Weverson dos Santos Cirino. Ubiratan Holanda Bezerra

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1 Geração de Energia Elétrica através de Células a Combustível: um breve estudo e levantamento inicial dos impactos da interligação ao Sistema Elétrico Isolado Weverson dos Santos Cirino Aluno do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará UFPA Pesquisador do Instituto de Tecnologia e Educação do AmazonIa - ITEGAM weverson.cirino@gmail.com Ubiratan Holanda Bezerra Professor, Doutor do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará - UFPA bira@ufpa.br Resumo - Este artigo tem como objetivo mostrar os resultados já obtidos do estudo que está sendo efetuado sobre a geração de energia elétrica através da tecnologia de células á combustível movida a hidrogênio, bem como, os primeiros resultados do levantamento inicial dos impactos desta tecnologia interligada ao sistema elétrico, ainda isolado, na cidade de Manaus. Os resultados preliminares indicam grandes vantagens na implantação dessa tecnologia na região amazônica, como também, os estudos apontam para o favorecimento da interligação, pois a mesma trará maior estabilidade para o sistema elétrico. Palavras chave Célula a Combustível, Estudo de Impacto, Geração de Energia Elétrica. I. INTRODUÇÃO No campo da pesquisa científica e tecnológica, na grande área de conhecimento voltada a Engenharia Elétrica, uma das principais forças motivadoras é a procura incessante de soluções para os problemas que afetam a sociedade, como, por exemplo, a geração de energia. Durante toda a história da sociedade, a energia elétrica sempre foi um elemento de base para a sua constituição. O homem sempre busca melhor qualidade de vida e parte desta busca consiste na criação e desenvolvimento de recursos materiais para facilitar a execução de tarefas e ampliar seu conforto. Para isto é necessária maior capacidade de beneficiamento das matérias-primas. Antes, a energia utilizada para este fim, provinha do esforço físico com o dispêndio de sua própria energia. Hoje, este cenário foi alterado, sendo necessário o uso de outras fontes de energia. Se avaliarmos ao longo da história do homem e da sociedade é fácil observarmos que foram desenvolvidas diversas tecnologias objetivando o atendimento a grandes necessidades, tais como: locomoção, alimentação e produção de bens. Estas tecnologias utilizam energia para sua operação, sendo esta, em grande parte, a Energia Elétrica. Em outras palavras, podemos afirmar que o desenvolvimento econômico e os padrões de vida que buscamos são processos que dependem da disponibilidade de um abastecimento adequado e confiável de energia. Sendo assim, a produção de energia elétrica vem se tornando um dos aspectos mais cruciais de nossa sociedade moderna. Outro fator importante é que quando se fala em energia elétrica, costuma-se pensar nas grandes hidrelétricas, que produzem milhares de megawatts, e nas grandes redes de distribuição de energia. Entretanto, mas igualmente importante é a energia elétrica produzida por outras tecnologias, como por exemplo, a energia eólica, fotovoltaica e a química, produzidas em uma escala reduzida, comparadas a uma produção de larga escala em hidroelétricas e termoelétricas. Vislumbramos em nosso mundo o crescimento considerável da produção de energia elétrica auxiliando grandemente no progresso de nossa sociedade e do país, entretanto por outro lado, tem criado uma séria preocupação no âmbito do Meio Ambiente. Nos próximos anos, uma nova tecnologia de geração limpa de energia elétrica deve ganhar espaço para uso em veículos e estações geradoras de energia, em hospitais e pequenas indústrias. É a tecnologia das Células a Combustível (CaCs), dispositivos silenciosos que transformam energia química em energia elétrica sem causar danos ao ambiente. Atualmente se fala muito no planejamento estratégico

2 energético devido ao crescimento econômico e industrial, bem como pelo aumento do crescimento da população. Dessa forma, ao longo do tempo, o consumo de energia elétrica cresce. Caso não haja um planejamento adequado esta demanda pode se igualar ou até mesmo passar dos números de geração. As demandas energéticas em algumas regiões veem se tornando um grande desafio a ser vencido. Cada localidade possui a sua realidade. Cada região também possui as suas potencialidades, quer sejam elas naturais ou tecnológicas. A atual malha de geração energética baseia-se na utilização de combustíveis fósseis, que são finitos e vem sendo consumidos de forma acelerada. Além disso, sua utilização em larga escala vem causando graves problemas ambientais, pois o produto de sua combustão gera gases que causam o efeito estufa e metais pesados. Neste cenário, a busca por tecnologias e fontes de