XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
A Engenharia de Produção e o Desenvolvimento Sustentável: Integrando Tecnologia e Gestão.
Salvador, BA, Brasil, 06 a 09 de outubro de 2009
ENERGIA RENOVÁVEL: A ENERGIA
DO HIDROGÊNIO APLICADA À
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
ATRAVÉS DE CÉLULAS À
COMBUSTÍVEL
ricardo santos Roggia (FSMA)
[email protected]
Paula Fernanda Scovino de Castro Ramos Gitahy (FSMA)
[email protected]
Alexandre dos Santos Netto (FSMA)
[email protected]
Christina de Castro Venério (FSMA)
[email protected]
Leonard Willians Junior (FSMA)
[email protected]
Ao analisar a trajetória do uso das fontes tradicionais de energia
varifica-se que ela indica o declínio, não só pela sua característica
finita, mas porque é uma ameaça ao meio ambiente.A produção de
energia através de fontes renováveis temm sido fonte de pesquisas no
setor industrial em todo o mundo. As chamadas fontes alternativas de
energia ganharam uma atenção maior. Este artigo tem como tema a
Energia do Hidrogênio e sua aplicabilidade na geração de energia
elétrica através de Células à Combustíveis e sua elaboração é
relevante, pois, as energias renováveis são cada vez mais utilizadas,
permitindo um desenvolvimento mais sustentável, reduzindo a poluição
e diminuindo a dependência de combustíveis fósseis esgotáveis.
Palavras-chaves: energia renovável, célula à combustível, hidrogênio,
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1. Introdução
Desde o início do século XX, o mundo tem sofrido com a exploração de seus recursos
naturais; com os desmatamentos das florestas, a extinção de animais e plantas, com a poluição
da atmosfera e a degradação do solo. O uso das fontes tradicionais de energia traça sua
trajetória ao declínio, não só pela sua característica finita, mas porque é uma ameaça ao meio
ambiente.
O petróleo, por exemplo, considerado uma fonte esgotável de energia, foi tão continuamente
extraído que seus campos e poços tendem ao esgotamento, pouco menos de um século após o
início de sua utilização efetiva. O carvão, um recurso ainda mais antigo, também é
considerado esgotável. A energia nuclear nos alerta para o perigo dos resíduos radioativos
gerados, que atualmente são de difícil armazenamento e descarte.
Com relação à questão ecológica, as chamadas “fontes alternativas de energia” ganham um
espaço cada vez maior. A energia solar (painel solar, célula fotovoltaica), a energia eólica
(turbina eólica, cata-vento), a energia hídrica (roda d’água, turbina), e o hidrogênio (gás
extraído da água e de inúmeras fontes renováveis como o metanol); além de não prejudicarem
a natureza, ainda são fontes renováveis de energia.
O hidrogênio é uma substância completamente benigna, e a sua utilização em tecnologias
adequadas só produz água. Pode ser produzido a partir de diversas fontes de energia, tais
como a gerada pela queima de combustíveis fósseis, energia nuclear e energias renováveis,
com uma razoável eficiência, desperdiçando pouca energia. Além disso, o hidrogênio é
facilmente conversível em calor e eletricidade com elevada eficiência.
Este artigo tem como tema a Energia do Hidrogênio e sua aplicabilidade na geração de
energia elétrica através de Células à Combustíveis e sua elaboração é relevante, pois, as
energias renováveis são cada vez mais utilizadas, permitindo um desenvolvimento mais
sustentável, reduzindo a poluição e diminuindo a dependência de combustíveis fósseis
esgotáveis.
Para se ter um verdadeiro desenvolvimento sustentável além de evitar o atual modelo de
desenvolvimento vigente, os energéticos fósseis deverão ter seu consumo reduzido em prol
dos combustíveis renováveis.
O objetivo deste artigo é apresentar a produção de energia através de fontes renováveis de
combustíveis, principalmente com a utilização do hidrogênio na produção de energia elétrica
com a utilização de células à combustível, aumentando a diversidade de ofertas de energia,
reduzindo a utilização de combustíveis fósseis; além de resolver parte dos grandes problemas
ambientais, como o efeito estufa.
Esse trabalho foi apresentado como Trabalho de Conclusão de Curso do curso de Engenharia
de Produção com ênfase em Engenharia de Instalações no Mar, da Faculdade Salesiana Maria
Auxiliadora (FSMA) do município de Macaé. A pesquisa foi baseada em levantamento
bibliográfico.
2. Fundamentação Teórica
Neste capítulo serão abordados temas de fundamental importância para justificar a utilização
do hidrogênio na produção de energia elétrica em células à combustível; tais como, o
aquecimento global, a escassez de energia, a matriz energética brasileira, a matriz de energia
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elétrica e de combustíveis veiculares. Veremos o hidrogênio de uma forma geral, como se
utiliza e como será a sua produção. Assim também o que são células à combustível, quais
tipos de células se pode encontrar no mercado e como é o seu princípio de funcionamento.
