 4,4 kWh de energia elétrica.

Sabe-se que a densidade do hidrogênio é de 0,0899 kg/m3, com esses dados

obtém-se que 1kg de hidrogênio ocupa 11,123 m3. Multiplicando esse último valor

pela quantidade de kWh necessária para se produzir 1 m3, (4,4 kWh), conclui-se

que para se produzir 1kg de hidrogênio, são gastos 48,94 kWh, com uma

eficiência de 80%.

Com os dados anteriores, chega-se à conclusão de que a viabilidade da

eletrólise vai depender da forma de produção da energia elétrica utilizada. Por

exemplo, não é viável produzir hidrogênio no horário de pico das hidrelétricas, se

for utilizada essa forma de energia elétrica na eletrólise. Mas pode ser bastante

viável produzir hidrogênio a partir de eletrolisadores que utilizam a energia solar,

ou eólica, ou até mesmo a das próprias hidrelétricas. Nesse último caso,

produzindo o hidrogênio no horário da madrugada, quando o consumo de

eletricidade é baixo, a própria companhia, como é o caso de Itaipu, pode

comercializar o hidrogênio, como apontam alguns projetos.

a) Energia solar

Sabe-se que uma rica fonte de energia renovável e não poluente é a

energia solar, liberada pelo núcleo do sol.

Assim sendo, existem dois modos de produzir eletricidade a partir do sol:

por células fotovoltaicas, que convertem diretamente a luz do sol em corrente

elétrica ou por centrais termo-solares, que utilizam o calor radiado pelo sol para

produzir a eletricidade.

O primeiro modo utiliza painéis fotovoltaicos, convertendo os fótons em

elétrons. De acordo com Marques (2004, p.17), são recomendados para

17

aplicações que não ultrapassem 1MW na capacidade de produção. Logo, para se

produzir eletricidade em larga escala, esta não é a melhor opção, sem esquecer

da principal desvantagem, o elevado preço do equipamento.

Já as centrais termo-solares, que utilizam o calor radiado pelo sol para

gerar eletricidade através de refletores parabólicos e torres solares, são mais

viáveis para produção em grande escala. Segundo Marques (2004, p.17), os

refletores parabólicos possuem uma capacidade de geração de 30-80 MW,

enquanto as torres solares podem constituir centrais com capacidade na ordem

dos 200 MW, atingindo temperaturas na faixa dos 1000 °C.

Ambos os modos não são poluentes e se beneficiam pelo fato da energia

solar ser gratuita, além da vantagem de se produzir hidrogênio em casa ou em

centros produtores finais de distribuição ou postos de combustíveis, eliminando

perdas de distribuição. Com o desenvolvimento de materiais semicondutores, a

sua eficiência tende a aumentar.

b) Hidrelétricas

Embora haja dificuldades para se produzir hidrogênio através da eletrólise,

existem iniciativas a nível nacional para superá-las, como a de Itaipu em parceria

com a Unicamp, Ford e Daymler-Chrysler.

O diretor técnico da Itaipu Binacional, Antônio Otelo Cardoso, afirma que

há solução para esses dois casos. Ele revela que há uma grande quantidade de

água desperdiçada de madrugada, quando o consumo é menor. Então, a

produção de hidrogênio seria nesse horário e, além disso, com a vantagem de

possuir extensas linhas de transmissão elétrica, a fábrica poderia ser instalada

mais próxima de grandes centros consumidores, como São Paulo, minimizando o

custo com o transporte do hidrogênio, já que acima de 200 quilômetros, o custo

de transporte torna-se complicado economicamente. O então diretor da Itaipu

ainda acredita que projetos como esse podem ser desenvolvidos em outras

hidrelétricas do país.

18

c) Energia eólica

De acordo com Marques (2004, p.16), o vento representa uma das fontes

de energia que mais crescem a nível mundial, com a capacidade de cerca de 20

GW em todo o mundo. Os países que mais investem na energia eólica são a

Alemanha, a Dinamarca, os Estados Unidos, Índia e Espanha.

A energia eólica é uma forma limpa de energia renovável. No Brasil, esta

tecnologia ainda está em crescimento, destacando-se o estado do Ceará que,

segundo Pinheiro (2007), foi feito um levantamento com 160 mil consumidores.

Em outros locais como Paraná, Santa Catarina, Minas Gerais, Rio de Janeiro, Ilha

de Marajó e Pernambuco, também já foram feitos levantamentos que apontaram

um potencial de 20,3 MW das turbinas de médio e grande porte. A energia eólica

é uma das alternativas para viabilizar a produção de hidrogênio através da

eletrólise. A seguir, na figura 2.2 é mostrada uma turbina eólica.

Figura 2.2: Turbina eólica.

2.1.2.2. Reforma a vapor

A reforma a vapor é uma forma de produção de hidrogênio a partir de um

processo térmico que envolve a reação de um combustível com o vapor de água.

Esse combustível tanto pode ser fóssil como um biocombustível. Ao final da

reação são produzidos hidrogênio e dióxido de carbono.

Para que essa reação ocorra, é misturado o combustível a ser reformado

com água e catalisadores, dentro de um tanque de 450 a 500 °C de temperatura

19

informada por Gomes Neto (2005, p.157). Logo, para alcançar tal temperatura,

parte do combustível utilizado na reforma deve ser queimada, aquecendo o

tanque. Então, pode-se concluir que a reforma a vapor é mais poluente do que a

eletrólise, porém, como afirma o próprio Gomes Neto (2005, p167), a reforma do

metano (gás natural) expele em média 50% menos dióxido de carbono do que um

motor a combustão.

No caso da reforma do metano, por exemplo, o processo é realizado em

duas etapas. Na primeira, ocorre a reação entre o metano e o vapor de água na

presença de um catalisador, como o níquel, numa elevada pressão e temperatura,

produzindo hidrogênio e monóxido de carbono (CO). Então, na segunda fase do

processo, o monóxido de carbono produzido anteriormente é combinado com o

vapor de água, produzindo dióxido de carbono (CO2) e ainda mais hidrogênio

(H2). As reações são mostradas na equação 2.1.

Equação 2.1: Reação da Reforma a vapor

Ao final da reação fica: CH4 + 2H2O � CO2 + 4 H2. Ou seja, uma molécula

de metano e duas moléculas de água produzem quatro moléculas de hidrogênio e

uma molécula de dióxido de carbono.

Segundo Marques (2004, p.9), a reforma do metano é um dos processos

com maior eficiência para se produzir hidrogênio, alcançando 70 a 80% de

rendimento. A capacidade de produção de hidrogênio em larga escala pode

chegar a 100 mil metros cúbicos por hora.

Apesar de que, no ponto de vista ambiental, esse método não seja o mais

favorável, pelo fato do dióxido de carbono (CO2) ser poluente, contribuindo para o

aumento do efeito estufa, ainda é mais adequado reformar esses combustíveis

fósseis em hidrogênio do que queimá-los diretamente em um motor a combustão,

processo de baixa eficiência e mais poluente.

Existem projetos com o intuito de se fazer pequenos reformadores para

produção de hidrogênio em residências, indústrias e postos de hidrogênio.

20

a) Fontes fósseis

A maior parte do hidrogênio produzido no mundo é originada de fontes

fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão. Segundo Gomes Neto (2005,

p.114), a maior parte da produção anual de hidrogênio se dá pelo carvão

gaseificado (90 bilhões de m3), gás natural (240 bilhões de m3), reforma de

petróleo (150 bilhões de m3).

Apesar de poluentes, ainda poluem menos, quando são reformados e

usados para produzir hidrogênio para ser utilizado em células combustíveis, do

que se fossem usados diretamente em um motor a combustão. Isso porque as

células a combustível possuem um elevado rendimento, diminuindo a quantidade

de combustível necessária para proporcionar uma mesma quantidade de potência

de uma aplicação a combustão, conseqüentemente, diminuindo a emissão de

gases como o dióxido de carbono (CO2). Além disso, alguns gases tóxicos como

o NOX e o SOX (óxido de nitrogênio e óxido de enxofre) só são liberados pela

combustão, o que não acontece nas células combustíveis.

b) Biocombustíveis

O biocombustível é uma forma de energia renovável e bem menos

poluente do que os combustíveis fósseis. O Brasil tem um altíssimo potencial para

explorar esse meio de extração de hidrogênio para células a combustível.

Os biocombustíveis são extraídos a partir do lixo em aterros sanitários, da

gaseificação da biomassa e do excremento de animais. Também são

considerados biocombustíveis o álcool produzido através do milho ou da cana-de-

açúcar e o biodiesel extraído de outros vegetais.

A seguir serão comentados o etanol e a gaseificação da biomassa por já

terem alcançado certo desenvolvimento prático para se produzir hidrogênio.

b1) Etanol

O etanol é o álcool produzido através da cana-de-açúcar ou do milho,

também conhecido como álcool etílico. No Brasil, é muito utilizado no setor de

transportes, sendo extraído da cana-de-açúcar. Já nos EUA, o etanol é extraído

do milho. Esses países são os maiores produtores mundiais desse combustível.

21

De acordo com Gomes Neto (2005, p. 74), aproximadamente 75% do

álcool produzido no Brasil é proveniente do caldo da cana-de-açúcar e o restante

(25%) do melaço resultante da produção de açúcar.

Em março de 2008, o Laboratório Central da Toyota, no Japão,

desenvolveu uma forma para produção de hidrogênio a partir do etanol, duas

vezes mais eficiente que os sistemas convencionais. Utiliza-se uma mistura de

água e etanol, que passa por todo um procedimento, alcançando uma eficiência

de 80%.

O etanol tanto pode ser utilizado diretamente em uma célula combustível

chamada DEFC (Célula a Combustível de Etanol Direto), como também pode ser

reformado em hidrogênio externamente à célula combustível, sendo utilizado em

uma célula do tipo PEMFC (Célula a Combustível de membrana por troca de

prótons).

b2) Biomassa

Considerar-se-ão biomassa, os resíduos agrícolas como os do bambu, o

bagaço da cana-de-açúcar e a lenha. A biomassa tem sido uma fonte especial de

geração na indústria de energia. Ela pode ser convertida em biogás, em

combustível líquido, e também em hidrogênio.

Segundo o Inbambu apud Gomes Neto (2005, p.107), “de todos os tipos de

biomassa, o bambu é a planta mais eficiente para obtenção de hidrogênio”.

O biogás proveniente da biomassa possui menos metano que o biogás

produzido pelo lixo urbano, mas, ainda assim, é uma fonte de hidrogênio.

2.1.2.3 Outras formas de produção

Ainda existem outras maneiras de se produzir hidrogênio, como por

exemplo, através do biogás de lixões e esgotos, e ainda, a partir de bactérias

estudadas em laboratório. A seguir será abordado o primeiro método por já ser

colocado em prática por alguns países.

a) Lixo urbano

Os gases produzidos pela ação de bactérias, no lixo orgânico das cidades,

contêm metano (CH4), dióxido de carbono (CO4) e nitrogênio, além de hidrogênio

22

e oxigênio em menores quantidades. A maior parte desse gás produzido a partir

do lixo orgânico contém metano, que é rico em hidrogênio. Segundo Gomes Neto

(2005, p.117), o metano é o maior causador do efeito estufa, sendo 23 vezes mais

perigoso que o dióxido de carbono (CO2), por isso muitos aterros sanitários

preferem queimá-lo, emitindo gases poluentes, a liberá-lo diretamente à

atmosfera. Logo, ao utilizar o metano como fonte de extração de hidrogênio,

ameniza-se um grande problema ambiental. Como o hidrogênio produzido pelo

gás do lixo urbano não é totalmente puro, ele precisa ser filtrado para que não

prejudique os componentes da célula combustível.

De acordo com o Ministério do Meio Ambiente apud Gomes Neto (2005, p.

130), “o potencial energético dos aterros sanitários em 91 cidades brasileiras é de

344 megawatts, e em 2015, estima-se 440 megawatts, o que daria para atender

uma cidade de 8 milhões de habitantes.”

