Faculdade de Engenharia Mecânica/UNICAMP, Campinas, SP, Brasil. Núcleo de Pesquisas e Estudos Ambientais/UNICAMP, Campinas, SP, Brasil

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1 ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE DOIS SISTEMAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA PARA A COMUNIDADE ISOLADA NO INTERIOR DO ESTADO DO AMAZONAS: CÉLULA A COMBUSTÍVEL COM REFORMADOR PARA GÁS NATURAL X GERADOR DIESEL Msc. PAULA DUARTE ARAÚJO (1) CRISTIANE PERES BERGAMINI (1) Msc. GHEISA ROBERTA TELLES ESTEVES (2) Msc. JOÃO CARLOS CAMARGO (1) Dr. ENNIO PERES DA SILVA (3) DANIEL GABRIEL LOPES (1) (1) Faculdade de Engenharia Mecânica/UNICAMP, Campinas, SP, Brasil (2) Núcleo de Pesquisas e Estudos Ambientais/UNICAMP, Campinas, SP, Brasil (3) Instituto de Física Gleb Wataghin /UNICAMP, Campinas, SP, Brasil Resumo Apesar de grande parte do território nacional já ser abastecida com energia elétrica, ainda há muitas regiões onde o sistema é precário ou inexistente, genericamente denominadas como comunidades isoladas. Na maioria dos casos estas comunidades são abastecidas com geradores a óleo Diesel e a substituição deste combustível por alternativas energéticas disponíveis nas localidades tem sido objeto de estudo de várias instituições de pesquisa espalhadas pelo país. Atualmente, tem-se discutido fortemente o uso de células a combustível na geração de energia elétrica associado às necessidade energéticas locais, a partir do uso de um combustível regional e isso é devido à alta eficiência de conversão energética aliada aos baixos impactos ambientais que esse equipamento oferece. A maior parte dos diferentes tipos de célula a combustível utiliza como combustível o hidrogênio para produzir eletricidade, que pode ser retirado tanto de fontes renováveis quanto de não-renováveis. A partir disso, o presente trabalho tem como objetivo comparar em primeira análise a eficiência energética e o custo entre os dois sistemas: os utilizados atualmente na grande maioria das comunidades isoladas, constituído de um sistema de motor-gerador a Diesel, com o sistema Reformador de Gás Natural / Purificador de Hidrogênio / Célula a Combustível e analisar se tal projeto apresenta características que o qualificam para a obtenção de créditos de carbono propostos no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo. Abstract Although great part of the domestic territory is already supplied with electric energy, still there are many regions where the system is precarious or inexistent, generically called isolated communities. In the majority of the cases these communities are supplied with Diesel oil generators and the substitution of this fuel for available alternative energy in the localities has been object of study of some institutions of research spread throughout the country. Currently, the use of fuel cells has been strongly argued in the generation of electric energy associated with the local energy necessity, from the use of a regional fuel and this is due to the high efficiency of allied energy conversion to the low ambient impacts that this equipment offers. Most of the different types of fuel cells use hydrogen as a fuel to produce electricity, and it is extracted from renewable or nonrenewable sources of energy. Then, the article has the objective of comparing in first analysis the energy efficiency and the cost between the two systems: the ones used currently in the great majority of the isolated communities, constituted of a Diesel engine-generator system, with Natural Gas Reformer System/ Purificador of Hydrogen/ Fuel Cell/ and to analyze if such project presents characteristics that qualifies it to get the carbon credits proposed in the Mechanism of Clean Development. 1

