Palavras-chave: Células combustível de hidrogênio; Tecnologias de energias renováveis.

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1 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL HIDROGÊNIO COMO FONTE ALTERNATIVA DE ENERGIA Jairusa Oliveira Lima (UEPA) 1, Luiz Antônio Luz Galvão 2 (UEPA), José Antônio de Castro Silva 3 (Orientador). Resumo O uso de fontes renováveis de energia tem se tornado um debate recorrente visto que as fontes não renováveis de energia largamente utilizadas atualmente apresentam limitações quanto à disponibilidade e potencial de poluição do meio ambiente. As células a combustível se apresentam como uma tecnologia alternativa na geração de energia de forma contínua, com baixo impacto ambiental, e alta eficiência energética, além de possuir diversas aplicações. Este trabalho propõe analisar a utilização da células a combustível como tecnologia para geração de energia, bem como propor o hidrogênio como combustível alternativo. O referente trabalho possui metodologia observativa sistemática indireta e dedutiva. Neste sentido, o trabalho desenvolveu-se da seguinte maneira: 1) Pesquisa bibliográfica acerca de células a combustível a hidrogênio; 2) Coleta de informações e dados, e formação de um banco de dados; 3) Tratamento de dados; 5) Análise e interpretação das informações e dados obtidos. O hidrogênio pode ser aplicado como combustível na geração de energia em células a combustível, não há combustão no processo de geração de energia, envolve energia eletroquímica, logo, há a combinação de hidrogênio e oxigênio, o que gera energia e água o que exalta o hidrogênio como alternativa viável de energia renovável. Palavras-chave: Células combustível de hidrogênio; Tecnologias de energias renováveis. 1 Acadêmico do Curso de Engenharia Ambiental - Paragominas, 2012, UEPA. jairusa_oliveira@hotmail.com 2 Acadêmico do Curso de Engenharia Ambiental - Paragominas, 2012, UEPA. luizluz94@hotmail.com 3 Professor de Fontes de Energia Renováveis, do Departamento de Engenharia Ambiental da UEPA. antoniocastrosilva@hotmail.com

2 INTRODUÇÃO Energia, ar e água são elementos essenciais na vida humana, nos primórdios da sociedade a energia provinha de lenhas oriundas das florestas, para aquecimento e atividades domésticas, como cozinhar. Porém, a demanda de energia aumentou tanto que outras fontes se tornaram necessárias. Durante a Idade Média, as energias alternativas surgiram, como hidráulicas e eólicas, mas em quantidades insuficientes para atender as necessidades de uma maior população, sobretudo nas cidades. Logo após a Revolução Industrial, foi necessário um maior uso de carvão, petróleo e gás (GOLDEMBERG et al, 2007). Examinando-se a evolução do uso da energia pelo homem, nota-se claramente uma tendência para a utilização de combustíveis com menos carbono e mais hidrogênio. Em um grande período, da aurora das civilizações até a era industrial, predominou a fase sólida com o uso energético da madeira e posteriormente do carvão, combustíveis com alta presença de carbono. Há pouco mais de um século, o aproveitamento do petróleo inaugurou a fase líquida marcada por combustíveis que em suas moléculas há um número maior de átomos de hidrogênio que carbono (CAMARGO, 2004). Segundo o mesmo autor, atualmente nota-se um empenho pela utilização do gás natural e, futuramente, o hidrogênio. Com isso, delineia-se no horizonte energético a fase gasosa das fontes de energia. Essa evolução na utilização dos combustíveis é citada por muitos autores como a descarbonização da economia, pois os combustíveis utilizados têm cadeias carbônicas cada vez menores. Desse modo, a diversificação de fontes de energia a partir do desenvolvimento de novas tecnologias como solução energética para atender a demanda atual deve ser prioridade, nesse sentido, as células a combustível, se destacam como tendência para a utilização do hidrogênio como vetor energético tanto para geração de energia elétrica quanto para geração de energia estacionária como em veículos automotores. No contexto de alternativas energéticas renováveis, Franco (2009) afirma que atualmente o hidrogênio está sendo desenvolvido para tecnologias de produção de energia, pelo fato que ele pode ser oriundo de diversas fontes como hidrocarbonetos e água, a um custo significativo, porém o hidrogênio é um vetor energético em que sua aplicação para produção de energia elétrica é através das células a combustível.

3 O hidrogênio aplicado em células a combustível não envolve a combustão para geração de energia, e sim energia eletroquímica, que combina hidrogênio e oxigênio para gerar energia e água. Portanto é considerada uma alternativa viável para geração de energia renovável (SEO et al, 2002). Porciúncula (2013) define células de combustível como dispositivos onde ocorre a oxidação eletroquímica de um determinado combustível. Diferente de um sistema de combustão clássico em que há a ocorrência de um trabalho mecânico devido à expansão dos gases quentes resultantes da queima, nas células de combustível não há partes moveis. O dispositivo consiste em um ânodo, um cátodo, o catalisador e o eletrólito. A oxidação do hidrogênio ocorre no ânodo. Os elétrons liberados circulam por um circuito externo até o catodo, onde ocorre a redução do oxigênio. A reação global é a oxidação do hidrogênio com formação de água. F Figura 01 Diagrama de funcionamento da célula a combustível. Fonte: (ALMEIDA, A. T., MOURA, P. S ) O mesmo autor afirma que para ocorrer a reação de oxidação do combustível é necessário a presença de um catalisador. No caso de células de combustível de hidrogênio, o catalisador mais usado é platina finamente dividida, a qual quebra a molécula de hidrogênio em seus respectivos íons H+ na reação de oxidação anódica (H2 2H + + 2e - ), com a consequente liberação de elétrons. O papel do eletrólito é a condução destes íons H + até o cátodo para que ocorra a reação com o oxigênio, o qual sofre redução (1/2 O2 + 2H + + 2e - H2O). A classificação das células a combustível dá-se normalmente pelo tipo de eletrólito e temperatura nas quais operam. Na Tabela 01 estão representados os