2.1.3 Armazenamento

O maior desafio no projeto de tanques de hidrogênio é o de se poder

armazenar a maior quantidade de hidrogênio possível em um tanque de

combustível que ocupe o menor espaço, peso e custo.

O hidrogênio pode ser armazenado de várias maneiras, onde as principais

são em estado gasoso (GH2), comprimido em cilindros a temperatura ambiente e

no estado líquido (LH2), em tanques criogênicos, que não trocam temperatura

com o meio externo.

A autonomia dos veículos ou de outras aplicações está diretamente

relacionada com a capacidade de armazenamento dos tanques de combustível,

fazendo com que se destaque a importância desse tópico. Os desafios são

inúmeros. Na sua forma gasosa, é importante garantir que os tanques

proporcionem certa segurança em relação à pressão que possam suportar. Já

para o hidrogênio líquido, os cuidados são em relação aos tanques criogênicos,

que devem assegurar temperaturas abaixo de – 252,8 °C, que é a temperatura de

ebulição do hidrogênio (quando ele deixa de ser líquido passando a ser gás).

Existem também outras formas de se armazenar o hidrogênio, como o

armazenamento em metais, em microesferas e nanofibras de carbono,

23

tecnologias promissoras, mas pouco empregadas, por isso, serão apenas citadas

neste trabalho.

a) Hidrogênio comprimido

A melhor e mais utilizada forma de armazenar o hidrogênio em seu estado

gasoso é através da compressão. Para isso, são necessários alguns

equipamentos, como compressores, cilindros de armazenagem e pistolas de

enchimento. Os projetistas tentam, cada vez mais, armazenar mais hidrogênio em

menos espaço possível, o que acarreta na utilização de matérias cada vez mais

resistentes a pressão, para que não ocorra nenhum risco.

De acordo com Marques (2004, p.25), as pressões mais típicas dos

cilindros variam entre 350 a 700 bar. As empresas automotivas desejam utilizar

nos seus veículos, cilindros de 700 bar. Na prática, estes já superaram o teste de

explosão para 1620 bar, isso devido à margem de segurança que deve haver

para seu uso comercial.

Os materiais utilizados, além de resistentes, devem ser leves, por isso, são

adotados materiais plásticos e de fibra de carbono ultra-resistentes, que chegam

a ser 5 vezes mais leves que os cilindros metálicos. Eles podem ser ainda de

alumínio com fibra de carbono ao seu redor, de modo que resistam a maiores

impactos.

Também, devem ser tomados cuidados em relação à temperatura, tendo

em vista que altas temperaturas podem aumentar a pressão no cilindro em 10%

ou mais, devido à dilatação do hidrogênio.

b) Hidrogênio líquido

O hidrogênio líquido também pode ser uma boa alternativa de

armazenamento, tendo em vista os desafios do hidrogênio gasoso. A vantagem é

que não é preciso armazenar o hidrogênio comprimido em altíssimas pressões,

porém, para deixá-lo no estado líquido será necessária a utilização de tanques

criogênicos, que não trocam calor com o ambiente externo. O hidrogênio líquido

ocupa 700 vezes menos espaço do que em seu estado gasoso, em temperatura

ambiente. Para utilizá-lo posteriormente em sua forma gasosa, ele deve ser

pressurizado através de uma bomba criogênica.

24

Os tanques de armazenamento criogênicos devem manter o hidrogênio

líquido a - 253 °C, e isso gasta bastante energia. De acordo com Marque (2004,

p.27), 30 a 40% da energia do hidrogênio é gasto para armazená-lo no estado

líquido. Mesmo assim, como o hidrogênio é uma substância muito energética,

essa alternativa de armazenamento também pode valer a pena.

Gasta-se mais energia para armazenar o hidrogênio líquido do que para

armazená-lo em estado gasoso. Porém, um tanque de LH2 equivale

energeticamente a 10 tanques de GH2 já pressurizado. Sendo assim, conclui-se

que para grandes distâncias a serem percorridas por caminhões tanque, entre a

central de produção, se for o caso, e o consumo final, será mais viável armazenar

o hidrogênio em seu estado líquido.

Geralmente, os tanques criogênicos são construídos em formato esférico,

sendo revestidos por uma parede isolante, para que não ocorra troca de calor

com o ambiente externo. Entre a parede do tanque e o material isolante há um

espaço de vácuo, para tornar o tanque ainda mais térmico.

2.1.4 Distribuição

Várias são as maneiras de distribuir o hidrogênio para os usuários da

tecnologia de células combustíveis. O hidrogênio pode chegar aos postos por

meio de tubulações de gás, por caminhões ou até ser produzido no próprio posto.

De acordo com Gomes Neto (2005, p. 124), em 2005 foram construídos

cerca de 25 a 50 postos de hidrogênio em todo o mundo. Alguns desses postos

são capazes de abastecer cerca de 1 a 5 veículos por dia, já que a demanda

ainda é baixa. O ano de 2008 foi marcado pelo início da comercialização do

hidrogênio em maior quantidade e do aumento do número de postos.

A Califórnia, nos EUA, é um dos estados do mundo que mais está

implantando a tecnologia de células combustíveis, construindo vários postos. De

acordo com Gomes Neto (2005, p.133), até 2010 são previstos de 150 a 200

postos de hidrogênio nesse estado. Já no Brasil, a primeira estação experimental

de hidrogênio foi desenvolvida em 2006, na Universidade Estadual de Campinas

(Unicamp). O hidrogênio deve ser produzido no próprio posto através da reforma

do etanol (álcool).

25

“Entre 2003 e 2004, a maior parte dos postos de hidrogênio instalados em

todo o mundo (91%) forneceu este combustível no estado gasoso, pois é mais

fácil e barato armazená-lo” (Gomes Neto, 2005, p. 126). Vale destacar que

existem inúmeras empresas que já trabalham com outros tipos de gases

comprimidos, logo, suas experiências podem ajudar bastante a viabilizar o

desenvolvimento do armazenamento desse novo combustível.

A seguir, detalhar-se-ão algumas opções de distribuição de hidrogênio.

a) Hidrogênio comprimido em caminhões-trailer

Essa opção consiste em utilizar um caminhão equipado com um trailer de

hidrogênio comprimido para transportar o hidrogênio da fábrica até o posto. O

trailer utiliza um compressor para descarregar o hidrogênio em um pequeno

gasoduto que o leva até a bomba. Então, quando esse trailer de cilindros de alta

pressão estiver prestes a ficar vazio, será substituído por outro. A capacidade

total de cada trailer é de 280 kg de hidrogênio em pressões que variam entre

2.400 a 3.100 libras (168 a 217 bar), que pode abastecer uma considerável

quantidade de veículos por dia.

b) Hidrogênio comprimido em cilindros unitários

Essa segunda opção é semelhante à primeira, porém, cada cilindro unitário

só armazena cerca de 4,3 kg de hidrogênio a 3.000 libras (210 bar). Cada cilindro

é capaz de abastecer uma media de 1 a 2 veículos, sendo aconselhável para

postos ainda em fase de testes.

c) Hidrogênio líquido em caminhões com tanques criogênicos

De acordo com Marques (2004, p.28), no estado liquido, o hidrogênio

ocupa cerca de 10 vezes menos espaço do que se estivesse no estado gasoso

comprimido. Isso trás uma vantagem considerável para o transporte desse

combustível a longas distâncias. Um caminhão equipado com tanque criogênico

pode armazenar de 10.000 a 15.000 kg de hidrogênio, cerca de 10 vezes mais do

que um caminhão trailer com hidrogênio comprimido. Após o transporte, o

hidrogênio pode ser convertido e comprimido, para ser utilizado na bomba na

forma gasosa.

26

d) Gasodutos

Utiliza-se gasodutos para o transporte do hidrogênio até os postos. Para

isso, seria necessária a construção de vários gasodutos de hidrogênio em todo o

mundo, já que, ao contrário do gás natural, existem poucos desses gasodutos no

planeta, o que exigiria ainda muitos investimentos. A vantagem dessa opção é a

de se eliminar gastos com transportes via caminhões ou outros.

e) Produção local por eletrólise da Água e produção local através da reforma

do gás natural ou do biogás

Para se obter hidrogênio a partir da eletrolise no próprio posto, é

necessário uma máquina, o eletrolisador. Esse sistema de produção tem a

vantagem de não precisar de transportes para trazer o hidrogênio da fábrica ao

posto, cortando, assim, alguns custos.

Segundo Gomes Neto (2005, p. 129), um eletrolisador com 100% de

eficiência utiliza uma quantidade de energia elétrica de 33 kW por hora para

produzir 1 kg de hidrogênio nessa mesma quantidade de tempo. Geralmente, as

eficiências dos atuais eletrolisadores variam entre 60 a 90%.

Quanto ao gás natural, já comentado anteriormente, através de

reformadores, certas cidades que já possuem redes canalizadas de gás, poderão

utilizar essa infra-estrutura para produzir o hidrogênio no próprio posto.

2.2. Célula a Combustível

A seguir, tentar-se-á oferecer uma visão geral das células combustíveis, a

tecnologia que utiliza o hidrogênio para gerar a energia elétrica que pode ser

utilizada em inúmeras aplicações.

Após a definição e conceitos, serão mostrados os componentes básicos de

uma célula a combustível e, em seguida, seu princípio de funcionamento.

Posteriormente, comentar-se-á como funciona, na prática, um sistema de várias

células combustíveis.

Enumerar-se-á, ainda, neste subcapítulo, algumas vantagens das células

combustíveis em relação a outras tecnologias de geração de energia. Em

seguida, destacar-se-ão as aplicações e os tipos de células combustíveis. E, para

finalizar, serão expostos alguns projetos desenvolvidos no Brasil e no mundo.

27

2.2.1 Definição e conceitos

De acordo com Gomes Neto (2005, p. 93), “a célula combustível é uma

tecnologia que utiliza a combinação química entre os gases oxigênio (O2) e

hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica, energia térmica (calor) e água”.

A célula combustível é uma tecnologia bastante antiga, tendo sido

desenvolvida em 1839, pelo físico inglês William Grove, que conhecia o princípio

da eletrólise da água – ao passar corrente elétrica através da água, era possível

isolar seus constituintes, hidrogênio e oxigênio. Por isso, ele pensou em fazer o

reverso dessa reação e, ao combinar esses dois elementos, obteve água e

energia elétrica. Entretanto, naquele tempo, não havia muita aplicação para o seu

projeto. Mesmo assim, em 1889, os cientistas Ludwing Mond e Charles Langer

criam o nome célula a combustível.

Essa aplicação só viria no século seguinte, quando o inglês Francis

Thomas Bacon desenvolveu a célula combustível de eletrólito alcalino. E em 1959

ele fez uma demonstração, ao colocar em funcionamento uma máquina de solda

de 5 kW.

Assim, a célula combustível foi adotada pela Agência Espacial dos EUA, a

NASA, levando-a para o espaço nos projetos Gemini e Apollo.

Atualmente, existem pelo menos seis tecnologias de célula a combustível,

as quais possuem praticamente o mesmo principio de funcionamento. De um lado

da célula entra o hidrogênio e do outro, o oxigênio. Entre esses eletrodos há o

eletrólito e o catalisador, responsáveis pela reação que acarretará no

funcionamento do processo.

2.2.2 Composição

Cada extremidade da célula combustível possui um eletrodo, totalizando

dois, que devem ser porosos para que ocorra a passagem dos gases até a fatia

do meio da célula, o eletrólito.

O eletrólito é revestido pelos catalisadores. Esses catalisadores, que

podem ser, por exemplo, a platina ou o níquel, têm a função de acelerar as

reações no eletrólito e quebrar as moléculas de hidrogênio (H2).

28

a) Eletrodo do hidrogênio

Esse é o terminal negativo da célula a combustível, chamado de ânodo.