Será feita uma abordagem de programas de P&D, tais como o Programa Brasileiro de Célula
à Combustível e Hidrogênio e o Programa do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares –
IPEN e um resumo das ações governamentais e da Petrobras no desenvolvimento deste tipo
de recurso energético no país.
2.1 Aquecimento Global
A manipulação do ambiente pelo homem e sua desregrada conduta, infringiu os princípios
fundamentais da vida, não permitindo que o ambiente seguisse seu curso natural destinado
pelas forças da natureza (BECKER et aI, 2001 apud ROSA, 2004). A constante interferência
do homem sobre o meio em que vive, modifica os padrões ambientais, alterando a
constituição das espécies que nele vivem (GRALLA, 1998 apud ROSA, 2004). Assim, a
constante espoliação do meio ambiente para satisfazer uma estrutura pré-estabelecida do estilo
de vida capitalista, rompeu com as relações de cumplicidade entre o homem e o meio
ambiente.
A era industrial não foi só o impulso para industrialização, também contribuiu para elevação
dos níveis de emissão de poluentes que agravaram o efeito estufa (IPCC, 2001 apud ROSA,
2004). A partir de então, os níveis de dióxido de carbono, gás natural (metano), óxido nitroso,
CFCs e ozônio, os chamados gases do efeito estufa, começaram a aumentar.
A mídia se reporta aos eventos climáticos de forma sensacionalista, e enfatiza a reincidência
desses eventos, distorcendo parte importante a ser discutida. Não se sabe se realmente esses
eventos climáticos (furacões, enchentes, secas etc.) estão ocorrendo em maior freqüência,
porque apenas temos dados confiáveis de um período muito curto, cerca de 50 anos atrás. É
um período sem muita expressão, quando comparado ao período de existência da Terra, para
podermos inferir uma mudança climática real.
A tecnologia se torna cada dia mais avançada, o que leva de fato à detecção de um número
maior de furacões ou outros eventos, mas que na verdade já existiam, mas não eram
detectados. Mesmo se tivéssemos somente algumas décadas de informações confiáveis, o
debate está atualmente concentrado, em se a atividade humana está ou não alterando
condições climáticas em longo prazo, mas há muito poucas evidências para apoiar a
afirmação de que os climas violentos de pequena duração estão aumentando (GRALLA, 1998
apud ROSA, 2004).
Sabe-se, entretanto, que a concentração de gás carbônico na atmosfera está aumentando
rapidamente, atuando diretamente no aquecimento global, que é um processo intrínseco ao
efeito estufa. Caso continuemos a emitir níveis acima dos tolerados pelo meio ambiente, a
temperatura começará a subir.
O aquecimento global já é um fato consumado, a extensão dos efeitos do aquecimento global,
ainda é questionável. Os efeitos nocivos do aumento da temperatura na Terra promovem
danos tanto na esfera sócio-ambiental, quanto na esfera sócio-econômica. Para minimizar os
efeitos do aquecimento global, a comunidade científica juntamente com os chefes de Estado,
se reuniram inicialmente em Quioto, no Japão, traçando metas e alternativas para conciliar o
desenvolvimento econômico, emitindo menores quantidades de gases de efeito estufa para
atmosfera.
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Foram propostos mecanismos de mercado, fontes alternativas de energia baseadas nos
recursos renováveis e propostas de reflorestamento. Todas essas alternativas foram discutidas
num contexto muito mais amplo, conhecido como Mecanismo de Desenvolvimento Limpo.
Entretanto todo o esforço para minimizar os efeitos do Aquecimento Global, foram
direcionados para o incremento de áreas florestais dos países em desenvolvimento e não na
redução das emissões de gases que causam o efeito estufa nos países desenvolvidos.
Essa prática reflete o interesse dos países industrializados continuarem poluindo e
aumentando os seus parques industriais, tornando seus produtos mais competitivos, ao passo
que os países em desenvolvimento tornam-se reféns dos países industrializados através das
CERs - Reduções Certificadas de Emissões.
Caso continue aumentando a temperatura e essas medidas previstas no Protocolo de Quioto
não resultem em avanços significativos na redução dos gases do efeito estufa, há previsão de
uma perda considerável de biodiversidade, com sua extinção, ocasionada pela não adaptação
das espécies a uma nova temperatura e à perda de habitat. O aumento da precipitação e as
alterações no regime hidrológico alterariam os padrões de vegetação e do solo, o que afetaria
diretamente a produtividade, e resultaria na escassez de alimentos.