2 1 Introdução Gerar energia elétrica com tecnologia de ponta em uma comunidade no meio da Amazônia é a proposta do projeto chamado Celcomb Produção de Energia Alternativa a partir de Células a Combustível e Gás Natural no Estado de Amazonas. O objetivo é abastecer a comunidade isolada de Arixi, localizada no município de Anamã, no Amazonas, com energia elétrica a partir da implantação de um sistema Reformador de Gás Natural / Purificador de Hidrogênio / Célula a Combustível. Este sistema produz o hidrogênio a partir do processo de reforma do gás natural e, através de uma reação eletroquímica na célula a combustível, gera energia elétrica. A célula a combustível é um equipamento que converte hidrogênio e oxigênio (do ar) em energia elétrica, água e calor. A escolha pela utilização do gás natural se deu devido à disponibilidade deste recurso e à sua exploração no Pólo de Urucu. Esta é uma alternativa real de suprimento energético, especialmente pelo fato do combustível ser transportado até Manaus através de gasoduto, havendo algumas cidades ao longo do trajeto que poderão ser beneficiadas, sendo que entre essas localidades está a Comunidade de Arixi, no município de Anamã. Por se tratar de um combustível menos poluidor que os derivados de petróleo, o gás natural apresenta menor emissão de CO 2 e conseqüentemente terá um efeito menor que o óleo Diesel quanto à intensificação do efeito estufa. Além disto, o gás natural é uma fonte de hidrogênio, o combustível utilizado pela tecnologia de células a combustível. O projeto, que será desenvolvido em dois anos, envolve inicialmente, no primeiro ano, a análise sócio-econômica e ambiental da comunidade e estudos técnicos de projeto do sistema reformador de gás natural, seguidos pela construção do equipamento e aquisição de uma célula a combustível de 5 kw. Após sua implantação será constituída uma equipe técnica formada pelos próprios habitantes da comunidade, que receberão instruções para operação e manutenção do equipamento. Posteriormente, será acompanhado o funcionamento do sistema instalado e realizada a análise sócio-econômica e ambiental da população. O projeto, financiado pelo Ministério de Minas e Energia e pelo Fundo Setorial CT-Energ, surgiu através de uma parceria entre o Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético (NIPE), o Núcleo de Estudos e Pesquisas Ambientais (NEPAM), o Laboratório de Hidrogênio do Instituto de Física (LH2), todos pertencentes à Universidade Estadual de Campinas, com o Departamento de Eletricidade da Universidade Federal do Amazonas. A partir do contexto do projeto Celcomb, esse artigo tem como proposta analisar a eficiência energética do sistema utilizado atualmente na comunidade e do sistema a ser implantado, além de dimensionar os impactos sociais e ambientais que afetarão diretamente a comunidade, bem como analisar se o projeto apresenta características que o qualificam para a obtenção de créditos de carbono propostos no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL). Para tanto, inicialmente será abordado o conceito e os aspectos que envolvem o MDL e como será efetivada a geração de energia elétrica na comunidade isolada; algumas questões que envolvem a reforma de gás natural e o seu uso em células a combustível também serão consideradas e, por fim, será feita uma comparação entre o sistema a óleo Diesel e o sistema de reforma de gás natural para uso em células a combustível. 2 O Mecanismo de Desenvolvimento Limpo O Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), é um dos três mecanismos de flexibilização estabelecidos pelo Protocolo de Kyoto para a redução das emissões de dióxido de carbono, considerado o principal gás de efeito estufa. Através do MDL os países do Anexo I do Protocolo (países desenvolvidos) poderão conceber projetos que contribuam para o desenvolvimento sustentável de países em desenvolvimento (não pertencentes ao Anexo I), de modo a compensar as suas próprias emissões. Essas iniciativas gerariam créditos de redução de carbono para os países do Anexo I, e ao mesmo tempo ajudariam os países em desenvolvimento, pois estes se beneficiariam de recursos financeiros e tecnológicos adicionais para financiamento de atividades sustentáveis e da redução de emissões globais. 2

3 O financiamento de atividades sustentáveis pelo MDL pretende diminuir a dependência de combustíveis fósseis nos países em desenvolvimento e, portanto, gerar menores emissões em longo prazo. Os projetos MDL poderão ser implementados nos setores energético, de transporte e florestal. Ressalta-se que as reduções obtidas deverão ser adicionais a quaisquer outras que aconteceriam sem a implementação das atividades do projeto. Assim, os projetos também deverão oferecer benefícios reais, mensuráveis e em longo prazo para mitigação do aquecimento global. Nos países em desenvolvimento, os custos relacionados à implementação de projetos que diminuam emissões de gases de efeito estufa são, em geral, menores do que nos países desenvolvidos. Isto torna o MDL atrativo para aqueles países pertencentes ao Anexo I. Além disso, o MDL busca incentivar o desenvolvimento sustentável, levando à criação de novos mercados que venham a valorizar a redução de emissões de gases de efeito estufa, criando oportunidades para a transferência de tecnologia e novos recursos para países em desenvolvimento, como o Brasil. 