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Célula Combustível
Célula a combustível (Fuel Cells) é uma tecnologia que utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade com alta eficiência, e também vapor d’água quente resultante do processo químico na célula a 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 silenciosa. O seu principal combustível, o hidrogênio, pode ser obtido a partir de diversas fontes renováveis e também a partir de recursos fósseis, mas com muito menor impacto ambiental. 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 CaCs 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, aumentar a eficiência dos equipamentos e, para muitos países, diminuir a dependência de combustíveis fósseis, como o petróleo, assim como a dependência dos países do Oriente Médio, região com grande concentração e produção de petróleo e de instabilidades políticas, religiosas, econômicas e sociais. No contexto 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 será fundamental. Célula a Combustível de Óxido Sólido da GlobalThermoelectric. Já foram investidos mais de dois bilhões de dólares pelas grandes indústrias automobilísticas no desenvolvimento de automóveis - carros, caminhões e ônibus - movidos por CaCs, prevendo-se a produção em massa para a nova geração de veículos movida a hidrogênio ainda no final desta década. A General Motors espera produzir até o ano de 2020, um milhão de automóveis a célula a combustível. Dentro de sete anos, será um mercado de 10 bilhões de dólares anuais. Segundo o departamento de energia dos EUA, se o país utilizasse, em 10% da sua frota, veículos movidos por células a combustível, a economia em petróleo seria de 800.000 barris por dia. Esta quantia equivale a 13% das importações de petróleo deste país em 2003.
Há, portanto, um movimento em favor de uma economia baseada no hidrogênio, e não mais no petróleo. Uma nova infra-estrutura de armazenamento, distribuição e uso da energia deverá surgir como forma de distanciar o mundo de um regime energético baseado em combustíveis fósseis, limitando as emissões de CO2 a apenas duas vezes o nível pré-industrial, minimizando os efeitos do aquecimento global na biosfera do Planeta. História Apesar da alta tecnologia empregada para o seu funcionamento, as células a combustível são conhecidas pela ciência há mais de 150 anos. Embora tenham sido consideradas uma grande curiosidade do século XIX, elas foram alvos de intensas pesquisas principalmente durante a Segunda Guerra Mundial. A primeira CaC foi construída em 1801 por Humphrey Davy, que realizou estudos em eletroquímica usando carbono e ácido nítrico. Mas o advogado e cientista inglês, William Grove (1811–1896), que foi considerado o precursor das células a combustível. A “Célula de Grove”, como era chamada, usava um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico e um eletrodo de zinco imerso em sulfato de zinco para gerar uma corrente de 12 amperes e uma tensão de 1.8 volts. Grove descobriu que colocando dois eletrodos de platina com cada lado de cada eletrodo imerso num tubo contendo ácido sulfúrico diluído, e os outros dois lados separadamente conectados em tubos fechados com oxigênio e hidrogênio, uma corrente contínua circularia entre os eletrodos. Os tubos isolados e fechados produziam água e também gases, e ele notou que o nível de água aumentou em ambos os tubos onde a corrente elétrica passou. Em seguida, Grove construiu uma fonte de energia usando vinte e seis células em série e foi o primeiro a notar e explicitar a dificuldade de produzir altas densidades de corrente elétrica em uma pilha a combustível (várias células a combustível conectadas em série), que utiliza gases como reagentes. O problema que enfrentou na época ainda está sendo estudado atualmente por pesquisadores da área. O seu empenho neste problema é demonstrado pela seguinte citação: “Como a ação química ou catalítica só poderia acontecer com uma placa de platina comum na linha ou marca de água onde o líquido, o gás e a platina se encontram, há dificuldade em obter um dispositivo capaz de oferecer uma superfície notável de ação”. Em 1800, os cientistas britânicos William Nicholson e Anthony Carlisle descreveram o processo de usar eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio. Mas combinar os gases para produzir eletricidade e água foi a grande descoberta de William Grove. Logo depois ele chamou o dispositivo desta experiência como a “bateria a gás” – a primeira célula a combustível.
tensão desenvolvida variava entre 27 e 31 volts, com uma vida útil limitada em 400 horas de operação, devido principalmente à corrosão do cátodo (eletrodo). Após as missões Apollo, a construção de novas células a combustível alcalinas operando com altas pressões, foi paralisada e tornou claro, levando em conta esse tipo de células, que sua comercialização tinha como principais obstáculos o alto custo e a pequena vida útil. Mas atualmente, as CaCs apresentam uma evolução em durabilidade, diminuição dos custos e são uma das principais soluções energéticas ambientalmente amigáveis. É só uma questão de tempo para que as células a combustível estejam fazendo parte da vida das pessoas como ocorreu com os computadores pessoais. Obs: Quando mencionamos a palavra “célula a combustível”, queremos generalizar o conceito desde uma célula apenas até várias unidades de células conectadas, formando o que alguns pesquisadores e autores chamam de pilhas a combustível. Mas o nome mais usual e preferido é “células a combustível” para ambos os sentidos (desde uma unidade até várias conectadas). Funcionamento Célula a Combustível (Fuel Cell) é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre oxigênio e hidrogênio para gerar energia elétrica, energia térmica (calor) - e água. Além das várias tecnologias existentes para combinar esses dois elementos, existem várias fontes de hidrogênio a serem utilizadas pelas CaCs, 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. As diferentes tecnologias de célula a combustível têm basicamente o mesmo princípio. São compostas por dois eletrodos porosos: o ânodo (terminal negativo) e o cátodo (terminal positivo), cada um revestido num dos lados por uma camada de catalisador de platina ou níquel, e separados por um eletrólito (material impermeável que permite movimento aos íons positivos – prótons - entre os eletrodos). Dentro da Célula a Combustível Ânodo O terminal negativo - ânodo - tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador. 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.