2.2.1 Matriz Energética Brasileira
Hoje a matriz energética brasileira esta alicerçada em hidroeletricidade e em combustíveis
fósseis, sendo o petróleo e o gás natural a base energética da nossa cadeia produtiva e de
transportes. Tanto na indústria quanto nos transportes o petróleo e seus derivados estão
presentes, alimentando a grande maioria dos meios de produção e de transporte do país,
apesar de o Brasil apresentar uma diversidade em fontes energéticas renováveis e não
renováveis. Pode-se citar como exemplo de energia renovável o biodiesel e o álcool, que têm
tomado parte do mercado dos combustíveis para transportes, sendo mais limpo e mais
econômico.
Conforme dados colhidos no Balanço Energético Nacional- 2007, a matriz energética
brasileira esta baseada no consumo de petróleo e derivados, chegando a 37,9% do consumo de
combustíveis para geração de energia, equivalendo a aproximadamente 226 milhões de TEPToneladas Equivalentes de Petróleo, tendo 44% de participação das fontes renováveis para
geração de energia.
Comparado ao restante do mundo, o Brasil tem uma boa relação na utilização de fontes
renováveis para a geração de energia, chegando a quase 45% das fontes de geração de
energia. Em média, no restante do mundo, esse percentual é de aproximadamente 14%.
2.2.2 Matriz de Energia Elétrica
De acordo com dados estimados pelo Ministério de Minas e Energia, publicados no Balanço
Energético Nacional- 2007, a matriz energia elétrica brasileira esta baseada na
hidroeletricidade, chegando a 75,7% da geração de energia tanto para consumo doméstico
quanto para produção industrial, tendo apenas pouco mais de 21% de participação das outras
fontes renováveis para a geração de energia.
Apesar do Brasil ter a sua matriz de energia elétrica, baseada na hidroeletricidade, há uma
grande demanda de energia, pois devido a sua grande extensão e as grandes distâncias para o
atendimento a populações que habitam regiões isoladas, fica extremamente difícil o
fornecimento de energia para estas regiões.
2.2.3 Matriz de Combustíveis Veiculares Brasileiras
A matriz de combustíveis veiculares brasileira esta baseada no consumo de óleo diesel e
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gasolina, chegando a 76,1% do consumo de combustíveis, tendo apenas 3,2% de participação
do gás natural e aproximadamente 17,2% de álcool anidro e hidratado juntos.
3. A energia do hidrogênio
O hidrogênio é um gás incolor, inodoro, sem sabor e não tóxico, em condições normais na
superfície terrestre, sendo a substância mais simples que podemos encontrar no planeta, sendo
o primeiro elemento da tabela periódica. Existindo sob a forma de uma molécula diatômica,
onde cada molécula apresenta dois átomos de hidrogênio ligados.
Desde o século XIX que o hidrogênio é estudado como forma limpa de produzir eletricidade
utilizando células à combustível, contudo, foi a NASA, a pioneira na utilização do hidrogênio
em aplicações práticas de células à combustível, além de utilizar como combustível para a
propulsão de veículos espaciais.
O hidrogênio está presente na natureza sob diversas formas, sendo o elemento mais abundante
do universo, sendo um dos principais constituintes de praticamente todas as coisas que nos
rodeiam (animais, plantas, água, combustíveis, etc.) No entanto, o hidrogênio na sua forma
pura ocorre muito raramente. Se a humanidade pretende obter hidrogênio puro, terá que o
extrair de outros compostos.
Há diversas formas de se produzir hidrogênio; a partir de combustíveis como o gás natural por
processos de reformação, em que se mistura o gás natural com vapor de água; a partir da
biomassa por processos bioquímicos, em que se transforma a biomassa num gás rico em
hidrogênio; ou a partir da água por eletrólise.
A eletrólise da água é um processo através do qual, fazendo passar uma corrente elétrica
através da água, ela se separa nos seus componentes originais, hidrogênio e oxigênio. Este
processo envolve a utilização de catalisadores e eletricidade, que poderá ser obtida a partir de
qualquer fonte disponível de energia, como por exemplo, a partir de fontes renováveis como a
solar e a eólica, entre outras.
Como foi mencionado, o hidrogênio pode ser produzido a partir de diversas fontes de energia,
como combustíveis fósseis, energia nuclear, energias renováveis, com uma razoável
eficiência, desperdiçando pouca energia; sendo facilmente conversível em calor e eletricidade
com elevada eficiência.
As tecnologias atuais permitem armazenar grandes quantidades de hidrogênio de três formas:
como gás comprimido a elevadas pressões, como hidrogênio líquido a baixas temperaturas (253ºC) ou dissolvido em substâncias sólidas. O hidrogênio é uma substância completamente
benigna, a sua utilização em tecnologias adequadas só produz água. No entanto, uma vez que
o hidrogênio não ocorre naturalmente, para produzi-lo é necessário recorrer a processos que
podem ter como produto final a liberação de poluentes.