Nesse eletrodo, entra o gás hidrogênio, passando por canais desenhados em sua

placa. O ideal é que o hidrogênio entre em contato com toda a superfície do

eletrodo, que está revestido pelo catalisador. Eles são feitos de grafite misturado

com resinas, ou são confeccionados com metais, como o aço inoxidável, isso

porque precisam conduzir corrente elétrica.

b) Eletrodo do oxigênio

Através desse eletrodo, terminal positivo da célula a combustível (cátodo),

passa o gás oxigênio, ou o próprio ar atmosférico para chegar até o eletrólito

revestido com o catalisador.

c) Catalisador

Como foi dito, o catalisador reveste o eletrólito para que as reações

aconteçam de forma mais rápida e para quebrar a molécula de hidrogênio (H2) em

íons (H+) e elétrons. Após os gases entrarem pelos eletrodos e passarem pelos

canais desenhados na placa de fluxo de gases, eles entram em contato com mais

partículas de platina, ou com outro catalisador. O custo dessa platina é muito alto,

por ser um metal nobre, por isso, é recomendável utilizar a menor quantidade

possível. Para isso, tenta-se diminuir o tamanho de suas partículas ao máximo,

permitindo uma maior área de contado com menos material (platina).

Atualmente, a nanotecnologia está revolucionando a viabilidade das células

combustíveis, permitindo otimizar o uso dos catalisadores e aumentando o

rendimento dessa tecnologia.

Alguns tipos de células combustíveis, consideradas de alta temperatura,

não necessitam de um catalisador tão eficiente como a platina, pois em altas

temperaturas, as reações ocorrem mais rápidas, logo, um catalisador mais barato

como o níquel já é de bom tamanho.

Segundo Gomes Neto (2005, p.108), nos últimos dez anos, as empresas

automobilísticas conseguiram diminuir o uso de platina em cada veículo em 10%,

estando agora em 2 gramas. O objetivo é chega a apenas 0,2 gramas por veículo.

O custo da platina equivale a 3% de todo o sistema de célula a combustível, que

também inclui sensores e outros componentes básicos.

29

Em síntese, é possível reciclar até 98% da platina utilizada em uma célula

a combustível que teve sua vida útil terminada.

d) Eletrólito

É no eletrólito, chave de todo o processo, onde ocorrem as principais

reações da célula a combustível. Ele pode ser líquido, sólido, ou em forma de

uma membrana e sua função é permitir que apenas os íons positivos (H+), os

chamados prótons, atravessem-no, indo ao encontro das moléculas de oxigênio

no eletrodo oposto da célula. O eletrólito é construído quimicamente para ter essa

propriedade e função. Já os elétrons (e-) que não conseguem atravessar o

eletrólito, passam por um circuito externo, onde será aproveitada a energia

elétrica.

2.2.3 Princípio de funcionamento

Apesar de existirem vários tipos de células a combustível, todas possuem

um princípio de funcionamento bem parecido. Sendo assim, será mostrado o

principio básico da célula combustível, que é usado na célula mais estudada e

que mais se desenvolve atualmente no mundo, além de ser a menos poluente: a

Célula Combustível de Membrana de Troca de Prótons (PEMFC).

Eis o princípio: quando o gás hidrogênio pressurizado entra no lado do

ânodo, terminal negativo da célula combustível (fig.2.4), ele passa por canais de

fluxo desenhados (placa de fluxo de gases), chegando ao catalisador, que separa

a molécula de hidrogênio (H2) em íons positivos (H+), (que são também chamados

de prótons) e em elétrons (e-). Isso é representado como:

H2 � 2H+ + 2e-

Mas, como para cada molécula de oxigênio (O2) é preciso duas moléculas

de H2 para formar água, a reação do hidrogênio será representada duplicada,

assim:

2H2 � 4H+ + 4e- (1)

30

Dessa maneira, os elétrons (e-) são conduzidos pelo eletrodo, passando

pelo circuito externo e formando uma corrente elétrica no sentido do terminal

negativo (ânodo) para o cátodo (positivo). Essa é a corrente gerada pela célula a

combustível, que será empregada na devida aplicação. Enquanto isso, os gases

de hidrogênio (H2) que não foram quebrados pelos catalisadores serão

realimentados até serem quebrados também em prótons e elétrons (H+ & e-).

Já no lado oposto da célula a combustível (cátodo), é o gás oxigênio que é

bombeado contra o mesmo, até chegar ao catalisador que envolve o eletrólito. Aí

chegando , a molécula de oxigênio (O2) combina-se com os prótons de hidrogênio

(H+), que atravessaram a membrana (eletrólito), e com os elétrons que chegam

pelo terminal positivo (cátodo), formando água, de acordo com a reação abaixo:

O2 + 4H+ + 4e- � 2 H2O (2)

Observe todo o processo na figura 2.3:

Figura 2.3: Funcionamento básico e Reações de uma célula a combustível. Fonte: internet

31

Além dos componentes básicos para o funcionamento da célula a

combustível, já descritos, existem outros componentes importantes para essa

tecnologia.

Entre os demais componentes das células combustíveis, estão os coletores

de corrente, as placas de fluxo de gases e os backings layers. Ver figura 2.3.

a) Backing layers

Os eletrodos da célula combustível, ânodo e cátodo, são envolvidos pelos

backing layers, camada de materiais condutores, como o carbono, para que os

elétrons consigam passar do ânodo para o cátodo pelo circuito externo.

Além de condutores, os backing layers devem ser porosos, de forma que

permitam a difusão dos gases, ou seja, estes devem fluir de fora para dentro da

célula combustível.

Para que a célula combustível funcione corretamente, ela precisa estar a

um nível de umidade adequada. A membrana precisa estar úmida, mas não

encharcada, caso contrário, fica difícil a entrada dos gases hidrogênio e oxigênio.

Os backing layers têm mais uma importante função na célula combustível: ajuda a

regular a quantidade de água ideal para o funcionamento da célula, permitindo,

inclusive, a eliminação da água produzida no cátodo.

b) Placa de fluxo de gases e coletora de corrente

Nas extremidades da célula combustível, pressionadas contra os backing

layers, existem duas placas iguais, com as funções de distribuir os gases e coletar

a corrente elétrica gerada na membrana (eletrólito). Geralmente composta por

metais ou grafite, essas placas devem ser, além de leves e resistentes,

impermeáveis aos gases.

No lado da placa que fica pressionado contra o backing layer existem

canais desenhados para levar os gases até o local onde vão ocorrer as reações.

Esses desenhos devem ser feitos de modo que os gases cheguem ao catalisador

e à membrana de forma uniforme, além de permitir a entrada e a saída de água

na membrana.

Os elétrons produzidos na quebra das moléculas de hidrogênio (H2) são

conduzidos do ânodo (-), passando pelo backing layer e pela placa de fluxo de

32

gases e coletora de corrente até chegar ao circuito externo e, em seguida,

voltando à célula combustível pelo cátodo.

c) Pilha de célula combustível com placa bipolar

De acordo com Gomes Neto (2005, p.101), uma célula combustível ideal

seria capaz de fornecer uma tensão por volta de 1,16 volts em circuito aberto

(sem passagem de corrente elétrica), porém, como na prática é impossível

alcançar um rendimento de 100%, só se alcança cerca de 0,9 volts por unidade

de célula combustível.

Como a tensão fornecida por uma unidade de célula combustível é muito

baixa para ser usada em várias aplicações, como em um motor elétrico de um

automóvel, que requer tensões acima de 200 volts, a solução é obter uma maior

tensão através de conexões entre várias células individuais. Essas conexões

formam as chamadas pilhas de células a combustível.

Para se conectar várias unidades de células combustíveis, não basta

apenas colocá-las lado a lado, pois assim, ânodo e cátodo de células distintas

também estariam lado a lado. Para contornar isso, utiliza-se a placa bipolar, como

mostra a figura 2.4 em verde. Essa placa distingue-se da placa de fluxo de gases

e coletora de corrente por apresentar desenhos para o fluxo de gases em ambos

os lados. Ver figura 2.4.

Figura 2.4: Pilha de célula a combustível. Fonte: Santos, 2004

33

Uma pilha de células a combustível pode ter dezenas ou centenas de

células conectadas em série. E várias pilhas de células a combustível podem ser

associadas em série ou paralelo a fim de se obter a potência desejada.

d) Membrana de troca de prótons

No centro da célula combustível, o eletrólito e o catalisador funcionam

como a principal lógica do processo. Uma das tecnologias de células

combustíveis mais pesquisadas e em desenvolvimento em todo o mundo é a

PEMFC (Célula a Combustível de Membrana de Troca de Prótons), a preferida

para uso em automóveis. Nessa tecnologia, o eletrólito é uma membrana plástica,

revestida pela platina em pó, como catalisador.

O rendimento das células a combustível aumenta devido ao

desenvolvimento do eletrólito.

Geralmente, o material usado na membrana plástica de células

combustíveis PEMFC é um polímero chamado Nafion, semelhante no Teflon.

Essa membrana é produzida pela fábrica DuPont.

Quando em contato com água, a membrana absorve esse líquido e

possibilita que os íons positivos presentes na mesma possam se mover e

atravessar de um lado para o outro da célula combustível. Já os íons negativos

ficam presos à estrutura da membrana, permitindo que sejam conduzidos por um

circuito externo, gerando corrente elétrica, ou seja, na presença da água os

prótons ganham mobilidade, enquanto os elétrons ficam presos à membrana.

Apenas íons positivos (prótons) conseguem transitar na membrana.

Segundo a empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy, atualmente, estão

chegando ao mercado novas membranas, além do Nafion. Membranas essas,

que devem aumentar o rendimento de algumas células a combustível em 50%, o

que viabiliza cada vez mais essa tecnologia no mercado.

2.2.4 Sistema de célula a combustível

O sistema de célula a combustível consiste no módulo de células

individuais com sua devida potência, associado juntamente com todos os seus

dispositivos periféricos. Esse módulo pode estar associado a outros demais para

34

uma maior potência. Já os dispositivos incluem sensores de temperatura,

pressão, compressores, controladores, etc.

a) Módulo de célula a combustível

O Módulo de célula a combustível é um agrupamento de várias células

individuais, gerando uma determinada potência. Ainda há a possibilidade de se

conectar vários módulos.

É no módulo da célula a combustível onde os gases reagentes são

injetados para fornecerem energia elétrica para uma determinada aplicação.

Ainda nesse módulo estão presentes diversos componentes eletrônicos para

controlar as condições de funcionamento das células combustíveis.

b) Distribuidor de energia

O Distribuidor de Energia recebe a eletricidade do módulo e a transmite

para a aplicação, como por exemplo, para um motor elétrico, além disso, ainda

fornecem energia para todos os componentes e atuadores do próprio sistema de

célula a combustível. Ventiladores, compressores e todos os equipamentos

periféricos recebem a eletricidade diretamente do distribuidor.

Em uma aplicação automotiva, o distribuidor apresenta também, a

importante função de gerenciar a energia transmitida para o ultra-capacitor ou

bateria nas frenagens regenerativas de um automóvel, aumentando o rendimento

do veículo.

c) Processador de combustível

O combustível pode chegar ao módulo de célula combustível de duas

maneiras: a primeira e mais simples consiste em injetar, por meio de um

compressor, os gases hidrogênio e oxigênio no módulo, isso, se a célula operar

com o hidrogênio já reformado. Já para células que aceitam combustíveis não

reformados, como gás natural, biogás ou etanol, será necessário um Processador

de Combustível. Esse processador possui um reformador para extrair o

hidrogênio, associado a um purificador, que vai retirar as impurezas do hidrogênio

para então chegar ao compressor.