Membrana ou Eletrólito Algumas células utilizam eletrólitos líquidos e outras sólidas, como as membranas plásticas de troca de prótons para conduzirem cargas positivas, os prótons. Somente as cargas positivas atravessam o eletrólito, os elétrons não. Cátodo O terminal negativo - ânodo - tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador, e remove a água produzida durante a reação. Dentro da célula a combustível, o gás hidrogênio pressurizado é bombeado para o terminal negativo, o ânodo. O gás é forçado a atravessar o catalisador.
O catalisador separa a molécula 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, uma certa quantidade de calor é liberada. Reação Química: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O Explicação mais detalhada Na maioria das células a 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, retirado 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 à 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, por exemplo (CaCs Regenerativas). Muitas vezes o hidrogênio utilizado pela célula a 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. Para extrair o hidrogênio é utilizado um reformador. Em algumas tecnologias de células a 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 implica em custos adicionais. Benefícios Ambientais A tecnologia célula a combustível têm sido reconhecida como uma forma limpa de produzir eletricidade com alta eficiência energética em diversas aplicações, desde a portátil até em geração distribuída. Não importando a sua aplicação, elas oferecem um número importante de benefícios para usuários individuais, companhias de energia e a sociedade em geral. Enquanto os benefícios da geração distribuída ainda são discutidos, os benefícios ambientais das CaCs têm estimulado o seu uso em locais com alta concentração de poluentes e, assim, ajudar a minimizar os problemas ambientais e melhorar as condições sociais. Pelo fato de produzirem energia sem combustão e sem partes móveis, as CaCs são, em média, até 25% maiseficientes que os motores a combustão interna, reduzindo a emissão de poluentes e também de dióxido de carbono na atmosfera. Mesmo quando o hidrogênio é obtido a partir de fontes fósseis como o petróleo e o gás natural, a emissão de dióxido de carbono (CO2) cai de 25 a 50%, e a fumaça produzida quando comparada com
Minimiza nossa dependência em produtos do petróleo para produzir energia: Petróleo, gás natural e carvão são um dos tipos de combustíveis fósseis que têm certas desvantagens. O petróleo é uma fonte limitada, o gás natural é difícil de transportar, e o carvão é extremamente agressivo ao meio ambiente. As células a combustível poderão satisfazer nossa demanda por energia ao mesmo tempo em que as reservas de combustíveis fósseis diminuam. Para isso, deve-se utilizar fontes renováveis de energia, como a cana-de-açúcar e outras fontes de biomassa, pois durante o seu crescimento, ocorre o seqüestro de carbono da atmosfera. Emite menos gases causadores do efeito estufa: A maior parte das CaCs emitem oxigênio e água como seus subprodutos. Imaginem dentro de alguns anos que a maior parte da frota de automóveis emita somente estes componentes ao invés de monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros gases nocivos, além da fumaça. Embora algumas CaCs emitam dióxido de carbono, a emissão é em pequenas quantidades. Mais eficiência na geração da energia e no consumo da fonte de energia: Atualmente, os motores a combustão interna mais eficientes atingem eficiência de 25 a 30%. Em média, varia de 13 a 20%. As plantas mais eficientes de geração de energia têm eficiência de 33 a 35%. As células a combustível mais usuais e maduras no momento, as de ácido fosfórico (PAFC) e as que utilizam metanol (DMFC), têm eficiência de 40%. Entretanto, quando é utilizado num sistema de cogeração (onde aproveita-se o calor rejeitado para gerar mais energia), as células de ácido fosfórico podem obter eficiência de 85%. Outras tecnologias de CaCs têm suas eficiências variando desde 40% até 85%. De um modo geral, todas as células a combustível têm eficiência maior que os motores a combustão e plantas de geração. Redução de Baterias nos Aterros Sanitários As micro células a combustível são potenciais substitutos da maioria das baterias recarregáveis usadas hoje em dia em muitos tipos de equipamentos eletrônicos. Além dos benefícios em performance que as células já oferecem, embora em protótipos pouco práticos, elas também podem reduzir potencialmente uma vasta quantidade de baterias jogadas nos lixos e que vão parar nos grandes lixões das cidades, os aterros sanitários. A contaminação por parte das baterias pode prejudicar os lençóis freáticos, fonte de água potável, algo muito raro nos dias de hoje. A cada ano, bilhões de baterias são compradas, usadas, e jogadas fora no Brasil e em todo o mundo, principalmente nos EUA. Somente em 1998, mais de 3 bilhões de baterias industriais e de uso doméstico
foram vendidas. A cada ano, a demanda por baterias cresce de 5 a 6%, devido ao crescimento na venda de telefones celulares, câmeras de vídeo, computadores portáteis, ferramentas que utilizam baterias e brinquedos. As baterias são uma fonte potencial de lixo contaminante, sendo responsável por 20% do lixo tóxico gerado nos EUA por residências e empresas. Praticamente todas as baterias recarregáveis usadas em laptops e outros equipamentos portáteis são de níquel-cádmio. O vazamento de metais pesados no solo como o cádmio e o níquel, e na água de rios é um problema de grande preocupação. As células a combustível têm uma expectativa de vida muito superior quando comparadas com as baterias recarregáveis w são construídas com materiais menos nocivos. Desta forma, com o aumento do uso de células a combustível em micro-aplicações, espera-se que diminua a contaminação de metais pesados nos aterros sanitários.
