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Relatório celulas a combustiveis
Tipologia: Provas
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Mossoró 2014
Trabalho referente a disciplina de Fontes Alternativas de Energia, do curso de ciência e tecnologia na Universidade Federal rural do Semiárido.
Profª. Dra. Fabiana Karla de Oliveira Martins Varella
Mossoró 2014
FIGURA 1 - Esquema de Célula à Combustível Hidrogênio/Oxigênio.............................
FIGURA 2 - Pilha de Células à Combustível.....................................................................9.
FIGURA 3 - Investimentos Mundiais Públicos para Economia do Hidrogênio...............
FIGURA 4 - Investimentos Financeiros em hidrogênio e em células a combustível para os países do BRIC.................................................................................................................
TABELA 1 - Tipos de células classificados segundo a temperatura de funcionamento...........................................................................................................................
TABELA 2 - Estágio das Tecnologias de Sistemas a Base de Células a Combustível............
TABELA 3 - Investimentos Mundiais Públicos em P&D para Economia do Hidrogênio................................................................................................................................ TABELA 4 - Investimentos dos Governos Federais para Economia do Hidrogênio do BRIC:Brasil, Rússia, Índia e China.......................................................................................... TABELA 5 - Investimentos dos Governos Federais para Economia do Hidrogênio: BRIC, EUA, Japão e EUA...................................................................................................................
Gerida por interesses econômicos e ambientais, a busca por fontes alternativas de energia tem chamado atenção de grande parte do mundo nos últimos tempos. A ideia de utilizar uma fonte limpa e eficiente para produção de energia é antes de tudo, uma necessidade. As células a combustível vigoram como uma exímia fonte alternativa de energia. À Grosso modo, as células estão relacionadas com eletroquímica e geram eletricidade de maneira limpa e ecológica. Diante de tantos questionamentos sobre tal fonte, o estudo em questão se torna relevante na fomentação de opiniões a respeito das células a combustível, bem como o porquê das células terem se tornado uma fonte alternativa de energia em potencial nos últimos tempos.
2 DEFINIÇÃO E PRINCIPIOS DE FUNCIONAMENTO
2.1 Definição
Podemos definir células à combustível como um dispositivo eletroquímico que transforma energia química em energia elétrica. Para que essa transformação seja feita, é necessário o fornecimento de um combustível e um oxidante. O combustível comumente utilizado é o Hidrogênio ou algum composto que tenha o hidrogênio em sua constituição. O oxigênio também se faz necessário para ser utilizado como oxidante.
2.2 Princípios de Funcionamento
A princípio as células a combustível são baterias de funcionamento contínuo, que produzem a corrente contínua pela combustão eletroquímica do combustível. O Hidrogênio que é utilizado no processo de combustão pode ser obtido de diversas maneiras como: Eletrólise da Água, Propano, Gás Natural, Metanol ou qualquer outro Hidrocarboneto. Assim como o Hidrogênio, o oxigênio a ser utilizado como oxidante, também pode ser obtido através da eletrólise da água, ou ser retirado do ar. A célula é basicamente constituída por dois eletrodos e um eletrólito. Assim como em uma pilha de Daniel, a função do eletrólito entre os dois eletrodos é permitir que os íons fluam de um eletrodo para outro. O componente que se reduz é atribuído o ânodo, logo, o oxidante ficará no cátodo. Existe ainda, uma ligação elétrica entre os dois elétrodos, onde os mesmos são ligados à carga. A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais, ou seja, ocorre oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo,
com o auxílio de catalisadores especialmente desenvolvidos. Tomando o Hidrogênio e Oxigênio como exemplo as reações que ocorrem no processo são:
𝐶á𝑡𝑜𝑑𝑜: 1 ⁄ 𝑂 2 2 + 2𝐻 3 𝑂++ 2𝑒−^ → 3 𝐻 2 O
Assim, além da liberação de elétrons livres, que geram trabalho elétrico, ocorre a formação de subprodutos como a formação de água e a produção de calor. A figura abaixo ilustra o esquema de uma célula a combustível hidrogênio/oxigênio
Figura 1 - Esquema de Célula à Combustível Hidrogênio/Oxigênio.
Uma associação em série de células forma uma pilha de combustível. Cada célula produz, individualmente, a tensão de 0,8 V. A figura a seguir ilustra uma associação de células a combustível:
Tabela 1 – Grupo dos principais tipos de células, classificados segundo a temperatura de funcionamento.
2.3.1 Células Alcalinas
As células alcalinas utilizam o KOH de elevada como eletrólito para altas temperaturas (aproximadamente 250°C) e menos concentrado para temperaturas menores que 120°. Sobre as alcalinas é interessante ressaltar a utilização das mesmas no programa espacial Apollo, da NASA.
2.3.2 Células Ácidas fosfóricas
As células de combustível ácido fosfóricas foram as primeiras a serem produzidas comercialmente. Inúmeras unidades de 200KW produzidas pela International Fuel Cells Corporation estão instaladas na Europa e no EUA. O eletrólito utilizado é o ácido fosfórico com alta concentração que funciona a temperaturas entre 160 e 220°C. Para temperaturas baixas, o ácido fosfórico é um mal condutor.
