células a combustível

Células a Combustível

Ana Paula Domingos CardosoPriscila Lemes

Características Gerais

As células a combustível (CaC) constituem uma forma limpa, silenciosa e eficiente de geração de eletricidade e calor a partir de combustíveis como hidrogênio, gás natural, metanol, etanol e outros hidrocarbonetos.

Trata-se de um dispositivo eletroquímico que converte diretamente energia química, a partir de uma reação entre um combustível e um oxidante, em energia elétrica.

Esquema de uma CaC

Tipos de CaC e características típicas

AFC SPFC/PEMFC PAFC MCFC SOFC

Eletrólito 85% KOH Membrana polimérica

H3PO4 62% Li2CO3 + 38% K2CO3 +

Cerâmica (YSZ)

Anodo

Ni Pt ou Pt/C Pt/C Ni-10%Cr Ni-YSZ

Catodo

Li-NiO Pt ou Pt/C Pt/C Li-NiO Sr-LaMnO3

Temperatura de operação 23-250C 70-120C 150-220C 600-800C 650-1000C

Eficiência

45-60% 40-60% 36-38% 45-60% 50-65%

Potência

<20 kW <250 kW >50 kW <2 MW <1 MW

Combustível

H2 puro H2 puro H2 livre de CO H2, CH4, CO H2, CH4, CO

Aplicação Submarinos, área espacial

Veículos, residências

Estações de energia



Vantagens e Desvantagens das CaC

O Combustível das CaC

O grande interesse despertado pelas células a combustível reside no fato das mesmas constituírem o ponto chave para o ingresso na era da economia do hidrogênio.

O combustível das células, particularmente das PEMFC, é o H2(g), o qual deve ser isento de contaminantes capazes de inibir a ação dos catalisadores presentes nos eletrodos.

A tecnologia de produção e o custo deste combustível é fundamental para o desenvolvimento do mercado de células a combustível.

O Combustível das CaC

Embora o hidrogênio constitua o elemento mais abundante no universo, ele necessita ser obtido a partir da água, de combustíveis fósseis ou da biomassa e, em geral, com um consumo significativo de energia.

Obtenção mundial de H2 de acordo com a procedência

Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise

A eletrólise da água para o produção de H2 apresenta vantagens como a utilização da água e energia elétrica disponíveis localmente, emissões nulas e possibilidade de sinergismo com fontes renováveis.

Apesar disso, ela é extremamente dependente do custo da eletricidade e mais adequada para produção de menores volumes de H2 com alta pureza.

A produção de H2 por eletrólise não tem sido capaz de competir com a produção a partir de unidades de grande porte que utilizam a tecnologia de reforma a vapor do gás natural.


Comparação de custos de produção de H2 em função da escala de produção e do preço dos

principais insumos


Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de eletrólise

Meta Custo (US$/Kg) Custo (US$/Nm³)

Atual 6,10 0,55

2005 4,80 0,43

2010 3,50 0,32

Obtenção de Hidrogênio por Reforma

O desenvolvimento de reformadores compactos, associados a sistemas de purificação, para obtenção de hidrogênio a partir de gás natural, metanol, etanol ou outros hidrocarbonetos tem sido objeto de pesquisas em diversos países.

Embora a tecnologia de reforma esteja dominada e seja largamente utilizada, a construção de unidades compactas, eficientes e capazes de produzir hidrogênio com a pureza adequada para as células a combustível ainda constitui um desafio.


Representação esquemática das etapas da reforma a vapor ou por oxidação parcial


Meta Custo (US$/Kg) Custo (US$/Nm³)

Atual 5,00 0,45

2005 3,00 0,27

2010 1,50 0,14

Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de reforma de gás natural e de combustíveis líquidos

Outras formas de obtenção de H2

O H2 também pode ser obtido a partir da gaseificação ou da pirólise de biomassa através das seguintes rotas:

Gaseificação Obtenção de gás de síntese Reforma/Purificação (“shift”)

Pirólise Bio-óleo Reforma/Purificação (“shift”)

Outras formas de obtenção de H2

Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de pirólise de biomassa

Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de gaseificação de biomassa

MetaCusto

(US$/Kg)Custo

(US$/Nm³)

Atual 3,60 0,33

2005 3,30 0,30

2010 2,60 0,23

MetaCusto

(US$/Kg)Custo

(US$/Nm³)

Atual 3,80 0,34

2005 3,70 0,33

2010 2,90 0,26

Custos Futuros

Embora a evolução do nível de produção de CaC, em especial de PEMFC, e a conquista de diferentes mercados seja estimulada por suas características positivas, a real penetração desta tecnologia no mercado de energia depende da melhoria do desempenho destes dispositivos, da redução geral de custos e das condições reinantes nos mercados de insumos energéticos e de energia elétrica.

A melhoria do desempenho das PEMFC é imprescindível para melhorar a relação tamanho/peso (importante para aplicações portáteis e veiculares) e incrementar a durabilidade e confiabilidade das PEMFC de forma a torná-las compatíveis com a demanda local por energia elétrica.