energia renováveis e não poluentes se torna cada vez mais importante e vem crescendo rapidamente. Em julho do ano de 01, o governo do Estado do Amazonas divulgou nos meios de comunicação o projeto da criação da Cidade Universitária. Sua construção foi dividida em etapas. Situada dentro da Floresta Amazônia na região do município de Iranduba, esta cidade irá necessitar de uma grande demanda de energia elétrica para os seus enormes prédios, laboratórios e outros ambientes. O estudo realizado traz como proposta a implantação de um equipamento gerador de energia elétrica baseado na tecnologia de Células a Combustível a hidrogênio, pois além de suprir parte da demanda da cidade universitária, a mesma, não iria poluir o meio ambiente. Outro ponto importante levantado pelo estudo é o levantamento inicial dos impactos que este equipamento trará ao sistema elétrico isolado em Manaus, uma vez ele interconectado. Estudos e simulações foram feitas e aqui serão apresentados. sistemas são concebidos para converter com grande eficiência a energia química de determinados combustíveis em energia elétrica, visando a menor emissão de poluentes possível entre os sistemas energéticos atuais. Entre os combustíveis mais utilizados, o hidrogênio tem sido o preferido, uma vez que pode ser produzido a partir de diversas fontes, tais como: biomassa, eólica, fotovoltáica, hidráulica, geotérmica; além de recursos fósseis, tais como: carvão, petróleo, e gás natural; e, também, alternativas energéticas, tais como: nuclear e a eletrólise da água. A obtenção do hidrogênio como combustível principal da célula pode ser produzido a partir da reforma de outros combustíveis (fósseis, de biomassa etc.) e por eletrólise da água, incluindo-se aí o etanol, estratégico para o Brasil. As células a combustível são, em princípio, baterias (pilhas) químicas, ou seja, dispositivos que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica, possuindo, entretanto, uma operação contínua graças à alimentação constante de um combustível []. Esta conversão ocorre por meio de duas reações eletroquímicas parciais de transferência de carga em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado, ou seja, a oxidação de um combustível no anodo e a redução de um oxidante no catodo. Escolhendo-se, por exemplo, hidrogênio como combustível e oxigênio (do ar ambiente) como oxidante, tem-se na denominada célula ácida, a formação de água e produção de calor, além da liberação de elétrons para um circuito externo, que podem gerar trabalho elétrico. II. CÉLULAS A COMBUSTÍVEL O início das pesquisas de células a combustível (CaCs) ocorreu há mais de 150 anos, por Sir William Grove. Com o grande desenvolvimento na área de materiais nos últimos 15 anos, a tecnologia em células a combustível, associada à crescente exigência de baixo impacto ambiental, tornou-se bastante promissora no cenário mundial de energia com participação crescente no mercado de geração distribuída (GD), de 0,11 GW em 005 e projetado 80 GW em 00 [1]. Estas representam, já em médio prazo, uma alternativa tanto para motores a combustão (unidades móveis), como para geradores de energia de médio porte (100kW), com suas vantagens e desvantagens e até para plantas de alguns MW de potência (unidades estacionárias). Dentre as diferentes rotas tecnológicas para geração de energia elétrica, destaca-se a de sistemas célula a combustível (CaCs), também denominada pilha a combustível. Estes Fig. 1. Representação de uma Célula a Combustível. A reação global de uma célula de combustível é a formação de água a partir do hidrogênio e do oxigênio. Assim, por exemplo, numa célula do tipo alcalina, a reação global: O H O (1) H é o resultado da combinação da meia-reação de oxidação que ocorre no anodo:

3 OH 4H O e H 4 4 () com a meia-reação de redução que ocorre no catodo: H O 4e OH O 4 (3) Ao ser utilizado como fonte de energia numa célula a combustível, o hidrogênio libera energia e não gera poluente. A reação química resultante da operação gera, além de energia, calor e vapor de água pura. O núcleo de uma célula a combustível constitui-se do empilhamento (stack) de células unitárias que representam 7% do custo total, sendo um dos maiores insumos, e placas separadoras bipolares [3]. Cada célula unitária é formada pelo conjunto eletrodo (ânodo), membrana e eletrodo (cátodo), conhecido como MEA (Membrane Eletrode Assembly), anteriormente citado, que representa o componente mais oneroso do stack. O tempo de operação limite para uma determinada queda na performance de uma célula combustível, define a vida útil do stack da mesma, que varia dramaticamente nas diferentes aplicações, e assim, a vida expectada é relacionada às condições de operação e ao grau permitido de decréscimo de performance. A