35

d) Módulo do sistema

O Módulo do Sistema tem a função de entregar os gases hidrogênio e

oxigênio ao Módulo de Célula Combustível, já com a temperatura, umidade e

pressão adequadas. Para isso, ele dispõe de um compressor de ar, um

umidificador e outros dispositivos eletrônicos.

e) Unidade de controle

A Unidade de Controle é responsável pelo monitoramento de todo o

Sistema de Célula a Combustível, de forma computadorizada, fazendo com que

os módulos troquem informações com o restante dos componentes para que o

sistema receba comandos ou solicitações, como o fornecimento adequado de

energia para o funcionamento de atuadores, etc.

Veja na figura 2.5 um sistema de célula a combustível que incorpora os

componentes citados.

Figura 2.5: Sistema de Célula a Combustível da Ballard Power Systems. Fonte: Internet

36

2.2.5. Vantagens das células combustíveis

A seguir, serão apresentadas algumas vantagens das células combustíveis

no tocante a outros meios de se utilizar energia, como geradores a diesel ou

baterias convencionais.

Os tópicos seguintes se referem a várias aplicações energéticas, como

geração de energia estacionária, transporte e aparelhos portáteis.

a) Geração de energia descentralizada (distribuída)

De acordo com Gomes Neto (2005, p.76), entre 10 a 20% da eletricidade

que trafega pelas linhas de transmissão até chegar às residências dos

consumidores é perdida, principalmente, na forma de calor. Isso ocorre porque a

produção de energia elétrica é centralizada longe da maioria dos consumidores.

Além das perdas, gasta-se uma parte da energia produzida para que a mesma

trafegue pelas linhas de transmissão.

Para contornar o problema da geração centralizada há a alternativa da

geração de energia distribuída ou descentralizada. Esse tipo de geração consiste

em produzir a eletricidade nas proximidades das residências e centros urbanos,

evitando perdas com distância e gastos com transporte.

A geração distribuída também pode ser utilizada como backup de energia

em grandes centros comerciais, hospitais e indústrias, em caso de problemas

com a linha de transmissão convencional.

Há várias maneiras de se produzir eletricidade a pouca distância ou no

próprio local de consumo. Por exemplo, em locais isolados, podem-se usar

células a combustível que utilizem diretamente o gás natural, o metano, ou o

etanol, como já ocorre em uma pequena comunidade no Brasil chamada Pico do

Amor, em Mato Grosso.

Eletrolisadores acoplados a células fotovoltaicas também podem ser uma

boa alternativa. Durante o dia, esse sistema faz uso da a energia solar,

produzindo eletricidade para ser utilizada pelo consumidor e, ainda, produz

hidrogênio através da eletrólise, que será armazenado em tanques cilíndricos

para que, à noite, quando as células solares são inúteis, o hidrogênio estocado

entre em ação numa célula a combustível e produza eletricidade para ser

consumida.

37

Outra forma de produção estacionária de energia elétrica é a que se dá

através dos automóveis a célula a combustível. No ano de 2008 se deu início à

produção em série de veículos com essa tecnologia e várias montadoras já se

manifestam em relação ao início de suas produções. Com uma potência em torno

de 100 kWh, um automóvel abastecido com hidrogênio pode muito bem abastecer

uma residência com eletricidade, quando necessário.

b) Diminuição das partes móveis (Maior confiabilidade, diminuição da

poluição sonora e freática)

Um motor a combustão possui diversas partes móveis, como por exemplo,

os pistões e o sistema de transmissão.

Essas partes móveis produzem o ruído característico dos motores a

combustão, a chamada poluição sonora, que causa um desconforto aos ouvidos

da população, principalmente, nas grandes cidades. Além disso, várias peças se

movimentando constantemente durante o funcionamento de um motor a

combustão aumentam a probabilidade de uma pane, diminuindo a confiabilidade

do sistema. Por isso, é preciso que se façam manutenções com mais freqüência.

Ressalta-se ainda, o problema da poluição do meio ambiente, uma vez que o óleo

lubrificante utilizado nas partes móveis do motor, quando descartado, polui os

lençóis freáticos.

Em suma, um sistema de célula combustível, alimentando um motor

elétrico, traz as vantagens de não emitir ruídos, de reduzir as partes móveis do

motor e utilizar menos óleo lubrificante.

c) Comparação entre o motor elétrico e o motor a combustão

O funcionamento de um motor elétrico é bastante diferente de um motor a

combustão. Enquanto o primeiro converte a eletricidade obtida através da energia

química (caso das células combustíveis) em energia mecânica, o segundo, por

sua vez, converte a energia química em calor através da combustão. Após essa

conversão, o calor será utilizado para gerar uma expansão de gases, envolvendo

várias partes móveis do motor para gerar energia mecânica. Porém, durante a

combustão, parte do calor a ser convertido para energia mecânica é perdido para

o meio externo, deixando o sistema pouco eficaz, processo chamado de ciclo de

Carnot.

38

Quanto maior for a diferença entre a temperatura da fonte de energia (T1) e

a temperatura ambiente (T2), maior será a eficiência do motor a combustão, como

é mostrado na equação 2.2:

Equação 2.2: Máxima eficiência de uma máquina térmica.

Fonte: (GOMES NETO, 2005)

As células combustíveis convertem energia química diretamente em

energia elétrica, assim, não há conversão de energia térmica em mecânica, não

obedecendo ao Ciclo de Carnot.

Segundo Gomes Neto (2005, p.137), o rendimento de um motor a gasolina

está na faixa de 13% a 25%, enquanto o motor a diesel fica entre 30% a 35%.

Uma célula a combustível, no entanto, atinge 48% a 60%, podendo chegar ainda

a 80% caso o calor liberado na reação seja aproveitado para aquecimento de

água geradora de vapor. Um motor elétrico alcança o rendimento de 95%, como

esse motor será empregado juntamente com a célula a combustível, somam-se

as duas eficiências para obter a eficiência total do sistema.

Além do melhor rendimento, o motor elétrico apresenta outras vantagens

em relação a um motor a combustão: a primeira é o fato de ser silencioso,

enquanto o motor a combustão é barulhento e necessita de lubrificantes

(poluidores do ambiente) devido ao grande número de peças móveis, o que

dificulta e encarece a manutenção.

Por outro lado, com o motor a eletricidade, tem-se a possibilidade de

utilizar a frenagem regenerativa, que nada mais é do que armazenar nas baterias

ou ultracapacitores dos veículos a energia gerada pelo motor durante as

frenagens do automóvel, uma vez que durantes esses momentos o motor elétrico

funciona como gerador.

Com as células a combustível, espera-se utilizar um motor elétrico em cada

roda, como mostra o projeto do AUTOnomy da GM, eliminando, assim, os

sistemas de transmissão e aumentando consideravelmente o espaço interno do

veículo, ou deixando-o mais compacto. Ver figura 2.6:

39

Figura 2.6: AUTOnomy da GM. Fonte: General Motors

Enfim, como prejuízo maior, a queima de combustíveis que ocorre com o

motor a combustão acaba expelindo grandes quantidades de dióxido de carbono

(CO2), além de combustíveis não queimados, como monóxido de carbono e até

mesmo fuligem e dióxido de enxofre.

d) Comparação entre a célula combustível e uma bateria

Comparando-se a célula combustível a uma bateria, nota-se que tanto a

célula combustível quanto a bateria convencional realiza reações eletroquímicas

para produzir eletricidade. A diferença principal entre esses dispositivos é que as

baterias armazenam seu combustível necessário para gerar eletricidade

internamente, enquanto as células combustíveis utilizam o combustível advindo

do meio externo, que é o caso dos tanques de hidrogênio. Com isso, a célula

combustível apresenta a vantagem de poder ser reabastecida depois de

consumido todo o seu tanque externo de combustível, porém, uma bateria

convencional, ao fim de seu combustível interno, é descartada.

A célula a combustível ainda leva a vantagem de ser mais leve e ter uma

capacidade de armazenamento de energia maior que as baterias. Porém, essas

últimas não devem ser desprezadas, pois em projetos de carros híbridos –

utilizando-se as duas tecnologias – é possível alcançar uma grande autonomia e

aumentar bastante a vida útil tanto da célula a combustível, quanto da bateria.

40

2.2.6. Aplicações

Gradativamente, as células combustíveis com suas várias aplicações

ganham espaço no cenário energético mundial. Aplicações dessas aplicações já

estão disputando vaga no mercado com tecnologias conhecidas, enquanto outras

estão em fase de testes.

Dentre as principais aplicações com o uso das células a combustível,

destacam-se as serventias em transporte, geração de energia estacionária,

proveito em portáteis e aplicações militares.

A tabela 2.1 expõe os preços estimados dos equipamentos relacionados às

suas potências e aplicações para que sejam viáveis comercialmente. Por

exemplo, se um veículo, que é uma aplicação de transporte, fornece 100 kW de

potência, para saber se o preço é viável basta multiplicar 100 por 50, obtendo-se,

assim, $5.000, preço estimado para um sistema de célula combustível veicular

economicamente viável, em dólares.

Aplicação Preço ideal para viabilidade comercial (Dólar)

Transportes $50 por kW

Residências $300 a $500 por kW

Centros Comerciais, Hotéis, Hospitais $1.200 a $3.000 por kW

Estações de Energia $1.000 a 1.500 por kW

Portáteis $5.000 a $10.000 por kW

Tabela 2.1: Preços estimados para viabilidade das células combustíveis. Fonte: (GOMES NETO, 2005)

a) Transportes

As células combustíveis podem ser empregadas vastamente no setor dos

transportes, seja terrestre, marítimo ou aéreo, em aplicações como nos

automóveis, motocicletas, transportes coletivos, barcos, empilhadeiras, aviões e

trens, podendo, assim, substituir um motor a combustão.

Entre os anos 2008 e 2009, a previsão é de que sejam produzidos em

maiores escalas. Desde a década passada já são produzidos e testados vários

protótipos, sendo que a previsão das próprias montadoras é de que em 2015

esses automóveis já ocupem uma boa parcela no mercado mundial.

41

Em relação aos transportes públicos, já circulam há alguns anos, em

projetos experimentais, vários ônibus movidos a hidrogênios em cidades dos

EUA, Japão, China, Austrália, Islândia, Alemanha, Espanha, Portugal e outros

países. No Brasil, tais projetos também já foram lançados, envolvendo as cidades

de São Paulo e Rio de Janeiro, com uma estimativa de que estejam nas ruas

entre 2008 e 2009.

Contudo, para que as células combustíveis se tornem definitivamente

viáveis ao setor dos transportes, precisam alcançar ou melhorar algumas

características, a começar pelo preço, que vem diminuindo em torno de 25% ao

ano de acordo com a empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy. Até poucos anos

atrás, a autonomia de um veículo a célula a combustível chegava a 100 ou 200

quilômetros, o que hoje já chega a 700 km, sendo ainda mais compactas.

a1) Veículo híbrido

Os veículos a células combustíveis adotam uma combinação híbrida para

gerar eletricidade com alto rendimento e autonomia. Para isso, são utilizados

ultracapacitores ou baterias de lítio-íon dando suporte à célula combustível.

Durante algumas ocasiões, nas estradas ou ruas, os carros passam por

situações em que é necessária uma alta demanda de potência, como ocorre nas

acelerações. Assim sendo, essas situações pedirão mais potência e a célula a

combustível teria que produzir mais energia elétrica. Essas variações de potência

prejudicariam a vida útil da célula. Para contornar isso, os automóveis adotam

sistemas híbridos.

Quando o veículo elétrico utiliza apenas uma bateria para gerar energia,

esse veículo apresenta uma baixa autonomia. Por outro lado, ao utilizar várias

baterias, o automóvel apresenta uma maior autonomia, mas, além da sobrecarga

de peso, a vida útil dessas baterias continua sendo menor do que em um sistema

híbrido, pois passam por maiores descargas, é o que afirma a empresa Brasil H2

Fuel Cell Energy.

O funcionamento de um veículo híbrido consiste em gerar eletricidade a

partir de uma célula a combustível e estocá-la em uma bateria ou ultra-capacitor

para, então, alimentar um ou mais motores elétricos. Desse modo, é possível

utilizar células combustíveis de menores potências, diminuindo os custos, visto

42

que a bateria ou ultra-capacitor suprirá o veiculo com a potência necessária em

momentos de variação brusca de aceleração.