2.3.3 Célula de Carbonato Fundido
. A célula de combustível de carbonato fundido utiliza como eletrólito uma combinação de carbonatos alcalinos (Na, K, Li). Esse tipo funciona entre 600 e 700°C. A esta temperatura os carbonatos foram um sal altamente condutor de íons.
2.3.4 Células de Óxido Sólido
Nas células a combustível de Óxido Sólido é utilizado como eletrólito um metal óxido, sólido e não poroso, geralmente o 𝑌 2 𝑂 3. As células de combustível de óxido sólido funcionam na gama de temperaturas entre os 600 e os 1000 e geram alta velocidade de reação não precisando de catalizadores.
2.3.5 Células PEMFC
A PEMFC é o tipo de célula a combustível mais comum. A célula de combustível apresenta a vantagem da sua simplicidade de funcionamento. O eletrólito nesta célula de combustível é uma membrana de permuta iónica (ácido sulfónico fluorizado ou outro polímero similar). O combustível geralmente utilizado é o hidrogênio, que deve possuir elevado grau de pureza. Esse tipo de célula funciona em temperaturas inferiores a 100°C. As Velocidades reduzidas são compensadas com uso de catalizadores e a presença da água líquida na célula é de extrema importância porque a membrana de permuta protónica deve ser mantida hidratada durante o funcionamento da célula de combustível
A célula utiliza o metanol como combustível e diferencia das demais que são classificadas de acordo com o eletrólito. Na célula, o metanol é ingerido diretamente no ânodo, sem passar por nenhum outro processo. O funcionamento assemelha-se com a PEMFC, e funciona entre 60 e 120°C.
Inúmeras são as vantagens do uso das células a combustível. Uma das principais está relacionada ao próprio princípio de funcionamento, já que há uma transformação direta da energia química para elétrica. A geração de calor na transformação também pode ser utilizada na produção de vapor, permitindo eficiência no sistema. A geração distribuída (próxima ao consumidor), menor custo por KW instalado e flexibilidade quanto ao combustível utilizado também são grandes vantagens das células a combustível, bem como o baixo custo de manutenção e a facilidade de deslocamento de unicidades modulares de células a combustível. A maioria das desvantagens de tal fonte diz respeito a investimentos na área. Outra questão negativa a ser abordada é que o combustível precisa estar livre de contaminantes que comprometem o funcionamento da célula. A falta de infraestrutura para produção, transporte e armazenamento do hidrogênio também vigoram como um fator negativo, bem como a recorrência de energia a partir de combustíveis fósseis para a produção de Hidrogênio. O Uso do Hidrogênio é chega a ser um pouco polêmico, já que críticos do estágio atual desta tecnologia dizem que a energia necessária para "criar" o combustível em primeiro lugar pode reduzir a eficiência final do sistema ficando pior que o mais eficiente motor de combustão interna a gasolina.
5 IMPACTOS
Os impactos ambientais causados pelas células a combustível são baixos. A sua produção é feita sem vibração, sem ruído, sem combustão, emissão de partículas. Dependendo da tecnologia há ou não emissão de efeito estufa. Por exemplo: o modo como o hidrogênio é produzido utiliza combustíveis fósseis, logo, a uma poluição indireta do ambiente. Porém no atual estágio, a poluição é mínima e a redução do efeito estufa, na chuva ácida e diminuição de problemas na camada de ozônio seriam fatores evidentes no decorrer da efetivação dessa forma de geração de energia.
6 CUSTOS
Os principais custos com relação às células a combustível é com relação à obtenção, transporte e armazenamento do combustível das células, o Hidrogênio. É difícil obter hidrogênio, sua fabricação pode envolver a queima de combustíveis fósseis, tornando-a
poluente. O armazenamento e transporte são perigosos devido ao fato de o hidrogênio ser inflamável. O armazenamento exige grandes sistemas de contenção, muito espaço utilizado. Sendo assim, o rendimento acaba sendo baixo. Quanto à construção das células em si, o custo de uma unidade de geração de células a combustível do tipo PEM para aplicação como backup de energia é de aproximadamente 5 mil euros por kilowatt. No Brasil, devido ao fato de essa tecnologia ainda estar em desenvolvimento e em fase de pesquisa e estudos, é difícil falar de preços de um sistema de geração de energia a partir de CaC. O que se tem são pesquisas com aplicações bastante específicas que ainda não são de ampla utilização. “Apesar dos grandes investimentos em pesquisa e de todo o esforço, principalmente dos países industrializados (como os Estados Unidos), os impasses científicos e tecnológicos ainda não foram superados. Considerando a situação atual de pesquisa existe uma expectativa de que em 50 anos ocorram avanços no sentido de tornar comerciais e disponíveis produtos das tecnologias das células a combustível.” CEMIG 2014
7 TIPOS DE GERAÇÃO
As células a combustível permitem mobilidade. Sendo assim, uma das modalidades de aplicação dessa tecnologia é em sistemas móveis, tais como carros ou aeronaves. Além dos sistemas móveis, têm-se os típicos sistemas centralizados e descentralizados de geração de energia elétrica para consumo residencial ou mesmo de pequenos ou médios empreendimentos. Ainda, há a possibilidade do aproveitamento do calor gerado pela combustão do hidrogênio para fins de aquecimento residencial.