Dentre as vantagens citadas, pode-se destacar que o hidrogênio pode ser obtido através de
diversas fontes fósseis ou renováveis; sua conversão produz apenas água, gerando menor
poluição local, torna vários processos mais eficientes e apresenta alta densidade de energia
por massa, vantagem no uso aeroespacial, se comparado com o álcool hidratado e a gasolina
comum
O hidrogênio possui algumas desvantagens na sua utilização é um vetor energético, assim
como a eletricidade, e precisa ser extraído de algum produto, podendo gerar poluição, além de
ser difícil seu armazenamento em grandes quantidades e de possuir uma baixa densidade de
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energia por volume.
2.3.1 A Produção de Hidrogênio
A produção de hidrogênio em grandes quantidades é um dos grandes desafios a serem
vencidos. Atualmente, são produzidos cerca de 500 bilhões de metros cúbicos por ano, em
pressão ambiente e sua principal utilização nos dias de hoje não é para a geração de energia,
mas para a fabricação de produtos químicos como plásticos e amônia; no resfriamento de
motores e geradores, e na indústria eletrônica.
Além disso, a maior parte do hidrogênio produzido hoje é a partir de fontes de energia
convencionais e poluentes, como: Gás de carvão gaseificado (90 bilhões de m3); Gás natural
(240 bilhões de m3); Reforma de petróleo (150 bilhões de m3).
Para que o hidrogênio se torne uma fonte de energia realmente sustentável, deve-se promover
a sua produção a partir de fontes renováveis de energia. Várias alternativas já existem para
produção de hidrogênio em volumes comerciais, como a gaseificação da biomassa ou a
eletrólise da água, entretanto, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA, somente
5%, cerca de 20 bilhões de m3, do hidrogênio é produzido atualmente a partir destas fontes
renováveis.
O Brasil, juntamente com Canadá e Noruega, países que tradicionalmente utilizam a energia
das hidrelétricas, deverá ser grandes produtores de hidrogênio a partir da eletrólise da água. A
eletrólise também poderá ser realizada com a energia eólica e solar, além de outras fontes de
energia renováveis.
Através do agro-negócio, o Brasil poderá produzir hidrogênio utilizando o álcool da cana-deaçúcar, biodiesel a partir da soja, girassol, entre outras plantas. A gaseificação da biomassa e
do lixo urbano, biogás, para obtenção do hidrogênio, também é uma grande oportunidade para
o país, especialmente em aterros sanitários e estações de esgoto.
A produção de hidrogênio através da eletrólise da água é bem interessante e relativamente
simples. É realizada utilizando-se a energia elétrica para quebrar a molécula de água (H2O)
em seus constituintes, o hidrogênio e o oxigênio. O processo mais conhecido comercialmente
é chamado de “eletrólise alcalina”. Este tipo de eletrólise é indicado para grandes produções
de hidrogênio. Para ocorrer à quebra da molécula de água, desfazendo ligação entre
hidrogênio e oxigênio, a tensão aplicada deve ser maior que 1,23 volts; uma pilha comum tem
1,5 volts.
O biocombustível também é uma forma bem interessante de se produzir hidrogênio e utilizálo nas células à combustível. Nesse aspecto o Brasil pode obter bastante proveito com
diversas oportunidades. Podemos obter os biocombustíveis a partir dos aterros sanitários, da
gaseificação da biomassa, do uso do álcool obtido da cana-de-açúcar (Brasil) ou milho
(EUA), e até mesmo a partir do excremento dos animais nas fazendas e do lixo orgânico em
casa.
A maior parte da produção de hidrogênio atualmente vem a partir de fontes fósseis como o
petróleo, gás natural e carvão. Cerca de 40% da produção total de hidrogênio é proveniente de
processos químicos em indústrias e refinarias em que o hidrogênio é obtido como subproduto.
2.3.2 Aplicações do Hidrogênio
O hidrogênio pode ser usado em equipamentos de queima, tal como os outros combustíveis,
mas a aplicação preferencial para o hidrogênio é em células à combustível; que são
dispositivos capazes de converter, de forma limpa e eficiente, hidrogênio e oxigênio em
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eletricidade e calor.
2.4 Células à Combustível
A célula à combustível é uma tecnologia que utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar
eletricidade com alta eficiência e também vapor d’água resultante do processo químico na
célula à combustível. A importância da célula está na sua alta eficiência e na ausência de
emissão de poluentes, quando se utiliza o hidrogênio puro, além de ser muito silenciosa. Será
em breve uma solução para a geração de energia no próprio local de consumo, desde uma
indústria, residência, centros comerciais, além de sua utilização em automóveis, aviões,
motos, ônibus e equipamentos portáteis, tal como o telefone celular e os laptops.