Assim, tanto a célula a combustível terá uma maior vida útil, pois não

sofrerá grandes variações de potência, quanto a bateria, que estará sempre

alimentada pela célula, não sofrendo fortes índices de descarga.

Além disso, a bateria ou ultra-capacitor proporcionará ao veículo a

chamada frenagem regenerativa. Isto é, em momentos de frenagem, o motor

elétrico funciona como um gerador, carregando a bateria e poupando combustível

da célula a combustível.

E, para finalizar, a utilização de uma bateria ou ultra-capacitor em um

veículo de célula a combustível permite que este seja abastecido diretamente na

tomada de casa, numa situação de emergência, caso haja dificuldade de se

encontrar postos a hidrogênio, o que é bastante comum hoje e durante os

próximos anos na maior parte do mundo.

a2) Montadoras

Aproximadamente vinte empresas estão desenvolvendo automóveis

movidos por células a combustível, em parcerias com órgãos governamentais,

indústrias ou outras fábricas em todo o mundo. Na União Européia, EUA,

Austrália, Japão, China, inclusive no Brasil, existem 12 empresas desenvolvendo

ônibus a células a combustível.

A Honda foi a primeira empresa a obter um certificado para uso diário de

um veículo movido por célula a combustível. Hoje, conta com o FCX, que teve sua

primeira versão em 1999 e que em 2002 recebeu a aprovação da Agência de

Proteção ao Meio-Ambiente nos EUA, para utilização do referido veículo que

apresentou emissão zero de poluentes. Seu princípio de funcionamento consiste

numa célula a combustível que produz energia elétrica para carregar uma bateria

de lítio-íon, garantindo uma potência adequada para acelerações e

ultrapassagens, além de dar suporte à frenagem regenerativa, ajudando a

economizar combustível. Nesse caso, o hidrogênio é armazenado em tanques no

seu estado gasoso em alta compressão.

De acordo com a Honda, o novo modelo, FCX Clarity, armazena pouco

mais de 4 kg de hidrogênio gasoso comprimido a 500 psi, alcançando uma

autonomia de 460 km, 20% a mais que seu antecessor. O sistema de célula

43

combustível mais a bateria diminuiu 65% em tamanho. Com uma potência elétrica

de 100 kW, equivalente a 134 CV, sua velocidade máxima chega a 170 km/h e

possui um torque maior do que muitos veículos convencionais de potência

equivalente.

Esse veículo começou a ser produzido em larga escala no Japão no dia 16

de junho de 2008 (fig.2.7). A Honda espera entregar ao mercado consumidor dos

EUA 200 veículos até 2010 a um custo de US$ 21.600, preço incentivador, graças

a subsídios do governo americano.

Figura 2.7: Início da produção em larga escala do FCX Clarity no Japão. Fonte: Carplace

Além da Honda, muitas empresas pretendem lançar seus veículos a célula

combustível no mercado entre 2012 e 2015. Pode-se citar, por exemplo, a

General Motors, empresa que mais investe em células combustíveis automotivas;

a DaimlerChrysler/Mercedes-Benz, com uma grande frota de veículos e ônibus já

em testes ou comercializados; a Ford Motors; a Volkswagen; a Audi; a BMW; a

Nissan; a Peugeot; a Fiat; a Hyundai.

b) Geração de energia estacionária

Segundo Gomes Neto (2005, p.145), é considerada geração de energia

estacionária aplicações acima de 5 kW, as quais são empregadas em grandes

centros industriais, hotéis e residências, onde, nessas últimas, são utilizadas

células combustíveis de baixa temperatura, como a PEMFC, também utilizada em

44

veículos. Para as demais aplicações estacionárias são utilizadas células de alta

temperatura. Essas aplicações estacionárias podem funcionar abastecendo um

local de maneira contínua ou apenas em emergência e back-up.

Cidades como Curitiba, Rio de Janeiro e São Paulo já vêm utilizando essa

tecnologia em grandes centros comerciais, indústrias, hotéis, hospitais e

empresas de telecomunicações, concorrendo com os geradores a diesel e bancos

de baterias.

Aqui no país, na cidade de Curitiba, a empresa Brasil H2 Fuel Cells Energy

está colocando no mercado uma linha de células a combustível tanto estacionária

como móveis na faixa de 12 watts até 5 kW de potência. Segundo o diretor da

empresa, o engenheiro Emilio Hoffman Gomes Neto, é surpreendente a evolução

dessa tecnologia, seja na compactação quanto no desempenho. Há dois anos,

uma célula de 1,2 kW que pesava 13 kg está no mercado com a mesma potência

pesando apenas 5 kg e com um terço do preço anterior.

Além de serem mais compactas do que as células combustíveis anteriores,

apresentando melhor desempenho e maior vida útil, as células combustíveis

estão caindo de preço em torno de 25% ao ano.

Uma das maiores usinas de energia a células a combustível do mundo

encontra-se na Coréia do Sul. Recentemente, a Posco Power, empresa

energética desse país, anunciou a compra de uma planta de células combustíveis

de 25,6 MW da FuelCell Energy com um custo de 70 milhões de dólares. Como

essa empresa de energia, anteriormente, já havia adquirido algumas células a

combustível, sua potência totalizará 38,2 MW de potência instalada, tornando se

uma das maiores.

Esse país acredita que as células a combustível ajudarão a diminuir os

gases poluentes e causadores do efeito estufa e outros problemas ambientais.

Segundo Brasil H2 Fuel Cell Energy, a emissão de óxidos de nitrogênio e enxofre

(NOX e SOX), que causam problemas respiratórios, e a chuva ácida, chegam a

ser 99% menor com a utilização da célula combustível do que se fosse utilizada a

queima de combustíveis.

Um dos pontos fortes dessa tecnologia é a possibilidade da utilização de

diversas fontes de energia, o que acontece na Coréia. A energia utilizada pela

Posco Power (fig.2.8) é proveniente do gás natural, do biogás, do lixo urbano e do

esgoto, sendo aproveitada por células combustíveis de carbonato fundido (MCFC)

45

que apresentam um rendimento entre 47 e 53%, superando outros métodos de

utilização das formas de energia em questão em torno de 30 a 35% (geradores a

combustão e turbinas). Esse rendimento da célula combustível poderá chegar aos

80%, caso se utilize o calor residual da célula.

Figura 2.8: Posco Power - Usina de Energia através de célula combustível na Coréia do Sul.

Fonte: Brasil H2 Fuel Cell Energy

c) Portáteis

Aplicações de células a combustível em portáteis podem estar presentes

em qualquer aparelho eletrônico que utilize uma pilha ou bateria, como o caso dos

laptops, mp3 players, telefones celulares, sendo ainda possível a geração de

energia de forma remota, como em um deserto ou acampamento.

Essas aplicações podem atingir uma potência média de 3 kW, utilizando

fontes de energia ricas em hidrogênio para gerar energia elétrica, como o

metanol, o etanol e até água com açúcar.

O combustível mais usado nesse caso é o metanol, um álcool com grande

teor energético, que abastece uma célula combustível do tipo DMFC (Célula

Combustível de Metanol Direto). Nessas aplicações portáteis, o metanol muitas

vezes é utilizado dissolvido em água.

A Sony afirma que aplicações de células a combustível em portáteis, já

tenha alcançado a viabilidade comercial. Tais aplicações ocorrem por meio de um

46

novo sistema híbrido portátil que associa a célula combustível alimentada com

metanol ao uso de uma bateria secundária de lítio, alcançando uma potência de 3

kW. Com isso, os engenheiros da empresa acreditam que alcançaram o nível

necessário para produção e comercialização viáveis de portáteis com

microcélulas combustíveis (fig. 2.9). A autonomia de um aparelho celular, por

exemplo, que utiliza essa tecnologia já atinge 14 horas ininterruptas de utilização,

com apenas dez mililitros (10 ml) de metanol. A tendência é de que se atinja uma

autonomia ainda maior.

Figura 2.9: Célula Combustível híbrida da Sony. Fonte: Internet

Várias empresas eletrônicas desenvolvem laptops alimentados com célula

a combustível com o objetivo de aumentar a autonomia desses aparelhos e

ganhar mercado. Entre elas, pode-se mencionar a Samsung Eletro-Mechanics,

possuidora de um projeto de um laptop que alcança uma autonomia de até um

mês de uso. Nesse caso, o tamanho da célula combustível ainda é elevado, mas

já existem aparelhos com uma autonomia de até 15 horas, que são mais

compactos. A Nec, por exemplo, espera alcançar 40 horas de autonomia em seus

laptops de célula a combustível. A seguir é mostrado um exemplo de Laptop a

célula combustível na figura 2.10.

47

Figura 2.10: Laptop de célula combustível a Metanol Direto da Lg. Fonte: Internet

d) Aplicações militares

Muitas tecnologias, antes de chegarem ao mercado, são desenvolvidas

para aplicações militares, como aconteceu com a internet e o GPS. O mesmo

ocorreu com as células combustíveis. Na década de 60, o exército americano já

utilizava essa tecnologia em aplicações remotas.

Por possuírem um alto rendimento e autonomia, as referidas células são

ideais para aplicações militares, pois geram energia para os transportes, ao

mesmo tempo em que diminui a quantidade de combustível necessária para

percorrer grandes distâncias e produzem água potável que pode ser ingerida

pelos soldados. Além disso, por serem mais silenciosas que um gerador a diesel

ou um motor a combustão, proporcionam um maior desempenho nas missões. A

figura 2.11 mostra um veículo militar equipado com célula combustível.

48

Figura 2.11: Veículo militar GM equipado com sistema de célula combustível. Fonte: Internet

2.2.7. Tipos de células a combustível

Além da Célula a Combustível de Membrana por Troca de Prótons

(PEMFC), citada anteriormente, existem vários outros tipos de células, todas

trabalhando em torno do princípio de se obter eletricidade através do hidrogênio.

Abordar-se-ão a seguir: PEMFC, DMFC, SOFC, MCFC, PAFC e DEFC.

Essas células combustíveis se diferenciam pelo tipo de combustível, pelo

eletrólito que utilizam e pela reação química que ocorrerá através deste último.

Além disso, as células combustíveis podem se dividir de acordo com a faixa de

temperatura que operam: de alta temperatura ou baixa temperatura. Sendo assim,

cada célula é utilizada para o tipo de aplicação que seja mais adequado. Por

exemplo, células combustíveis de alta temperatura, como a SOFC (Célula a

Combustível de Óxido Sólido), que opera em até 1000 °C são utilizadas na

indústria, onde a demanda de potência é alta. Porém, em um portátil isso não

seria possível, nesse caso, é mais cotada a DMFC (Célula a Combustível de

Metanol Direto), que opera em baixa temperatura, 50 a 200 °C, e além disso, o

metanol é fácil de transportar.

49

a) PEMFC – Célula a Combustível de Membrana de Troca de Prótons (Proton

Exchange Membrane Fuel Cell)

A célula a combustível de membrana de troca de prótons foi desenvolvida

pela empresa General Electric nos anos 50 e utilizada pela NASA nos projetos

espaciais Gemini e Apollo na década de 60, segundo Marques (2004, p.33). Hoje

representa a tecnologia de célula a combustível mais cotada para substituir os

motores de combustão interna nos veículos motorizados do futuro. Isso, pelo fato

de proporcionar um alto valor de potência por unidade de massa e ser uma célula

de baixa temperatura, não necessitando atingir elevadas temperaturas para

funcionar, o que proporciona um arranque rápido. Dessa maneira, várias

montadoras investem nesse tipo de célula.