3 Geração de energia elétrica na comunidade isolada de Arixi A comunidade isolada de Arixi está localizada no município de Anamã, no Estado do Amazonas. A escolha da comunidade se deu pelo fácil acesso ao gás natural, matéria-prima a ser utilizada, já que Anamã está entre os municípios de Manaus e Coari, que se constituem nos extremos do gasoduto que deverá escoar o gás da reserva de Urucu. A comunidade, com aproximadamente 600 habitantes é abastecida com energia elétrica apenas no período das 18h às 22h30, através de um grupo gerador Diesel, consumindo 14 litros de combustível por hora. A obtenção do Diesel fica prejudicada devido ao acesso a Anamã ser feito unicamente por barcos e canoas voadeiras, o que também dificulta a constante manutenção do sistema, interrompendo, desta forma, o fornecimento de energia para a comunidade. Cálculo da Demanda para Arixi Para o desenvolvimento da tecnologia que será aplicada em Arixi, deve-se utilizar um sistema que produzirá 5 kw de potência. Tal sistema será utilizado, a priori, no fornecimento de Energia Elétrica para um Centro Medico, um Centro Comunitário e uma Escola da Comunidade. Para este tipo de aplicação, levando em consideração que a comunidade possui por volta de 600 habitantes, podemos estimar um consumo de 1,24 kw. Centro Médico: Geladeira: 400 W 8 Lâmpadas Fluorescentes de 20 W: 160 W Total: 560 W Centro Comunitário: 1 Televisão: 80 W 1 Vídeo Cassete: 65 W 6 Lâmpadas Fluorescentes de 20 W: 120 W Total: 280 W Escola: 1 Televisão: 80 W 1 Vídeo Cassete: 65 W 12 Lâmpadas Fluorescentes de 20 W: 240W Total: 400 W Porém, a aplicação da energia gerada pelo sistema só poderá ser decidida após um estudo, onde a própria comunidade deverá apresentar quais as suas principais necessidades. A partir da análise destas necessidades com a análise do potencial de desenvolvimento da região deve-se gerar uma proposta que leve em consideração o desenvolvimento sustentável para a comunidade. 3

4 4 O uso em células a combustível de gás natural reformado O uso do óleo Diesel na geração de energia elétrica dos sistemas isolados está associado a um forte subsídio nacional e a alguns impactos ambientais. Sua substituição por alternativas energéticas locais tem mobilizado instituições de pesquisa para encontrar soluções adequadas. Uma alternativa interessante para a comunidade de Arixi é a utilização do gás natural para a produção de energia elétrica no lugar do óleo Diesel. Esta substituição pode ser feita através da queima direta do gás natural em um motor de ciclo Otto ou através de um sistema reformador/célula a combustível. A segunda opção apresenta menores emissões de dióxido de carbono por kwh produzido, conseqüência da melhor eficiência do sistema, o que pode implicar em ganho de certificados de emissão de carbono. Além disso, o sistema de reforma apresenta também menores níveis de emissões de gases como CO, NOx e SOx, além de hidrocarbonetos e materiais particulados. A transformação direta da energia química em energia elétrica em uma célula a combustível capacita-a a ter eficiências maiores que as tradicionais máquinas térmicas, invariavelmente limitadas à eficiência do ciclo de Carnot. Em uma célula a combustível há a combinação de hidrogênio com oxigênio em uma reação de eletrólise inversa (equação 01), sendo que esta reação produz energia elétrica na forma de corrente contínua, água e calor. 2 H 2 + O 2 => 2 H 2 O 01 As células a combustível podem ser classificadas quanto a sua temperatura de operação em: Células de baixa temperatura (80 a 220 C): alcalinas (AFC), ácido fosfórico (PAFC), e membrana de troca de prótons (PEMFC). Células de alta temperatura (600 a 1000 C): carbonato fundido (MCFC) e óxido sólido (SOFC). O hidrogênio, que é utilizado como combustível na maioria das células, não se encontra livre na natureza. É necessário retirá-lo de alguma substância. O hidrogênio pode ser obtido através do processo de eletrólise da água ou através de combustíveis fósseis (gás natural, gasolina, metanol) ou renováveis (etanol, biogás). A eletrólise é o meio mais limpo de se