As células à combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química
contida em combustíveis, especialmente hidrogênio, diretamente em eletricidade, tendo como
princípio de funcionamento a eletrólise inversa; descoberta pelo pesquisador, Willian Grove
em 1839, tendo suas primeiras aplicações práticas a partir da corrida espacial na NASA na
década de 60. Atualmente existe um modelo de célula à combustível que utiliza o gás natural
reformado como combustível instalado no COPEL, no Paraná, fornecendo eletricidade ao
CPD- LACTEC.
Pesquisas de desenvolvimento de células à combustível estão sendo realizadas em todo o
mundo por empresas de energia, montadoras de automóveis, fabricantes de equipamentos
eletrônicos, universidades e centros de pesquisa especializados em energia alternativa; com o
objetivo de diminuir os custos, as dimensões e aumentar a eficiência dos equipamentos.
No contexto nacional e internacional, verifica-se a adoção de ações visando ampliar o
aproveitamento de energias renováveis, com uma progressiva redução no uso dos
combustíveis fósseis, reestruturando a produção, a distribuição, o uso da energia e
incorporando novas tecnologias. Neste cenário, o papel do hidrogênio e das células à
combustível será fundamental.
.4.1 Funcionamento
A célula à combustível é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre hidrogênio e
oxigênio para gerar energia elétrica, energia térmica e água. Além das várias tecnologias
existentes para combinarmos esses dois elementos, existem várias fontes de hidrogênio a
serem utilizadas, tais como a gasolina, o gás natural, o óleo diesel, o etanol (álcool), o
metanol, o lixo urbano e rural, a água, entre outros, onde se pode extrair e utilizar o
hidrogênio para reagir com o oxigênio do ar.
Segundo Gomes Neto (2007), as diferentes tecnologias de células à combustível têm
basicamente o mesmo princípio de funcionamento, sendo compostas por dois eletrodos
porosos: o ânodo sendo o terminal negativo e o cátodo, o terminal positivo. Cada eletrodo é
revestido num dos lados por uma camada de catalisador de platina ou níquel, e separados por
um eletrólito que é um material impermeável que permite movimento aos prótons (íons
positivos) entre os eletrodos.
O terminal negativo, ânodo, tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a
superfície do catalisador. Uma fina camada de catalisador recobre o eletrólito ou membrana.
O catalisador é um metal, normalmente platina ou níquel, que acelera as reações químicas
entre o oxigênio e o hidrogênio. Algumas células utilizam eletrólitos líquidos e outros sólidos,
como membranas plásticas de troca de prótons para conduzirem cargas positivas, os prótons.
Somente as cargas positivas atravessam o eletrólito, os elétrons não. O terminal positivo,
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cátodo, tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador,
e remove a água produzida durante a reação. (GOMES NETO, 2007)
Dentro da célula à combustível, o gás hidrogênio pressurizado é bombeado para o terminal
negativo, o ânodo. O gás é forçado a atravessar o catalisador.
Quando a molécula de hidrogênio entra em contato com o catalisador, ela se separa em dois
íons de hidrogênio (H+) e dois elétrons (e-). Os elétrons (e-) são conduzidos através do ânodo,
contornando o eletrólito até atingirem o circuito externo, onde acendem uma lâmpada ou
motor elétrico, e retornam para o terminal positivo, o cátodo. Onde o fluxo de elétrons é a
corrente elétrica. (GOMES NETO, 2007)
O oxigênio (O2), retirado do ar, entra na célula à combustíveis pelo terminal positivo, o
cátodo. O gás é forçado a se dispersar no catalisador.
O catalisador separa as moléculas de oxigênio em dois átomos de oxigênio, cada átomo de
oxigênio atrai dois íons H+ através do eletrólito. Estes dois íons H+ combinam com o átomo
de oxigênio e dois elétrons provenientes do circuito externo, para formar a molécula de água
(H2O). Nesta reação certa quantidade de calor é liberada. (GOMES NETO, 2007)
Na maioria das células à combustível, o ânodo é alimentado com hidrogênio combustível,
onde ocorre a ionização deste, por reação catalítica na platina, convertendo o hidrogênio H2
em prótons H+ e elétrons H-. O cátodo é alimentado pelo oxigênio, o oxidante, retirado do ar,
os elétrons circulam, por um circuito externo, gerando uma corrente elétrica no sentido do
cátodo, o terminal positivo, os prótons atravessam o eletrólito, que pode ser líquido ou sólido,
no sentido do cátodo também. No cátodo, o elétron e o próton reagem com o oxigênio,
retirados do ar formando moléculas de água e liberando calor devido à reação exotérmica.
Tem-se então, vapor d’água.