Seu princípio de funcionamento, já comentado anteriormente, é bastante

simples. Utiliza-se um eletrólito em forma de membrana polimérica, que permite a

passagem somente dos íons positivos de hidrogênio do ânodo, os prótons que

por sua vez, ao atravessarem a membrana, combinam-se com moléculas de

oxigênio, no lado oposto, no cátodo, e com os elétrons provenientes de um

circuito externo, formando água. Esses elétrons trafegam do ânodo até o cátodo,

não pela membrana, mas por um circuito elétrico externo, do qual será

aproveitada a corrente elétrica para a aplicação desejada. Como na figura 2.12:

Figura 2.12: (PEMFC) Célula Combustível de Membrana de Troca de Prótons. Fonte: Marques,

2004

50

A seguir, serão abordadas as reações que ocorrem nesse tipo de célula a

combustível (Equação 2.3):

Equação 2.3: Reações em uma célula a combustível do tipo PEMFC. Fonte: Marques, 2004

Para quebrar a molécula de hidrogênio (H2) é necessária a presença de um

catalisador que também tem como função acelerar a reação, principalmente a

baixas temperaturas. Como a PEMFC é uma célula de baixa temperatura,

operando entre 60 a 100 °C, torna-se necessário um catalisador bastante

eficiente, que seria a platina, utilizada nos eletrodos e no revestimento da

membrana, o eletrólito.

A referida célula exige um hidrogênio altamente puro, que sendo extraído

através de reforma de outro combustível, como o gás natural ou o etanol, ainda

deverá ser filtrado para eliminar possíveis contaminações de gás carbônico ou

enxofre, que danificam o catalisador e a membrana polimérica.

Para que todas essas reações ocorram, a célula deverá estar úmida o

suficiente para a troca iônica, porém, não encharcada, sob pena de o hidrogênio e

oxigênio não conseguirem penetrá-la, comprometendo a reação. Em locais com

temperatura abaixo de zero, haveria o risco de a água congelar, criando

pequenos cristais de gelo, que rasgariam a membrana. Por esses e outros

motivos, são necessários vários sistemas de controle monitorando, por exemplo,

a entrada dos gases e a temperatura da água no sistema. Esse monitoramento é

imprescindível não apenas na PEMFC, mas em todos os tipos de células

combustíveis.

Na visão de Gomes Neto (2005, p.157), o rendimento dessa célula

combustível pode alcançar 55%, devendo aumentar em breve, devido às novas

membranas desenvolvidas ultimamente.

Nas aplicações de transportes, essa célula tem alcançado uma vida útil em

torno de 4.000 horas, o que equivale a um motor de combustão rodar mais de

170.000 km. O objetivo atual é de se chegar a uma faixa entre 5 a 8 mil horas de

51

vida útil. Ao fim dessa vida útil, pode-se recuperar até 98% da platina empregada

na célula.

Esse tipo de célula é empregado também em aplicações estacionárias, em

indústrias e em residências localizadas em lugares de difícil acesso, a exemplo do

que já ocorre em algumas regiões do Brasil. Nesses casos, a vida útil ideal de

uma PEMFC seria de 40.000 horas, atualmente, ultrapassando as 20 mil horas.

b) DMFC – Célula a Combustível de Metanol Direto

A célula a combustível de metanol direto ou DMFC (Direct Methanol Fuel

Cell) também é uma célula combustível que utiliza uma membrana ao modo da

PEMFC. É também uma célula de baixa temperatura, operando entre 50 a 220

°C, sendo muito utilizada em aplicações portáteis.

A célula em estudo utiliza diretamente o metanol como combustível. O

metanol é um tipo de álcool inserido no ânodo da célula após diluído em água em

baixas concentrações de 30%. Na presença do catalisador, esse metanol se

dissocia em hidrogênio e dióxido de carbono, isso devido à platina. Deste modo, a

célula combustível permite apenas a passagem do hidrogênio pela membrana,

liberando água e dióxido de carbono (CO2). Este último é eliminado no próprio

ânodo, enquanto a água, formada no cátodo, é eliminada no mesmo. Ver figura

2.13:

Figura 2.13: Célula a Combustível de Metanol Direto (DMFC). Fonte: Internet

52

A reação global fica: CH3OH + 3/2 O2 � CO2 + 2H2O.

O fato de o metanol ser encontrado no estado líquido, sob condições

normais de pressão e temperatura, faz com que ele seja capaz de armazenar

mais hidrogênio em sua estrutura em um dado volume, do que se fosse utilizado o

próprio hidrogênio no estado gasoso. Isso permite a praticidade no seu transporte,

por isso, o metanol é uma das melhores opções de aplicações em portáteis, ao

lado do etanol, com finalidade de aumentar consideravelmente a autonomia de

aparelhos como, por exemplo, laptops, celulares e mp3 players.

Afirma Gomes Neto (2005, p.156) que o rendimento dessa célula estaria

entre 40 a 50%, mas de acordo com a Dra. Paula T. Hammond, integrante do

Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MTI) apud Brasil H2 Fuel Cell Energy,

esse rendimento tende a aumentar em 50% no ano de 2009, devido a uma nova

membrana desenvolvida pelos engenheiros do MTI, para atuar como eletrólito,

substituindo o Nafion, atual membrana utilizada. Ver figura 2.14:

Figura 2.14: Nova membrana desenvolvida pela MTI. Fonte: Internet

Segundo a Dra. Paula T. Hammond, a nova membrana a que nos referimos

anteriormente além de apresentar um maior desempenho que as convencionais,

sua fabricação traz um menor custo. Isso faz com que as células de metanol

estejam a um passo de entrarem no mercado dos portáteis. O desenvolvimento

de novas membranas poliméricas também pode beneficiar outras células que

utilizam esse tipo de eletrólito, como a PEMFC e a DEFC.

53

c) PAFC – Célula a Combustível de Ácido Fosfórico

Embora as células do tipo PEMFC sejam as mais pesquisadas no

momento, a Célula a Combustível de Ácido Fosfórico ou PAFC (Phosphoric Acid

Fuel Cell) é a tecnologia mais avançada comercialmente, como diz Gomes Neto

(2005, p.156). Atuando na área de geração estacionária de energia elétrica como

nos centros comerciais, escolas e aeroportos, essa tecnologia possui cerca de

300 unidades espalhadas pelo mundo, inclusive no Brasil, a exemplo de Curitiba e

Rio de Janeiro.

Suas reações e esquema de funcionamento podem ser representados

como aqueles mostrados para a PEMFC. Apresentando a diferença de que o

eletrólito não é uma membrana, mas o ácido fosfórico líquido (H3PO4). Esse ácido

tem a propriedade de ser um ótimo condutor a partir de certas temperaturas,

entretanto, a 40 ºC ele se solidifica. Por isso, essa célula atua em temperaturas

entre 150 a 220 °C, como afirma Marques (2004, p.34).

Mesmo operando nessa temperatura, a PAFC ainda é uma célula de baixa

temperatura e utiliza a platina como catalisador, embora apresente uma vantagem

em relação à célula PEMFC é o fato de ter maior tolerância a impurezas no

hidrogênio utilizado, como o CO e o enxofre, pelo fato do seu eletrólito não ser

uma membrana, mas um ácido. Desse modo, é possível utilizar a reforma de

vários tipos de combustível para adquirir o hidrogênio, necessitando apenas de

um purificador para retirar o excesso de impurezas.

A eficiência dessa célula é menor se comparada às outras tecnologias de

células combustíveis, pelo fato de ser uma célula de baixa temperatura que utilize

combustíveis reformados. Sendo assim, o calor gerado pela célula, vapor de água

por volta de 200 °C, não é capaz de reformar um combustível como o biogás ou

gás natural, que necessitam de pelo menos 450 a 500 °C, como afirma Gomes

Neto (2005, p.157). Por isso, torna-se necessária a queima de uma maior parte

desse combustível, externamente à célula, para reformá-lo, deixando a célula

combustível com uma eficiência entre 35 a 47%, maior ainda do que se fosse

queimado todo o combustível em um motor a combustão, além de ela ser menos

poluente.

De acordo com Gomes Neto (2005, p.157), a potência gerada por cada

sistema de célula do tipo PAFC chega a 200 kW, o que pode ser expandido

agrupando vários sistemas de células combustíveis.

54

d) SOFC – Célula a Combustível de Óxido Sólido

A célula combustível de óxido, ou SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), distingue-

se das demais células principalmente pelo seu eletrólito, um material cerâmico e

sólido a base de óxido de zircônia e de ítrio

A célula citada utiliza diretamente combustível como o gás natural, o biogás

e o etanol, sendo reformados dentro da mesma. Para que isso ocorra, utiliza-se o

calor liberado por ela e uma pequena parte oriunda da queima de combustíveis.

É uma célula de alta temperatura, indicada para aplicações residenciais,

que apresentam potências de 5 a 10 kW, e para aplicações industriais, que

utilizam célula de 250 a 500 kW.

Opera em temperaturas entre 600 a 1000 °C, de acordo com Marques

(2004, p.35), logo, não há necessidade do melhor catalisador para ajudar a

aumentar a velocidade das reações químicas, uma vez que a alta temperatura

desempenha essa função. Assim, um metal nobre como a platina, pode ser

substituído pelo níquel para desempenhar o papel de catalisador, diminuindo

custos. Além do mais, o níquel é mais resistente a contaminações com monóxido

de carbono (CO) do que a platina, tornando possível o uso direto de combustíveis

como gás natural, biogás ou etanol dentro da célula.

Faz-se necessário queimar parte do combustível para aquecer a célula no

início do seu funcionamento, o que faz com que a célula atinja uma alta

temperatura. Após isso, as próprias reações que acontecem na célula produzirão

calor, ocorrendo a vantagem de se poderem reformar os combustíveis com o

próprio calor da célula, o que não acontece com a célula do tipo PAFC (célula de

baixa temperatura).

A SOFC elimina dióxido de carbono CO2, posto que a reforma dos

combustíveis é realizada integrada à célula. Apesar disso, no dizer de Gomes

Neto (2005, p.158), a emissão de CO2 ainda é 50% menor do que se os

combustíveis em questão fossem utilizados totalmente em máquinas térmicas. E

o rendimento varia entre 50 a 60%, podendo chegar até 85%, caso se utilize o

calor eliminado pela célula para alimentação de uma turbina ou para aquecimento

de água, por exemplo.

55

e) MCFC – Célula a Combustível de Carbonato Fundido

Operando em altas temperaturas, que variam entre 600 a 800 °C, a célula

a combustível de carbonato fundido ou MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) é

indicada para aplicações acima de 1 MW, como em usinas energéticas.

Embora apresente algumas características semelhantes à SOFC, como a

reforma interna de combustíveis, a utilização do níquel como catalisador e a maior

resistência a monóxido de carbono (CO), a MCFC difere da SOFC por apresentar

um eletrólito composto por sais de carbonato, como o carbonato de sódio, lítio ou

potássio.

Como a célula em estudo também é de alta temperatura e, na qual, ocorre

a reforma interna de combustíveis, a exemplo da SOFC, ela também aceita

utilizar diretamente combustíveis como o gás natural, o biogás e o etanol.

Ainda a exemplo da SOFC, essa célula de carbonato fundido também

alcança uma eficiência elétrica entre 50 e 60%, chegando a 85% caso se utilize o

calor gerado, de acordo com Gomes Neto (2005, p.158).

f) DEFC – Célula Combustível de Etanol Direto

A exemplo da DMFC (Célula a Combustível de Metanol Direto) a célula a

combustível de etanol direto ou DEFC injeta seu combustível, o etanol,

diretamente. Embora ainda não tenha chegado ao mesmo patamar de

desenvolvimento da DMFC, já existem várias pesquisas e projetos em andamento

que almejam empregar a DEFC em aplicações portáteis, automotivas e até

residenciais em locais de difícil acesso.

Não se deve confundir uma célula de etanol direto (DEFC) com a célula de

membrana de troca de prótons (PEMFC), que utiliza hidrogênio puro, já extraído

do etanol reformado.