obter hidrogênio, principalmente se a eletricidade for obtida de uma fonte renovável, como a hidroeletricidade, energia eólica ou fotovoltaica. No entanto, a eletrólise responde atualmente por apenas 4% da produção mundial de hidrogênio (Camargo et al). O restante é obtido de hidrocarbonetos e do carvão. Nestes casos os processos mais importantes são a reforma a vapor e a oxidação parcial. Do ponto de vista da utilização em células a combustível, principalmente as de baixa temperatura, a reforma a vapor é a mais interessante, pois apresenta maior eficiência na produção de hidrogênio e menor produção de CO e outros resíduos orgânicos. A reforma a vapor do gás natural utiliza energia térmica para realizar a reação do metano (CH 4 ) com o vapor d água a alta temperatura, em superfícies catalíticas (platina ou níquel). A reforma do gás natural produz hidrogênio a partir da seguinte reação global (equação 02) (Silva et al, 2003): CH 4 + 2H 2 O <=> CO 2 + 4H 2 02 Esta reação se dá em duas fases: Fase 1: a reação decompõem o combustível em monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H 2 ) a uma temperatura aproximada de 800 C; Fase 2: chamada de water-gas shift reaction, combina o CO e a água para produzir o dióxido de carbono (CO 2 ) e o hidrogênio. A reforma do gás natural tem se mostrado o meio de menor custo para produzir o hidrogênio comercial. Porém, do ponto de vista ambiental, este sistema de produção de hidrogênio não é considerado sustentável, devido às emissões de CO 2, que contribuem para o efeito de estufa. 4

5 5 Comparação entre o sistema a óleo Diesel e o sistema de reforma de gás natural para uso em células a combustível As células a combustível são candidatas a competir na geração de energia elétrica para comunidades isoladas (geração descentralizada) com duas outras tecnologias de geração já consolidadas técnica e economicamente: os motores a Diesel e os motores a gás natural. As comparações das emissões para as tecnologias de geração descentralizadas utilizaram células a combustível do tipo PAFC e SOFC. A primeira, já disponível comercialmente, utiliza hidrogênio proveniente do gás natural a partir de um reformador acoplado, enquanto a segunda faz a reforma do gás natural diretamente no interior da célula, graças à elevada temperatura na qual este tipo de célula trabalha entre 600 e 1000 C dispensando dessa forma um reformador externo. A célula a combustível a ser utilizada no projeto descrito neste artigo será do tipo PEM, que utiliza um reformador externo para o gás natural. Por isso, a título de comparação, os dados apresentados para a célula tipo PAFC podem ser utilizados também com certa precisão para a célula tipo PEMFC, pois o processo de reforma é o mesmo. Da mesma maneira, no projeto será utilizado um reformador de gás natural e por isso é interessante ter uma idéia das emissões provenientes desse tipo de dispositivo. Emissões Um estudo realizado por Bauen & Hart (2000) compara as emissões das tecnologias de célula a combustível tipo PAFC e célula a combustível tipo SOFC, ambas utilizando o processo de reforma de gás natural para produzir hidrogênio, com um sistema de motor a Diesel e outro de motor a gás natural. A capacidade típica de geração para esses sistemas era em torno de 200 kw. A Figura 1 mostra os resultados observados quanto à emissão de CO 2 para cada tecnologia. Figura 1 - Comparação das emissões de CO 2 entre diversas tecnologias. Fonte: Bauen & Hart, Assim, de acordo com o estudo o sistema com motor a Diesel apresenta o maior índice de emissão de CO 2 quando comparado com as demais tecnologias, especialmente com o sistema reforma de gás natural/células a combustível. Neste caso, o potencial de emissão evitada pode chegar a 30%. Eficiência Como já salientado, os sistemas de geração de energia elétrica com células a combustível, possuem eficiência de conversão superior aos sistemas baseados em máquinas térmicas. Isso implica em melhor aproveitamento do combustível, reduzindo as emissões e diminuindo o custo de geração de energia elétrica. A Figura 2 mostra um gráfico que compara a eficiência de conversão 5