7.1 Sistemas Móveis
Caracterizam-se por serem compactos, tendo células submetidas à alta densidade de corrente. São comumente utilizadas células do tipo ácido fosfórico. A principal forma de utilização dos sistemas móveis é em substituição aos tradicionais motores de combustão interna de automóveis, com inúmeras vantagens sobre estes, tais como a elevada eficiência e a ausência da emissão de gases de efeito estufa.
7.2 Sistemas Estacionários Descentralizados
O investimento no Brasil é considerado moderado frente a outros países, ao longo do tempo, dois programas foram criados na tentativa de incentivar a pesquisa e o uso do Hidrogênio como combustível, tais programas foram: o Programa de Ciência, Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio (Pro𝐻 2 ), que anteriormente era chamado de Programa Brasileiro de Sistemas Célula a Combustível (PROCaC), sendo criado em 2002 pelo Ministério de Ciência de Tecnologia (MCT) e o Roteiro para a Estruturação da Economia do Hidrogênio no Brasil, que foi criado em 2004 pelo Ministério de Minas e Energia (MME).
8.1 Células a Combustível no cenário internacional.
Estima-se que são gastos cerca de 1 bilhão de dólares com tecnologias relacionadas com hidrogênio em investimentos públicos, dados da International Energy Agency, esses dados parecem impressionar, mas não são nada comparadas com os gastos em outras fontes de energia. Foi estimado que 15% do total dos orçamentos em P&D é direcionado à investimentos em hidrogênio de acordo com a International Energy Agency. Os Estados Unidos, Japão e União Européia, são responsáveis pela maior parcela de programas em hidrogênio no mundo, esses países comandam mais de dois terços dos investimentos públicos em Pesquisa & Desenvolvimento de tecnologias na área de pesquisas em hidrogênio(UNEP, 2006). Pode-se ver claramente pela tabela 3 que esses países se destacam quando o foco é hidrogênio. ]
Tabela 3: Investimentos Mundiais Públicos em P&D para Economia do Hidrogênio, 2003(valores em milhões de dólares).
*Ano base 2002 **Ano base de 2004 ***Ano base 2005 Fonte: Adaptada de IEA, 2004b.
O gráfico em pizza, também ilustra a situação dos investimentos mundiais em Hidrogênio, como podemos ver abaixo:
Fonte: Brito, 2009.
Figura 3: Investimentos Mundiais Públicos para Economia do Hidrogênio, 2003.
Tabela 5: Investimentos dos Governos Federais para Economia do Hidrogênio: BRIC, EUA, Japão e EU (valores em milhões de dólares americano)
Fonte: Brito, 2009.
8.3 Situação nacional Como visto no tópico anterior, existem muitas iniciativas em Pesquisa e Desenvolvimento em Células a Combustíveis como hidrogênio de fonte energética. O Brasil criou várias iniciativas nesse assunto, destacando-se as seguintes: Ações das agências financiadoras – MCT/FINEP, CNPq, FAPESP e outras – respondendo ao interesse dos pesquisadores e dos dirigentes destas organizações; Interesse das companhias de energia, instituições associadas e da ANEEL em avaliar o papel do hidrogênio ou outros combustíveis na matriz energética do país; Interesse da Petrobrás e ANP em aumentar o uso de gás natural (GN); Projetos financiados pelos fundos setoriais CT-PETRO e CT-ENERG; Financiamento de pequenas empresas pelo programa PIPE da FAPESP; Investimento da FAPESP em eletroquímica e célula a combustível, no estado de São Paulo, e de organizações similares, em outros estados, em catálise; Companhias incubadas por universidades;
Investimentos prévios em centros de excelência em catálise heterogênea, petróleo e gás natural, criados pela Petrobrás via CENPES; Investimentos prévios em centros de análise de materiais. Investimentos em projetos de demonstração com recursos próprios (COPEL, PETROBRAS, CEMIG, AES do Brasil).
O Centro de Gestão e Estudos Estratégicos – CGEE criou em 2002 uma Proposta para o Programa Brasileiro de Células a Combustível. Esse programa veio com o objetivo de aumentar os investimentos em células a combustível, onde o Brasil não tem um agente capaz de compreender e desenvolver projetos em P&D no ramo de células a combustível. Por o Brasil não ter um grande investimento nas células a combustível, esse tipo de fonte de energia não se destaca tanto no cenário nacional, acarretando num ofuscamento ainda maior no cenário internacional.
“Visando uma melhor organização dos esforços de P&D em célula a combustível no país, por iniciativa do MCT/CGEE, foi realizado um levantamento preliminar para identificar entidades atuando em temas relacionados ao assunto. Posteriormente, foram realizadas visitas prospectivas a diversas instituições dos estados de São Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais e Paraná. Para realizar esse levantamento a Secretaria Técnica do CT-ENERG convidou a Dra. Helena Li Chum, atualmente trabalhando no NREL – National Renewable Energy Laboratory