A reação global da reforma do etanol pode ser dada na equação 2.4:

Equação 2.4: Reação Global da Reforma do Etanol. Fonte Godoy, 2006

O etanol é misturado com vapor de água, produzindo hidrogênio e dióxido

de carbono.

56

A empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy, em Curitiba, comercializa células a

combustível de etanol, as biocélulas a combustível, para demonstração. (fig.2.15).

A biocélula converte diretamente o etanol em eletricidade, acionando um pequeno

motor. De acordo com o diretor da empresa, Emilio Hoffmann Gomes Neto, o

hidrogênio obtido a partir do álcool ou biodiesel, usado em automóveis com

células a combustível, pode apresentar uma eficiência até 3 vezes maior do que o

atual rendimento dos carros a combustão de etanol.

Figura 2.15: Célula a Combustível de Etanol Direto. Biocélula que funciona com etanol ou água e

açúcar. Fonte: Brasil H2 Fuel Cell Energy

2.2.8. Projetos no Brasil e no mundo

a) Estradas do hidrogênio

A estrada do hidrogênio chamada, HyNor( Hydrogen Road of Norway), está

sendo construída ao Sul da Noruega com uma extensão de quase 650

quilômetros, passando de Oslo até Stavanger, e terá cinco postos de hidrogênio

em 2009. Esse país possui uma infra-estrutura voltada para veículos limpos,

movidos a hidrogênio produzido através da eletrólise.

A Califórnia, EUA, é um dos principais incentivadores da economia do

hidrogênio e de outras energias renováveis. Esse estado também possui um

projeto de estradas do hidrogênio, que espera colocar mais de 25 postos em

funcionamento.

De acordo com Gomes Neto (2005, p.133), até 2010 a Califórnia pretende

possuir um posto de hidrogênio a cada 32 quilômetros, totalizando 150 a 200

postos, um investimento de 75 a 200 milhões de dólares. Além disso, a Toyota

57

pretende construir quinze postos e a BMW, cinco. Cada posto tem o custo

avaliado entre 300 a 500 mil dólares.

Outros 14 estados americanos já possuem postos de hidrogênio para

receber a futura era desse combustível.

b) Roteiro de estruturação da economia do hidrogênio no Brasil

O Ministério de Minas e Energia (MME), juntamente com alguns órgãos de

pesquisa e desenvolvimento do Brasil, lançou o Roteiro de Estruturação da

Economia do Hidrogênio no Brasil. Segundo Gosmann (2006, p.5), com esse

projeto, o MME espera planejar e desenvolver ações que conduzam à utilização

do hidrogênio em complemento à matriz energética renovável que o Brasil Possui.

O documento traça metas para que em 2020 o Brasil mostre em sua matriz

energética a produção de hidrogênio no país, tendo como a fonte primária

prioritária desse gás, é o etanol, extraído da cana-de-açúcar. Em segundo lugar,

fica produção de hidrogênio através da eletrólise, que utiliza a energia secundária

advinda das hidrelétricas nos períodos de baixo consumo das residências

(período da madrugada). Veja o cronograma previsto, na figura 2.16.

Figura 2.16: Cronograma das prioridades do Roteiro Brasileiro para Estruturação da Economia do

Hidrogênio no Brasil. Fonte: Gosmann, 2006

58

O etanol foi escolhido fonte prioritária para a produção de hidrogênio no

Brasil porque o país domina tecnologias para plantio e cultivo da cana-de-açúcar,

produção do álcool, distribuição e utilização. Sua conversão e utilização na célula

a combustível possuem uma alta eficiência, superior à eficiência da combustão do

próprio etanol. Segundo o MME, o etanol é excelente para armazenamento e

transporte do hidrogênio, em especial para regiões isoladas do Brasil, de difícil

acesso às redes elétricas. Juntamente com o etanol, encontra-se no topo das

prioridades energéticas para produção de hidrogênio, a gaseificação da

biomassa, já comentada anteriormente.

Como segunda alternativa para a produção de hidrogênio, está a eletrólise

a partir das hidrelétricas, como já foi abordado, uma vez que o Brasil tem um alto

potencial de produção de hidrogênio no período da madrugada.

O gás natural, meio de obtenção de hidrogênio para geração de energia

mais utilizado do mundo, ganha o terceiro lugar como prioridades no projeto do

MME. A reforma desse gás apresenta uma grande vantagem em relação à sua

combustão direta, pois a célula a combustível produz bem menos gases

poluentes como o CO e o NOX, eliminados em grande quantidade na queima de

combustíveis fósseis.

Dentre as políticas e diretrizes do MME estão a inclusão social, o respeito

ao meio ambiente, a redução de combustíveis fósseis com um maior uso dos

renováveis, o fortalecimento da base tecnológica e o desenvolvimento da indústria

nacional de bens e serviços.

Enfim, a geração de energia distribuída e o atendimento em áreas isoladas

deverão ocorrer de forma prioritária.

59

3. ESTUDO DE CASO

A seguir, serão apresentados alguns dados e comparações feitas entre as

células combustíveis automotivas abastecidas a hidrogênio reformado a partir do

etanol e os motores a combustão interna que utilizam esse mesmo combustível.

Com base em informações retiradas de outros trabalhos, como o é o caso da

plataforma de produção de hidrogênio a partir do etanol da UNICAMP estudada

em Godoy (2006) e informações das próprias montadoras, como é o caso da

Honda, foram feitas as respectivas tabelas de comparações a seguir.

Os cálculos das reformas expostos neste capítulo estão de acordo com as

informações que aparecem ao longo dessa monografia e mostram resultados

favoráveis à utilização das células combustíveis em detrimento do uso de um

motor a combustão interna. Veja na tabela 3.1 algumas conversões de energia e

calor.

1 cal (caloria) 4,187 J 1 Wh 3.600 J

Tabela 3.1: Unidades de Energia e Conversão

3.1. Considerações iniciais

O poder calorífico é a quantidade de energia contida em uma determinada

quantidade de combustível, logo, quanto maior for o seu poder calorífico, maior

será a quantidade de energia que esse poderá proporcionar.

Existe o poder calorífico superior e o poder calorífico inferior. O primeiro é a

quantidade de energia liberada na forma de calor mais a quantidade de energia

gasta para a formação de água no estado líquido, em casos de combustíveis que

contenham hidrogênio em sua composição. Já o poder calorífico inferior é apenas

a quantidade de energia liberada na forma de calor por um combustível. O poder

calorífico inferior é utilizado para representar o potencial energético de um dado

combustível.

A tabela 3.2 mostra alguns dados de diferentes combustíveis:

60

Densidade Poder

Calorífico Inferior

Quantidade de energia por massa

Quantidade de energia por

volume

Hidrogênio 0,0899 kg/m³

28.555 kcal/kg 119,56 MJ/kg 10,75 MJ/m³

Etanol 0,7894 kg/l 6.750 kcal/kg 28,262 MJ/kg 22,31 MJ/l

Metano 0,722 kg/m³

12.054 kcal/kg

50,473 MJ/kg 36,845 MJ/m³

Gasolina 0,742 kg/l 10.400 kcal/kg 43,544 MJ/kg 32,30 MJ/l

Tabela 3.2: Valores de matéria e energia. Fonte: Elaboração própria. Alguns dados retirados de: (MME, 2004). Internet.

A quantidade de energia por massa, quarta coluna da tabela 3.2, foi

calculada convertendo-se o poder calorífico, que é dado em calorias por

quilograma, para joules por quilograma. Para isso, foi usado o dado da tabela 3.1,

a qual informa que uma caloria equivale a 4,187 joules. Já para se obter os

valores de quantidade de energia por volume, expostos na quinta coluna, bastou

utilizar-se os dados da quantidade de energia por massa (quarta coluna) e as

densidades (segunda coluna) para se deter uma relação entre massa e volume.

3.2. Reforma do etanol na plataforma da Unicamp x combustão interna do

etanol

A reforma do etanol será, em longo prazo, a principal fonte de hidrogênio

na matriz energética brasileira, como expõe o Ministério de Minas e Energia. Isso

devido à supremacia do país em técnicas de plantação e colheita da cana-de-

açúcar.

Para se comparar a eficiência da reforma com a combustão do etanol,

serão usados alguns dados de um protótipo de reformador de etanol utilizado pela

Unicamp, com base nos dados informados por Godoy (2006) e ainda por dados já

conhecidos e fornecidos anteriormente neste capítulo.

A seguir, será feita uma breve comparação entre a eficiência de um motor

a combustão interna a etanol em um veículo e um automóvel a célula

combustível. A idéia é saber qual das duas tecnologias gera mais energia com 1

litro de etanol.

61

Segundo Godoy (2006, p.6), um motor a combustão interna alcança um

rendimento de apenas 20%, perdendo 80% da energia fornecida em 1 litro de

etanol, calculada a partir do poder calorífico inferior desse combustível. Com base

nessas informações é apresentada a figura abaixo (fig.3.1):

Figura 3.1: Energia útil fornecida por um motor a combustão interna utilizando 1 litro de álcool.

Fonte: Cálculos próprios, baseado em Godoy, 2006.

A tabela 3.2 mostra que 1 litro de etanol é capaz de fornecer 22,31 MJ de

energia, no entanto, levando-se em consideração um motor de combustão interna

com um rendimento de 20%, essa energia diminui para 4,462 MJ.

O reformador de etanol da Unicamp obteve uma eficiência de 69%,

enquanto que uma célula combustível do tipo PEMFC alcança uma eficiência de

55%, porcentagens adotadas nos cálculos a seguir. Segundo Godoy (2006, p.4),

cada litro de etanol do reformador gera 1,596 m³ de hidrogênio em condições

normais de pressão. A eficiência de 69% já inclui o fato de ser preciso queimar

parte do etanol no reformador para fornecer calor ao etanol que será reformado.

Ver figura 3.2:

Figura 3.2: Energia útil fornecida por uma célula a combustível que recebeu hidrogênio obtido através da reforma de 1 litro de etanol. Fonte: Cálculos próprios, baseado em Godoy, 2006.

A figura 3.2, a exemplo da 3.1, apresenta a quantidade de energia gerada

por um litro de etanol, agora, porém, esse gás passará por um reformador de

combustível que converte o etanol em hidrogênio com uma eficiência de 69%,

hidrogênio que será utilizado em uma célula combustível do tipo PEMFC com um

rendimento de 55%. De acordo com Gomes Neto (2005. p.137), a eficiência de

conversão de eletricidade em movimento por um motor elétrico pode ultrapassar

62

os 95%. Sendo assim, o rendimento global é de 36%, produto dos demais

rendimentos, e a energia útil de 1 litro de etanol alcança 8,043 MJ.

a) Diferença entre os dois sistemas de geração de energia:

Diferença = 8,043 – 4,462 = 3,581 MJ

b) Aumento de eficiência:

4,462 MJ (motor a etanol) � 100%

3,581 MJ (diferença entre os sistemas)� X

X= (3,581/4,462) * 100 = 80,25%

Para calcular o aumento de eficiência no item b, foi feita uma regra de três,

onde é admitido que a energia útil de um motor a combustão de etanol (4,462 MJ)

equivale a um inteiro (100%) e que a diferença entre as tecnologias comparadas

(3,581 MJ) representa o aumento de eficiência, em relação a esse valor inteiro,

chegando ao resultado de 80,25%.

Esses cálculos mostram que, quando se faz uso do sistema de célula

combustível que utiliza hidrogênio produzido a partir da reforma a vapor do etanol,

consegue-se aumentar a eficiência em 80,25% em relação a um motor a

combustão que utilize etanol.

Por fim, vale observar que, apesar de que essa monografia adote o

rendimento da reforma do etanol em 69%, de acordo com Brasil H2 Fuel Cell

Energy a Toyota já desenvolveu um novo método de reforma do etanol que

alcança um rendimento de 80%, o mesmo alcançado pela reforma do gás natural.

Essa tecnologia ainda está em fase de testes sendo muito bem vinda na área das

células a combustível.