Custos Futuros

Os diferentes mercados para CaC em função do tamanho da

instalação e do custo por unidade de potência

Participação dos diversos componentes nos custos de

produção de PEMFC para aplicações estacionárias

Evolução Tecnológica das CaC

A célula á combustível é uma promissora tecnologia de geração de energia que pode ser usada em aplicações como:

estacionárias

de geração de energia distribuída

veiculares


Vantagens:

ter um baixo ou nenhum impacto ambiental elevada eficiência (atualmente de 40 á 50%

, mas pretensão de 60%) flexibilidade (utilidade e uso de

combustíveis) baixa exigência de manutenção reduzido tempo de resposta a solicitações

de carga potencial para a co-geração


Desvantagens:

não estarem disponíveis comercialmente (exceto as CaC de ácido fosfórico que operam com gás natural e as células poliméricas que operam com hidrogênio)

elevado custo (por isso são encontradas somente em aplicações específicas como na exploração espacial e atividades militares).


A partir de 1960 com o início da exploração espacial que as CaCs tiveram um desenvolvimento considerável para possíveis aplicações de fornecimento de energia de qualidade, confiabilidade em módulo e cápsulas espaciais.


O desenvolvimento dos diversos tipos de CaC tem sido desigual;

Alguns modelos até desapareceram (CaC a carvão direto);

Outras tem um desenvolvimento limitado devido a problemas de durabilidade ou sensibilidade a contaminantes (CaCs alcalinas que precisam de hidrogênio puro);

Há tecnologias como as da célula de membrana polimérica , as células de óxido de sólido e células de carbono fundido que se encontram em desenvolvimento acelerado e já começaram a entrar no mercado sob a forma de protótipos .


Barreiras à Evolução:

O custo é uma barreira ao processo de evolução pois para serem competitivas as CaC precisariam ter um custo energético de US$400,00 que é o custo mais eficiente das turbinas á gás e de geradores a diesel.

As CaC produzidas geram um valor de 10 vezes o custo ideal.



Número de fabricantes de componentes e de unidades (hoje há 15 fabricantes das células poliméricas e 10 fornecedores do conjunto membrana eletrodo, sendo que a membrana representa 76% dos custos totais do processo).

Receptividade Social (sociedade conscientizada do uso da CaC como uma tecnologia limpa de geração de energia).



Situação dos mercados de energia elétrica e de insumos (as condições de mercado que variam com a estrutura econômica e com as políticas energéticas de cada país, no caso do Brasil as indefinições na política energética constituem barreiras ao desenvolvimento).

Competição entre os diferentes tipos de CaC (as poliméricas acabam tendo mais incentivo ao desenvolvimento devido ao seu uso em aplicações na indústria automobilística).



Necessidade de melhorias de eficiência (eletroquímica, energética, global ou desempenho).

Vida útil (necessidade de melhoria no tempo de vida útil).

Melhoria na tolerância a contaminantes e ao tipo de combustível primário.

O que já Existe em termos de CaC

Em termos de potência as CaC dividem-se em:

1 a 10kW: para residências, unidades auxiliares de potência em veículos e embarcações.

10 a 50kW :para prédios residenciais, condomínios.

50 a 250kW:prédios comerciais, hospitais,instalações militares.

acima de 250kW:para grandes consumos associados a co-geração.


Aplicações Existentes:

As CaCs de ácido fosfórico são comercializadas desde os anos 90 pela empresa UTC Fuel Cells dos Eua.

Hoje já existem 250 unidades

implantadas e testadas no mundo.


CaC de ácido fosfórico instalada no LATEC em Curitiba, unidade de 200kW de potência, seu custo é de

US$900.000,00, ou seja, US$ 4.500,00/kW. A eficiência é de 38%.


As CaC também têm sido um amplo campo de pesquisa nos EUA,onde a meta é produzir CaCs de 10kW de potência, com eficiência de 40 á 60%, a um custo de US$400,00/kW até 2010.

Espera-se que estas células cheguem á um preço de consumo de US$ 1.000,00 até 2010.


A Sanyo Electric recentemente lançou um sistema de CaC que excede 20.000h de operação. Mas para que a CaC se torne competitiva em termos de vida útil com os geradores convencionais o valor de operação precisa ser de 40.000h.


Ônibus protótipo produzido em SP pela busscar que usa como combustível hidrogênio ao invés do diesel.

O Mercado de Energia

Atualmente as contribuições de energia em escala mundial são:

carvão: 39,1% produtos de petróleo: 7,9% gás natural: 17,4% geração nuclear: 16,9% geração hidroelétrica: 16,7% outras formas: 2%

O Mercado de Energia

No Brasil a geração de energia elétrica vêm 91% de recursos hídricos, mas devido á necessidade de economia de água surge a necessidade de outras fontes alternativas de energia.

Geração Distribuída

A geração de energia distribuída ou descentralizada vem a ser a geração de energia elétrica em unidades de pequeno porte, localizados no ponto de carga ou próximo a ele, esta vem a ser a área mais promissora para o uso da células a combustível (em especial na produção de energia elétrica de 2 a 200kW).

Principais Benefícios Ambientais

Diminuem a dependência de petróleo para produzir energia.

Emitem menos gases causadores do efeito estufa (tem como subprodutos apenas oxigênio e água).

Mais eficiência na geração de energia e no consumo da fonte energética.

Redução de baterias nos aterros sanitários.

Situação do Brasil

O Brasil tem um grande potencial para referência em tecnologia com hidrogênio, devido a sua capacidade hidráulica e sucro-alcooleira podendo produzir hidrogênio para seu consumo a exportação no uso das células a combustível.

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