O vapor quente pode ser utilizado para aquecimento, ou ser integrado a uma turbina a vapor
para gerar mais eletricidade. Pode também ser utilizado para gerar hidrogênio novamente
através da eletrólise (quebra da molécula de água em hidrogênio e oxigênio) utilizando um
painel solar, como CaCs regenerativas, por exemplo. (GOMES NETO, 2007)
Muitas vezes o hidrogênio utilizado pela célula à combustível não está na sua forma mais
pura, H2. Ele está misturado a outros elementos, presentes num combustível, tal como o gás
natural, a gasolina e o álcool (etanol), e tem que ser retirado sendo necessária a utilização de
um reformador. Em algumas tecnologias de células à combustível, devido à alta temperatura
de operação, entre 600°C e 1000°C, a reforma do combustível é feita internamente. Já em
outras tecnologias, que atuam em temperaturas mais baixas, é necessário um reformador, o
que implicam em custos adicionais. (GOMES NETO, 2007)
Centrais de produção de energia através de células à combustível podem ser implementadas
junto dos pontos de fornecimento, permitindo a redução dos custos de transporte e de perdas
energéticas nas redes de distribuição; a habilidade para co-gerar calor, ou seja, para além de
produzir eletricidade, produzir igualmente vapor de água quente; devido ao fato de não
possuírem partes móveis, as células à combustíveis apresentam maiores níveis de confiança
comparativamente com os motores de combustão interna e turbinas de combustão pois não
sofrem paradas bruscas devido ao atrito ou falhas das partes móveis durante a operação.
(GOMES NETO, 2007)
No Projeto PD-28, instalado no Hospital das Clínicas da UNICAMP, onde além de ser
utilizada uma célula à combustível também foram utilizados painéis fotovoltaicos e uma
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micro turbina a gás, para o fornecimento de energia elétrica para todo o hospital.
A substituição das centrais termoelétricas convencionais que produzem eletricidade a partir de
combustíveis fósseis por células à combustível melhorará a qualidade do ar e reduzirá o
consumo e a descarga de água residual; as emissões de poluentes de uma central elétrica de
células à combustíveis são dez vezes menores do que as normas ambientais mais exigentes.
Além disso, as células à combustível produzem um nível muito inferior de dióxido de
carbono. A natureza do funcionamento permite a eliminação de muitas fontes de ruídos
associadas aos sistemas convencionais de produção de energia por intermédio do vapor. A
flexibilidade no planejamento, incluindo a modulação, resulta em benefícios financeiros e
estratégicos para as unidades de células à combustível e para os consumidores.
As células à combustível podem ser desenvolvidas para funcionarem a partir de gás natural,
gasolina ou outros combustíveis fáceis de obter e transportar, com baixo custo. Um
reformador químico, que produz hidrogênio enriquecido, possibilita a utilização de vários
combustíveis gasosos ou líquidos, com baixo teor de enxofre. Na qualidade de tecnologia alvo
de interesse recente, as células à combustível apresentam um elevado potencial de
desenvolvimento, em contraste, as tecnologias competidoras destas células, incluindo turbinas
de gás e motores de combustão interna, já atingiram um estado avançado de desenvolvimento.
Os sistemas de células à combustíveis são normalmente comparados aos sistemas de
combustão interna. Estas trabalham com eficiência termodinâmica mais elevada em relação a
máquinas de calor ou turbinas, que possuem combustão interna convertendo a energia
química em calor e usando este calor para realização de trabalho útil.
As células à combustíveis apresentam excelentes características de carga, são dispositivos de
alimentação que reagem quimicamente e imediatamente em situações de mudanças de carga.
Nos sistemas de células à combustíveis estão incluídos dispositivos mecânicos que tem seu
próprio tempo de resposta para mudanças em demanda de carga. Todavia, sistemas de células
à combustíveis que operam em hidrogênio puro tendem a apresentar resposta global
excelente. Assim, em relação à eficiência de funcionamento, as células à combustível são
mais indicadas em aplicações de geração de energia elétrica do que geradores mecânicos.
Os principais desafios ainda a serem vencidos em relação às membranas de troca protônica, se
devem ao processo de fabricação ainda ocorrer manualmente, para o gerenciamento de líquido
+ gás + calor necessita-se de tecnologia específica. A SOFC, células à combustível de óxido
sólidos, ainda possui a dificuldade na utilização de materiais para sua fabricação, nos processo
de ligação de seus interconectores e na possibilidade de vazamentos de hidrogênio. A Infraestrutura de produção e distribuição de hidrogênio encontra-se defasada, sendo necessários
investimentos acentuados e instalação de infra-estrutura nessa área.
A utilização de energias renováveis não pressupõe o abandono imediato dos recursos
tradicionais, mas sua capacidade não deve ser subestimada. A utilização deste tipo de energia,
em substituição aos combustíveis fósseis, é uma direção viável e vantajosa, pois, além de
serem praticamente inesgotáveis, as energias renováveis apresentam impacto ambiental
praticamente nulo.
O desenvolvimento das tecnologias para o aproveitamento da energia de fontes renováveis
vem crescendo com o objetivo de beneficiar toda a sociedade, diminuindo conseqüentemente
a poluição.