6 de vários tipos de células a combustível com os principais sistemas de geração de energia elétrica. Na figura 2 nota-se que o desempenho das células a combustível é superior às tecnologias tradicionais e que essa eficiência praticamente não é alterada em função da potência de saída da planta ao contrário das turbinas a gás que possuem eficiência baixa quando opera com potência reduzida. Também se pode verificar, na mesma figura, que sistemas híbridos de células a combustível (SOFC) e turbina a gás podem atingir eficiência de conversão superior a 70%. Figura 2 Comparação das eficiências de conversão de várias tecnologias Sistema híbrido Turbina a Gás/SOFC Sistema avançado de turbina Eficiência Célula a combustível Turbina a gás c/ melhoramento no ciclo Turbina a gás ciclo combinado Motor de combustão interna Microturbinas Turbina a gás ciclo simples Potência de Saída, MW Fonte: DOE, Custo Por se tratar de uma tecnologia incipiente no mercado, as células a combustível ainda apresentam custo de capital elevado. Alguns tipos de tecnologia já são comerciais como as de ácido fosfórico (PAFC) e de membrana protônica (PEMFC). A Tabela 1 mostra os valores do custo de capital para essa tecnologia e outras características comparando-a com a geração de energia elétrica de tecnologias tradicionais baseadas no ciclo de Carnot. 6

7 Tabela 1 Características das tecnologias de células a combustível (Cac) e de combustão. Característica CaC PEMFC CaC PAFC Gerador Microturbina Turbina a Gás Gerador Motor de Combustão Interna Gerador Turbina a Vapor Capacidade, kw e Entrada prevista Disponível Disponível Disponível Disponível Disponível Disponível no mercado Custo projetado (2005), $/kw e Área ocupada 0,05-0,37 0,02-0,03 0,01-0,14 0,002-0,06 <0,01 pela planta m 2 /kw e Eficiência elétrica a plena carga % Ciclo combinado: Eficiência elétrica a meia carga % Saída de calor, % da entrada Temperatura utilizável C Tempo de partida Baixo valor Baixo valor Minutos Horas Segundos Minutos Minutos Horas Fonte: Ellis, 2002 Vê-se na tabela que as células a combustível têm ainda um longo caminho de desenvolvimento e ganhos de escala para atingir os custos de capital das tecnologias já estabelecidas. Cabe lembrar, no entanto, que as últimas já possuem décadas de desenvolvimento tecnológico como os motores de combustão interna. 6 Conclusão De acordo com os dados obtidos e análise realizada neste trabalho foi possível observar que para levar energia à comunidades isoladas, especialmente na Amazônia, é necessário utilizar os recursos disponíveis na localidade e, neste caso, o mais viável seria a utilização de um sistema de células a combustível e reformador para gás natural em substituição ao utilizado atualmente. As vantagens de utilizar este tipo de equipamento são inúmeras, entre elas, está o fato de o combustível sugerido, o gás natural, estar disponível e ser bem menos poluente se comparado com o Diesel. Outro fato a ser observado é que o equipamento célula a combustível possui também eficiência energética bem superior aos motores de combustão interna. Foi possível verificar ainda que, apesar de o custo deste equipamento ser bem elevado, o seu uso apresenta mais vantagens, como as listadas anteriormente, do que o tradicional. Outra questão que deve ser ressaltada é a significativa redução das emissões de CO 2 com a utilização do sistema sugerido, o que vem de encontro às propostas apresentadas no Mecanismo de Desenvolvimento Limpo, o que viabiliza a participação deste projeto no Mercado de Certificado de Caborno. Vale ressaltar que essa participação é importante porque contribui para a redução do efeito estufa. 7

8 7 Referência Bibliográficas BAUEN, A., HART, D. Assessment of the environmental benefits of transport and stationary fuel cells. Journal of Power Sources. v. 86, p , CAMARGO, João Carlos, SILVA, Ennio Peres da, CANAVARROS, Otacílio Borges, CAVALIERO, Carla Kazue Nakao, ARAÚJO, Paula Duarte. Fornecimento de energia elétrica através de células a combustível utilizando reforma de etanol em comunidade isolada do Estado de mato Grosso. Anais do 4º Encontro de Energia no Meio Rural AGRENEER, DOE Departament of Energy. Fuel Cell Handbook. 5ª edição. EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Morgantown, West Virginia, EUA, 352 p ELLIS, M. W. F. Fuel Cells for Building Applications. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, Georgia. EUA, 2002, 120 p. SILVA, J.C.B., CAMARGO, J. C., BRITTES, J. L. P., SILVA, E. P., CANTÃO, M. P., IMPINNISI, P. R., GARCIA, F. R., PAULILLO, G., SILVA, A. J. Implantação de sistemas de geração distribuída junto à rede de distribuição. Disponível em: < > Acesso em 10 Abr