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O hidrogênio como opção energética
Autor: por Gerhardt Ett


Por se tratar de um recurso não renovável, seu alto valor de mercado e a diminuição das reservas mundiais, o petróleo tende a perder importância como fonte geradora de energia. Esses fatores são mais que suficientes para justificar investimentos em pesquisas que possam indicar fontes substitutas e que gerem um impacto ambiental menos ruidoso, pois, como se sabe, os gases resultantes da queima de petróleo são altamente poluentes. A utilização do hidrogênio vem sendo apontada por pesquisadores do mundo inteiro como uma das alternativas mais viáveis.
 
Ao ser usado como fonte de energia numa Célula a Combustível (CC), o hidrogênio libera energia e não produz poluentes. A reação química resultante da operação gera, além de maior quantidade de energia (em comparação com o petróleo), calor e vapor de água pura. Outra vantagem é que o hidrogênio pode ser obtido a partir da eletrólise da água, da reforma-vapor de hidrocarbonetos leves (cadeias carbônicas situadas entre o metano e a nafta), gaseificação de resíduos agrícolas, dissociação do metanol, etanol e do gás natural.
 
Em regiões onde não existe rede elétrica, é possível produzir energia através de células fotovoltáicas, energia eólica, pequenas centrais elétricas (PCH's), ondas do mar e uma infinidade de outras fontes não constantes. A energia obtida por esses meios e aplicada em eletrolizadores produziria hidrogênio de alta pureza que, uma vez armazenado, poderia ser convertido em energia elétrica através das CCs de forma constante.
 
O início das pesquisas de Células a Combustível teve início com Sir William Grovem, há mais de um século. Com o grande desenvolvimento na área de materiais nos últimos 15 anos, essa tecnologia, associada à crescente exigência de baixo impacto ambiental, tornou-se muito promissora. Em médio prazo, ela representa uma alternativa tanto para motores a combustão (unidades móveis), como para geradores de energia de médio porte (100kW) e até em plantas de alguns MW de potência (unidades estacionárias).

O que são Células a Combustível?
 
As CCs são baterias (pilhas) que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica. Elas possuem uma operação contínua graças à alimentação constante de um combustível. A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado: a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo, indicadas nas reações (1), (2) e (3):
 
ânodo: H2 ® 2H+ + 2e (1)
Cátodo: ½ O
2 + 2H+ + 2e- ® 2H2O (2)
Total: H
2 + ½ O2 ® H2O (3)
Total: H2 + ½ O2 ® H2O (3)
 
Escolhendo-se, por exemplo, o hidrogênio como combustível e o oxigênio como oxidante, tem-se na denominada célula ácida a formação de água e a produção de calor, além da liberação de elétrons livres, que podem gerar trabalho elétrico. Um esquema simplificado de uma CC ácida é apresentado no final desta página, na figura (1)
 
Os prótons produzidos na reação anódica são conduzidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se ligam aos ânions O2-, formando água. Diferentemente dos motores a combustão, que têm sua eficiência teórica (máxima) determinada pelo ciclo de Carnot, a eficiência teórica das CCs é dada pelo quociente entre a energia livre de reação D Gr e a entalpia da reação D Hr segundo a equação (4).
 
h eletroquímico = D Gr/D Hr (4)
 
A eficiência dada pela equação (4) tem uma fraca dependência da temperatura quando comparada à dada pelo ciclo de Carnot. Assim, as CCs possibilitam a obtenção de altas eficiências, ou seja, um melhor aproveitamento do combustível, mesmo e especialmente em baixas temperaturas. Na prática, obtêm-se eficiências de 55% a 60% para o sistema de CC global. Deve-se, porém, salientar que instalações convencionais modernas, com turbinas a gás otimizadas, também já atingem valores de eficiência de 53 %. Por isso, tem-se que esse indicador, isoladamente, não é a principal vantagem de sistemas de geração de energia com CC, mas sim o seu inerente fator ecológico, além de serem silenciosos, compactos e de fácil manutenção. Por estas razões, vislumbra-se um mercado para sistemas de CC para geração de energia com aplicações localizadas de até alguns MW de potência, como, por exemplo, em hospitais, condomínios residenciais, repartições públicas, etc.
 
Tipos de Células a Combustível
 
Existem vários tipos de CCs, classificadas segundo o tipo de eletrólito que utilizam e, conseqüentemente, a sua temperatura de operação. A tabela (1) relaciona os tipos desenvolvidos até o presente e suas características principais, vantagens, desvantagens e aplicações mais relevantes. Os modelos de células, classificados segundo a sua temperatura de operação, envolvem materiais constituintes distintos e técnicas de construção diversas.
 
Tabela 1 – Tipos, características e aplicações das CCs 
 
Tipo (*)
Eletrólito
Faixa de temp. ° C
Vantagens
Desvantagens
Aplicações
PEMFC
Polímero
(H3O+)
20-120
Alta densidade de potência Operação flexível Mobilidade Custo da membrana e catalisador Contaminação do catalisador com CO Veículos automotores Espaçonave Unidades estacionárias
PAFC
H3PO3

 
(H3O+)
160-220
Maior desenvolvimento tecnológico Tolerância a CO Controle da porosidade do eletrodo Eficiência limitada pela corrosão Unidades estacionárias Geração de calor  
MCFC
Carbonatos fundidos

(CO32-)
550-660
Tolerância a CO/CO2 Eletrodos à base de Ni Corrosão do cátodo Interface trifásica de difícil controle Unidades estacionárias Cogeração de eletricidade / calor
SOFC
ZrO2 (zircônia)

(O2-)
850-1000
Alta eficiência (cinética favorável) A reforma do combustível pode ser feita na célula Problemas de materiais Expansão térmica  Unidades estacionárias Cogeração de eletricidade / calor

(*) PEMFC (Proton Exchange Membran Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) e SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)

As vantagens das CCs aumentam quando se tem por finalidade a geração de energia móvel, caso das células de baixa temperatura, onde a sua eficiência fica bem acima da dos motores convencionais. A aplicação deste tipo de CC é, então, a tração automotiva. Todas as montadoras de veículos estão desenvolvendo projetos nessa área e as que mais têm se destacado são: Ford, DaimlerChrysler, GM, BMW, Honda, Daihatsu, Nissan e Toyota.

A tração elétrica por esse meio, contudo, necessita alcançar os seguintes objetivos de desenvolvimento para tornar economicamente viável sua aplicação em veículos de passeio, utilitários e ônibus:

a) atividade catalítica suficientemente alta dos eletrocatalisadores anódicos para que se obtenham densidades de potência em torno de 300 mW/cm2;

b) grau de eficiência energética em torno de 60%. (motor diesel: 30%, Ciclo Otto 20%);

c) temperatura de trabalho suficientemente alta (pelo menos 130ºC ) como pré-requisito de um sistema de refrigeração aceitável do ponto de vista de custo inicial e,

d) construção e custo operacional baixo, em torno de 200US$/kW para a célula e equipamento periféricos.
 

Engenheiro Químico, o autor é um dos sócios da Electrocell (www.electrocell.com.br), empresa sediada no Centro Incubador de Empresas tecnológicas da USP (CIETEC) que, juntamente com alguns pesquisadores, atua no desenvolvimento de sistemas associados à tecnologia de Células a Combustível e baterias especiais. Contatos podem ser feitos pelo telefone (0xx11) 3812-8466 ou pelo e-mail electrocell@electrocell.com.br




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