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5. Aplicações da energia do hidrogênio no Brasil
No Brasil várias ações governamentais vêm sendo tomadas com o intuito da utilização da
energia do hidrogênio e das células à combustível para a geração de eletricidade, com
incentivos a programas de P&D, financiamentos de bolsas de estudos e outros benefícios para
a consolidação deste tipo de recurso na nossa matriz energética.
5.1 Programa Brasileiro de Células à Combustível e Hidrogênio
O Programa Brasileiro de Hidrogênio e Sistemas Células à Combustível, inicialmente
denominado PROCAC, foi elaborado em 2002 pelo Ministério de Ciência e Tecnologia MCT, com a participação de universidades, centros de pesquisa e empresas brasileiras com o
objetivo de promover ações integradas e cooperadas, que viabilizem o desenvolvimento
nacional da tecnologia de hidrogênio e de sistemas células à combustível, habilitando o país a
se tornar um produtor internacionalmente competitivo nesta área, apoiando o estabelecimento
de indústria nacional para produção e fornecimento de sistemas energéticos com células à
combustível. Entre os vários desafios identificados, além do desenvolvimento da tecnologia
das células, estão a produção, o armazenamento e a distribuição do hidrogênio, a capacitação
de recursos humanos, regulação quanto à segurança e padronização e necessidade de parcerias
entre instituições do governo, setor industrial, setor de serviços, ONGs, etc. Em 2005 o
PROCAC passou a ter nova denominação, passando a se chamar Programa de Ciência,
Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio, com a sigla PROH2.
Associado ao programa de desenvolvimento científico e tecnológico pode-se citar um projeto
de apoio à infra-estrutura de laboratórios dos componentes das redes, gerenciado pelo
Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, LACTEC, já finalizado, e bolsas de
mestrado, doutorado e DTI, gerenciados pelo CNPq, específicas para a formação de recursos
humanos do programa.
Na área de aplicação em eletro tração, um outro projeto que pode ser destacado no país,
embora não pertençam ao programa brasileiro PROH2. O primeiro denomina-se “Estratégia
Ambiental para Energia: Ônibus com Célula à Combustível a Hidrogênio para o Brasil” e
prevê a construção e testes de oito ônibus movidos a células à combustível, tipo PEM, da
empresa Ballard, com hidrogênio produzido por eletrólise. urado por meio da formação de
redes de pesquisa e desenvolvimento abrangendo todo o território nacional. Nesse sentido, o
programa garante o uso mais racional dos recursos investidos e antecipa o alcance dos
objetivos.
O projeto consiste no teste de oito ônibus em quatro anos, onde no primeiro ano, inclui
treinamento, adaptação da garagem, e testes para os primeiros três ônibus, que farão o
corredor Metropolitano 510- Meteus – Jabaquara, com uma extensão aproximada de 32 km
com aproximadamente 240.000 passageiros transportados por dia. O hidrogênio utilizado
pelos veículos será produzido de forma renovável e sem emissões, com eletrólise da água.
6. Considerações finais
A cada ano que passa a demanda por energia no mundo aumenta, o crescimento populacional
requer o aumento da produção, exigindo o aumento da oferta de energia para a indústria e
para a população. A matriz energética brasileira esta solidificada em combustíveis fósseis,
tendo o petróleo e o gás natural à base energética da nossa cadeia produtiva e de transportes.
Um dos caminhos que vem sendo cogitado e que poderá ser adotado, pelo Brasil, para a
solução da falta de energia é a utilização do hidrogênio como vetor energético para a
produção de eletricidade em células à combustível para a indústria, para a população ou para
os meios de transportes.
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A Engenharia de Produção e o Desenvolvimento Sustentável: Integrando Tecnologia e Gestão
Salvador, BA, Brasil, 06 a 09 de outubro de 2009
O hidrogênio vem sendo estudado como forma limpa de produzir eletricidade utilizando
células à combustível mas para que o hidrogênio se torne uma fonte de energia realmente
sustentável, deve-se promover a sua produção a partir de fontes renováveis como a
gaseificação da biomassa ou a eletrólise da água.
O Brasil país que utiliza a energia das hidrelétricas deverá ser grande produtor de hidrogênio a
partir da eletrólise da água, também podendo produzir hidrogênio utilizando o álcool da canade-açúcar, o biodiesel a partir da soja e do girassol, através da gaseificação da biomassa e do
lixo urbano (biogás), especialmente em aterros sanitários e estações de esgoto.
A célula à combustível utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade com alta
eficiência e ausência de emissão de poluentes quando se utiliza o hidrogênio puro, além de ser
muito silenciosa. Acredita-se que será em breve uma solução para a geração de energia no
próprio local de consumo, desde uma indústria, residência, centros comerciais, além de sua
utilização em automóveis, aviões, motos, ônibus e equipamentos portáteis, tal como o telefone
celular e os laptops.