3.3. Comparação entre um veículo a combustão de etanol e um veículo a

célula combustível a hidrogênio

O próximo passo deste estudo de caso é mostrar uma comparação feita

entre dois veículos de uma mesma montadora, que apresentam potências

equivalentes e são alimentados com 1 litro de etanol. A diferença entre ambos é

de que o primeiro utiliza o etanol diretamente em um motor a combustão interna,

63

enquanto o segundo, que utiliza uma célula a combustível, terá o hidrogênio

produzido a partir de 1 litro de etanol.

A partir de dados fornecidos pela montadora Honda, expõe-se, através da

tabela 3.3., uma comparação feita entre um veículo a combustão interna

convencional e um veículo a célula combustível.

Honda Civic 2008 1.8 Honda FCX Clarity

Motor Combustão interna 1.8i- Motor Elétrico Síncrono

Torque 128 lb - ft @ 4300 rpm 189 lb - ft @ 0 - 3056 rpm

Potência 140 cv / 138 cv @ 6300 rpm 134 cv / 100 kW

Combustível Álcool / Gasolina Hidrogênio Comprimido

Velocidade 190 km/h 170 km/h

Consumo 8,4 km/l 110 km/kg Tabela 3.3: Comparação entre veículos a hidrogênio e a combustão. Fonte: Honda

Nessa comparação foi utilizado o modelo Honda Civic 1.8, uma vez que

esse possui uma potência muito próxima a de um Honda FCX Clarity. Percebe-se

que, apesar de o Honda FCX alcançar uma velocidade máxima um pouco inferior

a do Honda Civic, ele possui um torque maior, característico do motor elétrico,

que proporciona uma elevada aceleração e maior conforto para quem vai dirigi-lo.

Com base nos dados anteriores, foram feitos alguns cálculos para se

construir a tabela 3.4, apresentada adiante, indicando a diferença de rendimento

entre as tecnologias discutidas no capítulo.

a) Motor de combustão interna:

1 litro de etanol (faz percorrer) � em média 8,4 km em um Honda Civic 1.8 - 2008

b) Sistema de reforma + célula combustível:

Se:

1 litro de etanol (produz) � 1,596 m³ de Hidrogênio

Densidade do hidrogênio: 0,0899 kg/m³

Logo,

1 litro de etanol (produz)� 0,143 kg de hidrogênio.

E se:

64

1 kg de hidrogênio (faz percorrer)� 110 km em um Honda FCX Clarity 2008

Admitindo-se que esse hidrogênio foi produzido a partir de 1 litro de etanol:

1 litro de etanol reformado em H2 (0,143kg) (faz percorrer) � 15,73 km em um

Honda FCX Clarity 2008.

Como de pode observar, os resultados estão à margem do que prevê

Gomes Neto (2005), quando diz que o etanol reformado em hidrogênio e utilizado

na célula combustível pode oferecer uma eficiência até três vezes superior àquela

fornecida por um motor a combustão interna movido a etanol.

Essa diferença de eficiências poderá vir a ser ainda maior, pois além da

existência do novo sistema de reforma com eficiência de 80%, novos eletrólitos

mais eficazes já estão sendo desenvolvidos para as células combustíveis.

Admitindo-se que um veículo novo percorra algo em torno de 20 mil

quilômetros por ano, veja os cálculos apresentados na tabela 3.4:

Quilômetros rodados por

litro

Quilômetros rodados por

ano

Consumo de etanol anual*

Consumo energético

anual**

Célula Comb. + reforma

15,73 km 20.000 km 1.271 litros por veículo

28,356 GJ

Motor a combust.

interna

8,4 km 20.000 km 2.380 litros por veículo

53,097 GJ

Diferença entre as

tecnologias

7,33 km (aumento de 87,26% de eficiência)

0 1.109 litros por veículo

24,741 GJ

Tabela 3.4: Comparação entre a eficiência anual de um veículo a célula combustível mais reformador e um veículo com motor a combustão interna. Fonte: Dados e cálculos próprios

baseados no modelo de Godoy, 2006.

Observações para a tabela 3.4: *Considera-se que a célula a combustível faz 15,73 km/l de etanol e que o motor a combustão interna faz 8,4 km/l de etanol. **Sabe-se que 1 litro de etanol tem um potencial energético de 22,31 MJ.

c) Diferença entre os dois sistemas de geração de energia:

Diferença = 15,73 – 8,4 = 7,33 km

65

d) Aumento de eficiência:

8,4 � 100%

7,33 � X

X= (7,33/ 8,4) * 100 = 87,26%

Na comparação entre a reforma de 1 litro de etanol e a utilização do

mesmo em um motor a combustão interna, foi mostrada que a tecnologia a célula

combustível obteve um aumento de 87,26% de eficiência em relação àquela

outra. Isso faz com que mais da metade do etanol necessário para movimentar

um automóvel seja poupada, implicando na redução do dióxido de carbono que

seria emitido na queima do etanol, ajudando, assim a reduzir o aquecimento

global.

A tabela 3.4 ainda mostra que ao utilizar o Honda FCX com hidrogênio

produzido a partir da reforma do etanol na UNICAMP, em vez de se utilizar o

Honda Civic com motor a combustão de etanol, é economizado em um ano, 1.109

litros de etanol por veículo.

Já na tabela 3.5 é mostrado que a combustão de 1000 litros de etanol

libera 260 quilogramas de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera. Logo, por

regra de três, 1.109 litros de etanol liberam 288,34 quilogramas de CO2, ou seja, a

substituição de apenas 1 veículo com motor a combustão por um veículo a

hidrogênio, onde esse gás foi produzido a partir da reforma do etanol, livra a

atmosfera de 288,34 quilogramas de dióxido de carbono anualmente.

Tabela 3.5: Comparação entre as emissões de CO2 da gasolina e do álcool (etanol). Fonte:

(SOUSA, 2008)

Ainda alia-se ao veículo de célula a combustível, o fato de ser silencioso e

de não possuir peças móveis, dando maior confiabilidade ao veículo e diminuindo

a utilização de óleos lubrificantes que poluem os lençóis freáticos, ao contrário

dos veículos convencionais.

66

Para outras aplicações não automotivas, como em geradores a célula

combustível em indústrias, residências, hospitais ou centros de comunicação, o

rendimento da célula combustível chega a 85%, em células industriais do tipo

SOFC e MCFC. Nesse método, como já foi citado, é utilizando o vapor liberado

pela própria célula combustível de alta temperatura para movimentar uma turbina

a vapor ou proporcionar aquecimento de água.

Portanto, as células combustíveis também são uma solução muito

adequada para usinas termoelétricas, que podem substituir a combustão de

certos combustíveis, como o gás natural, o biogás ou o próprio etanol, pela

reforma desses gases em hidrogênio, o qual será utilizado em uma célula

combustível com um rendimento muito mais alto.

67

4. CONCLUSÃO

Foi mostrada a tecnologia das Células Combustíveis a Hidrogênio, desde o

seu principio de funcionamento até os tipos de Células Combustíveis e suas

aplicações, seja nos transportes, nos portáteis e em geração de energia

distribuída, buscando destacar suas qualidades e vantagens em relação a outras

formas de aproveitar as fontes de energia, como o caso de um motor a

combustão.

Registrou-se um estudo de caso evidenciando-se a vantagem de se utilizar

um determinado combustível, no caso o etanol reformado em hidrogênio em uma

célula a combustível, em vez de se utilizar a mesma quantidade desse

combustível em um motor a combustão. Para se comprovar esses fatos foram

utilizados dados de outros trabalhos, de experimentos e projetos aplicáveis.

Desse modo, justificou-se a possibilidade de a célula combustível trazer

benefícios para o meio ambiente, além de sanar crises energéticas e ambientais,

simplesmente pelo fato de se poder utilizar uma mesma quantidade de

combustível de uma turbina ou motor a combustão para gerar muito mais

potência, racionalizando as fontes primárias de energia e diminuindo

consideravelmente as emissões de gases poluentes.

Salientou-se que o estado do Ceará tem a possibilidade de utilizar vários

recursos renováveis para se obter hidrogênio, como a energia eólica, solar e a

biomassa.

Registrou-se ainda que as células combustíveis para geração estacionária

em centros comerciais já estão chegando ao mercado brasileiro e, em questão de

tempo, chegarão a todos os estados do país.

Procurou-se sugerir que a tecnologia das Células Combustíveis é

democrática, pois cada país ou região produz o hidrogênio da maneira como lhe é

mais conveniente e viável.

Mostrou-se que ainda há necessidade de aperfeiçoamento, já que essa

tecnologia é emergente, porém, vem se desenvolvendo e alcançando a

viabilidade com uma grande velocidade.

68

Falou-se ainda que os aperfeiçoamentos são alcançados a partir da

redução de custos e com a iniciativa do Governo de cada país, inclusive, no Brasil

existem projetos para que isso aconteça.

Com isso espera-se despertar o interesse de instituições e pesquisadores

para a área das energias renováveis, em especial, para as células combustíveis a

hidrogênio, a exemplo do que acontece em alguns estados do Brasil

Espera-se, ainda, que o assunto, como aqui foi tratado, esclareça o leitor a

contento sobre a necessidade de se proteger o meio ambiente, quebrando-se

maus hábitos que já estão ficando ultrapassados, como o de se ter que poluir

para produzir.

69

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALMEIDA, A. Traça. Hidrogénio como Combustível. Coimbra: Faculdade de

Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2005.

BOTO, R. A Usina Corupe & Os Biocombustiveis. Encontro Nacional de

Negócios em Energia. Out. 2007. Disponível em: <www.usinacoruripe.com.br>.

Acesso em: 18 fev. 2008.

BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY. GOMES NETO, E, H. Célula Combustível.

Disponível em: <http://www.ambientebrasil.com.br>. Acesso em: 20 out. 2008.

GODOY,G.A.Riveros; CAVALIERO,C.K.Nakao.; SILVA, Ennio Peres. Geração de

Excedente de Etanol para Exportação a Partir do Processo de Reforma para

Produção de Hidrogênio para Uso Automotivo. Planejamento de Sistemas

Energéticos – DE/FEM/UNICAMP. Campinas: Laboratório de Hidrogênio, 2006.

GOMES NETO, E.H., Hidrogênio, Evoluir sem Poluir: a era do hidrogênio, das

energias renováveis e das células a combustível. 1° ed. 2005, Curitiba: Brasil

H2 Fuel Cell Energy. 2005.

GOSMANN, Hugo L. O Roteiro Brasileiro para Estruturação da Economia do

Hidrogênio, 2006. Ministério de Minas e Energia. Brasília: Secretaria de Petróleo,

Gás Natural e Recursos Renováveis, 2006.

MARQUES, A. R.; AUGUSTO, A. F.; MONTEIRO, P. T. O Hidrogénio como

Vector Energético nos Transportes. In: SEMINÁRIOS DE

DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL. Instituto Superior Técnico, Lisboa: 2004.

MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Densidades e Poderes Caloríficos

Inferiores. 2004. Disponível em: <www.mme.gov.br>. Acesso em: 25 jul. 2008.

70

PINHEIRO, A. P. B. Energias renováveis: tipos e aplicações. NTEditorial, São

Paulo, n.36, ago. 2007. Disponível em:<http://www.nteditorial.com.br>. Acesso

em: 29 out. 2008

SANTOS, F. A. C. Mamede; SANTOS, F. M. S. Mamade. Células de

Combustível. Viseu: Escola Superior de Tecnologia do Instituto Superior

Politécnico de Viseu, 2004.

SILVEIRA, D. M. Produção de Hidrogênio a partir do Bioetanol. Escola de

Engenharia Química. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre,

2006.

SOUSA, S.A. Clima – Perdas e Ganhos – Tecnologia Flex Fuel. Escola

Professor Renê Rodrigues de Moraes. Guarujá, 2008. Disponível em:

<http://br.geocities.com/sousaraujo>. Acesso em: 19 dez. 2008.