figura seguinte mostra que, adicionalmente ao tempo de vida máximo projetado, o tempo de vida máximo comprovado, a vida média e a média projetada têm crescido [4]. As células a combustível são nomeadas de acordo com o eletrólito utilizado. Na tabela 1 a seguir, estão descritos os cinco principais tipos de células a combustível, sendo que cada classe está dividida em três colunas, designando os tipos de eletrólito, nome da célula e sigla de identificação de cada célula. TABELA I TIPOS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL. Tipo de Eletrólito Nome Identificação Alcalino Alkaline Fuel Cell AFC Ácido Fosfórico Phosforic Acid Fuel Cell PAFC Polímero Sólido Solid Polymer Fuel Cell SPFC / PEMFC Carbonato Fundido Molten Carbonate Fuel Cell MCFC Óxido Sólido Solid Oxide Fuel Cell SOFC A. PEMFC Membrana de troca de prótons É também conhecida como célula a combustível de eletrólito polimérico (PEFC) ou como Célula a Combustível de Polímero Sólido (SPFC). Sua membrana possui excelente condutividade de prótons. Seu eletrólito é um polímero sólido e, por ser hidratado com água, seus problemas de corrosão são mínimos. É necessário controle da umidificação e temperatura de operação. São sensíveis à presença de monóxido de carbono (CO) nos gases de alimentação [5] [6]. As células PEMFC têm a vantagem de serem robustas e de fácil acionamento e desligamento; possuem alta densidade de potência; alta eficiência e baixa emissão de poluentes ou nenhuma emissão de poluentes quando alimentada com hidrogênio e oxigênio puros. É também importante salientar que, durante seu funcionamento, não existe emissão de altos níveis de ruídos (ao contrário dos geradores a diesel, por exemplo) [5] [6]. B. PAFC Célula a Combustível de Ácido Fosfórico Este tipo de célula foi a primeira a ser comercializada [5]. Seu eletrólito é composto por ácido fosfórico concentrado ( H PO 3 4 ) em concentrações que variam de 95 a 97%. Sua eficiência energética é de 60% e opera em baixa temperatura (160 a 0ºC). Ligas de platina são utilizadas como catalisador em ambos os eletrodos [5] [7]. C. SOFC Célula a Combustível de Óxido Sólido Este tipo de célula a combustível opera em alta temperatura (600 a 1000 C). Possui um eletrólito solido cujo material é um óxido metálico, onde ocorre a condução de íons de oxigênio [5] [6]. O princípio de operação da SOFC difere um pouco das demais citadas até então, pelo fato de o íon que transita pelo eletrólito ser o oxigênio, ao invés do hidrogênio. O oxigênio é fornecido no lado do cátodo, e quando este encontra a interface cátodo/eletrólito, é reduzido pelos elétrons do circuito externo. No ânodo, o hidrogênio é oxidado reagindo com os íons de oxigênio provenientes do eletrólito, onde são liberados elétrons, que seguem pelo circuito externo gerando corrente elétrica. Os íons oxigênio seguem então permeando o eletrólito, para alcançar o anodo e completarem a reação [5] [8]. D. MCFC Célula a Combustível de Carbono Fundido A MCFC possui alta temperatura de operação (entre 600 a 650 C) e seu eletrólito é, em geral, uma combinação de carbonatos alcalinos, os quais ficam retidos numa matriz cerâmica. Tem a desvantagem de sua membrana de carbonato fundido, ser sensível à corrosão [6] [7]. E. AFC Célula a Combustível Alcalina As células AFC foram às primeiras células a combustível modernas, desenvolvidas no início de 1960 [5]. Foram usadas em diversos veículos espaciais tripulados [6]. Seu eletrólito é constituído de solução aquosa de hidróxido de potássio com

4 concentrações que variam de 35 a 85% em massa. O eletrólito fica retido numa matriz, geralmente de amianto. As células AFC são muito sensíveis à contaminação por CO, até mesmo no oxidante, necessitando de H e O puros, o que limita bastante sua aplicação. Sua temperatura de operação situa-se entre 60 a 80 C, sendo considerada uma célula de baixa temperatura [6] [7]. A tabela II mostra de forma resumida as principais características das células a combustível existentes. TABELA II SÍNTESE DAS PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS CÉLULAS A COMBUSTÍVEL. Eletrólito Temperatura de Operação Transportador de Carga Componentes Primários PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC Polímero de Ácido Sulfônico Perfluorinado Hidróxido de Potássio (35-85%) Ácido Fosfórico Concentrad o Carbonat o Fundido C 65-0 C 05 C 650 C Óxido Sólido Cerâmico C H+ OH- H+ CO-3 O- em Carbono em Carbono em Grafite em Aço Inox Catalisador Platina platina Platina Níquel Cerâmico s Titanato de Cálcio Eficiência 40-50% 40-50% 40-50% > 60% > 60% III. SISTEMAS ESTACIONÁRIOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Uma das principais aplicações das células a combustível são nos sistemas estacionários de geração de