Pesquisas de desenvolvimento de células à combustível estão sendo realizadas em todo o
mundo por empresas de energia, montadoras de automóveis, fabricantes de equipamentos
eletrônicos, universidades, institutos e centros de pesquisa especializados em energia
alternativa, com o objetivo de diminuir os custos, as dimensões e aumentar a eficiência dos
equipamentos.
No Brasil o Programa Brasileiro de Hidrogênio e Sistemas Células à combustível cujo o
objetivo é o de promover ações integradas e cooperadas, que viabilizem o desenvolvimento
nacional da tecnologia de hidrogênio e de sistemas célula à combustível, habilitando o país a
se tornar um produtor internacionalmente competitivo nesta área. Com ele, pretende-se ainda
apoiar o estabelecimento de indústria nacional para produção e fornecimento de sistemas
energéticos com células à combustível.
Entre os vários desafios identificados, além do desenvolvimento da tecnologia das células,
estão a produção, o armazenamento e a distribuição do hidrogênio, a capacitação de recursos
humanos, regulação quanto à segurança e padronização e necessidade de parcerias entre
instituições do governo, setor industrial, setor de serviços, ONGs, etc.
O IPEN, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, seguindo uma tendência mundial,
iniciou uma nova frente de estudos na área de fontes energéticas eficientes e de baixo impacto
ambiental, escolhendo o estudo e desenvolvimento de sistemas associados à tecnologia de
células à combustível, tendo como foco principal a geração distribuída de energia elétrica.
Seguindo o mesmo caminho, a Petrobras também tem investido significativos recursos e
esforços no desenvolvimento das tecnologias ligadas ao hidrogênio energético e às células à
combustível no país, na sua capacitação interna e das instituições parceiras, apostando nas
parcerias com outras instituições como um mecanismo fundamental neste desenvolvimento.
Desta forma concluí-se que no contexto nacional e internacional, verifica-se a adoção de
ações visando ampliar o aproveitamento de energias renováveis o que não pressupõem o
abandono imediato dos recursos tradicionais. A utilização deste tipo de energia, em
substituição aos combustíveis fósseis, é uma direção viável e vantajosa, pois, além de serem
praticamente inesgotáveis, as energias renováveis apresentam impacto ambiental praticamente
nulo. Com uma progressiva redução no uso dos combustíveis fósseis, reestruturando a
produção, a distribuição, o uso da energia e incorporando novas tecnologias, onde o papel do
hidrogênio energético utilizado em células à combustível, será fundamental para
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Salvador, BA, Brasil, 06 a 09 de outubro de 2009
sustentabilidade energética e a redução dos impactos da poluição no meio ambiente.
Referências
HEFNER RA, GHK Company: The Age of energy Gases. 2002.
BAUEN, A. HART, D.; CHASE, A.. Fuel Cells for Distributed Generation in Developing
Countries. An Analysis, International Journal of Hydrogen Energy 28, p. 695-701, 2003.
BARBIR, Frano. PEM. Fuel Cells: Theory and Practice. Elsevier Academic Press Energy
for Tomorrow’s World - Acting Now! World Energy Council, New York, 2005.
CÉLULAS À COMBUSTÍVEL. Energia do Futuro. Homepage disponível em:
<http://planeta.clix.pt/celulasdecombustivel>.Acessoem: Abril 2008.
EUROPEAN COMMISSION. Hydrogen Energy and Fuel Cells: A Vision of Our Future High LeveI Group For Hydrogen And Fuel Cells - - Jun 2003.
GOMES NETO. Emilio Hoffmann. Brasil H2 and Fuel Cell Seminar, Curitiba, 24-26 de
setembro de 2007.
GRUPO ETANOIS. Mobilização Nacional para inserção do Brasil na economia do
hidrogênio. Formado pelo Instituto de Engenharia, 2002.
MME. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional.
Disponível em: <http://www.mme.gov.br> . Acesso em: out. 2008.
PASCHOAL , J. Octávio A. Novas Tecnologias para bioenergia Seminário. IEA-USP,
2007.
PRICE WATERHOUSE COOPERS. Fuel Cells: The Opportunity for Canada. 14th World
Hydrogen Energy Conference, Montreal, Jun/2002.
SERRA, Eduardo T.. Celulas a Combustível Estacionárias para Geração de Energia:
Desafios e Oportunidades. Fornecimento de EE a Residências Isoladas. Brasil H2 and Fuel
Cell Seminar, Curitiba, 24-26 de setembro de 2007.
UNICAMP. Universidade de Campinas. Fórum Permanente de Energia e Ambiente. A
Tecnologia de Células a Combustível e o Hidrogênio, UNICAMP. Campinas – SP, Abril
2004.
WORLD ENERGY COUNCIL. Energy for Tomorrow’s World. Acting Now!, New York,
2000.
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