energia elétrica, para uso residencial, comercial e industrial, bem como em sistemas de cogeração, com aproveitamento inclusive do calor gerado pelo próprio sistema gerador. Outras aplicações são na geração de energia para os meios de transporte e sistemas auxiliares, na alimentação de equipamentos eletroeletrônicos, em particular na substituição de baterias em telefones celulares, computadores, calculadoras, entre outros. O termo on-site power esta sendo utilizado para representar o sistema de geração de energia elétrica, com operação e manutenção a cargo da concessionária, instalado na área do próprio consumidor e, de acordo com suas necessidades, fornece energia elétrica e térmica em regime de cogeração. Este sistema opera em paralelo com a rede elétrica da concessionária, existindo a possibilidade de que o excesso de energia elétrica gerado pelo sistema seja vendido à concessionária. O paradigma da geração distribuída, com a formação das chamadas microrredes, vem despertando interesse em concessionárias do mundo inteiro e já é utilizado em sistemas rurais e urbanos de distribuição de energia elétrica, mediante a utilização de unidades alternativas à base de fontes renováveis de energia, como aerogeradores, painéis fotovoltaicos e células a combustível. Por se tratar de unidades modulares de pequeno porte, a capacidade geradora global das estações estacionárias, para acompanhar o crescimento da carga, pode ser gradualmente incrementada pelo acréscimo de novos módulos com um tempo mínimo de implementação. IV. IMPACTO NO SISTEMA ISOLADO COM A INTEGRAÇÃO DA GD Neste início de estudo alguns problemas foram levantados através da análise de referências bibliográficas na área de impactos de integração para serem analisados. Os principais problemas que podem acontecer com a integração da GD no sistema elétrico isolado são: Fluxos de potência podem se tornar bidirecionais; Perfis de tensão com diferentes padrões; Em redes de distribuição com alimentadores longos a tensão é por vezes regulada recorrendo a esquemas do tipo compound; Sobretensões causadas pela elevada injeção de potência das GDs; Sobretensões nas fases sãs, no caso de curto-circuito monofásico; Sobretensões provocadas pela falta de coordenação entre reguladores de tensão; Sobrecarga nos ramos da rede elétrica; Mudanças das perdas ativas; Aumento dos níveis de curto-circuito; Risco de ilhamento não-intencional; A qualidade da energia elétrica pode ser afetada, e; Estabilidade. V. CONCLUSÕES Podemos concluir que a utilização da tecnologia de Células a Combustível para geração de energia elétrica na modalidade de geração estacionária para a região amazônica é sem sombra de dúvida a mais indicada. Entretanto, estudos adicionais devem ser empregados na análise dos impactos que estes equipamentos irão causar na integração ao sistema elétrica isolado da cidade de Manaus. Para demonstrar uma maior aderência neste estudo estão sendo preparadas simulações e protótipos em escala reduzida para replicar a realidade encontrada em escala real, a qual não podemos efetuar simulações. REFERÊNCIAS [1] BAUEN, A.; HART, D.; CHASE, A. Fuel cells for distributed generation in developing countries an analysis, International Journal of Hydrogen Energy, 8, p , 003. [] PROCHNIK, Victor. A Teoria dos custos de transação, com aplicações à economia da informação. Versão junho de 00. [3] SERRA, E. T.; FURTADO, J. G. de M.; SOARES, G. F. W.; ODECEIRA NETO, A. Células a combustível: Uma alternativa para Geração de

5 Energia e sua Inserção no Mercado Brasileiro. RJ: Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL, 005. [4] MARTIN, Kathi E; Garland, Nancy L.; Kopasz, John P.; McMurphy, Kevin W. DOE s perspective on the status of fuel cells and the challenges facing fuel cell technology today. Div. Fuel Chem., 008. [5] FUEL CELL HANDBOOK. EG&G Technical Services, Inc., U.S. Department of Energy, sétima edição, novembro, 004. [6] STEIDEL, Paulo S., Estudo teórico e experimental de célula combustível tipo PEM e perspectivas de aplicação em sistemas de geração distribuída, dissertação de mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina Programa de Pós-Graduação em engenharia Mecânica, Florianópolis, dezembro de 005. [7] FURLAN, André L. Análise comparativa de sistemas de armazenamento de energia elétrica fotovoltaica por meio de baterias e hidrogênio em localidades isoladas da região amazônica. Dissertação de mestrado, Universidade Estadual de Campinas comissão de pós-graduação em engenharia mecânica, Campinas, 008. [8] FLORIO, D. Z.; VARELA, J. A.; FONSECA, F. C.; MUCCILLO, E. N. S.; MUCCILLO, R. Direcionamentos da tecnologia industrial de células a combustível de óxidos sólidos. Química Nova, vol.30 n.5, São Paulo, Setembro/Outubro 007.