4 diferentes tipos de células a combustível e na Tabela 02 suas principais características. Tabela 01 - Tipos de células a combustível. Tipo Vantagens Desvantagens Aplicações Alcalina (AFC) - Alta Eficiência (83% teórico) -Sensível a CO2 - gases ultra puros -Espaçonaves - Aplicações militares Membrana (PEMFC) - Altas densidade de Potencias - Operação flexível - Mobilidade -Custo da membrana -Contaminação do catalisador com CO - Veículos automotores e catalisador -Espaçonaves - Mobilidade Ácido Fosfórico (PAFC) - Maior desenvolvimento tecnológico - Cogeração de energia/calor - Controle da porosidade do eletrodo - Sensibilidade a CO - Eficiência limitada pela corrosão - Unidades estacionárias - Unidades estacionárias (100 kw a alguns MW) - Cogeração eletricidade/calor Carbonato fundido (MCFC) - Tolerância a CO/CO2 - Eletrodos à base de níquel - Cogeração de energia/calor - Problemas de materiais - Interface trifásica de difícil controle - Unidades estacionárias de algumas centenas de kw - Cogeração eletricidade/calor Cerâmicas (SOFC) - Alta eficiência (cinética favorável) - Reforma do combustível pode ser feita na célula - Cogeração de energia/calor - Problemas de materiais - Expansão térmica - necessidade de préreforma - Unidades estacionárias de 10 a algumas centenas de kw - Cogeração eletricidade/calor Fonte: Adaptado (WENDT et al, 2000). Tabela 02 - Principais características das células a combustível. Tipo Eletrólito Temperatura( C) Alcalina (AFC) KOH (OH - ) Membrana (PEMFC) Polímero Nafíon (H 3 O + ) Ácido Fosfórico (PAFC) H3PO3 (H 3 O + ) Carbonato fundido Carbonato fundido (CO -2 )

5 (MCFC) Cerâmicas (SOFC) Fonte: Adaptado (WENDT et al, 2000). ZrO2 (O - ) Dependendo do tipo de célula empregada, o eletrólito pode ser liquido (soluções aquosas alcalinas ou acidas) ou sólidas (membranas poliméricas ou uma combinação de diferentes óxidos e sais). Uma célula individual dá origem a pequenos valores de diferença de potencial. Para aplicações práticas trabalha-se com um sistema em série composto de várias células unitárias, de forma a multiplicar o valor da diferença de potencial. OBJETIVOS Objetivo Geral Analisar a utilização de células à combustível como alternativa energética. Objetivo específico Propor o emprego do hidrogênio como fonte de geração de energia. METODOLOGIA Galliano (1986) define método cientifico como um conjunto de etapas, ordenadamente dispostas, a serem vencidas na investigação da verdade, no estudo de uma ciência ou para alcançar determinado fim. Barros e Lehfeld (2000) alertam para o fato de que o método não é único e nem sempre o mesmo para o estudo deste ou daquele objeto e/ou para este ou aquele quadro da ciência, uma vez que reflete as condições históricas do momento em que o conhecimento é construído. Nesse sentido, o referente trabalho possui metodologia observativa sistemática indireta e dedutiva. Logo, o trabalho desenvolveu-se da seguinte maneira: 1) Pesquisa bibliográfica acerca de células a combustível a hidrogênio; 2) Coleta de informações e dados, e formação de um banco de dados; 3) Tratamento de dados; 5) Análise e interpretação das informações e dados obtidos.

6 Na qual, em primeira instância houve um amplo levantamento de material bibliográfico disponível sobre o assunto, através de consultas aos acervos literários das principais universidades, institutos de pesquisa que possuem experiências no desenvolvimento e estudo das células a combustível a hidrogênio. Por conseguinte, tais materiais bibliográficos coletados formaram um banco de dados, que foram criteriosamente selecionados segundo relevância teórica sobre a temática a ser estudada, em seguida o material bibliográfico foi submetido à análise e interpretação minuciosa, considerando a eficiência, aplicabilidade e viabilidade da utilização das células a combustível a hidrogênio como fonte de energia alternativa. RESULTADOS De acordo com os autores Larminei (2003) e Gomes Neto (2005), as vantagens que as células a combustível apresentam são: Conversão de mais de 85% da energia contida em um combustível em energia elétrica e térmica (calor), a partir de ciclo combinado; Centrais de produção de energia através de células a combustível podem ser implementadas junto aos pontos de fornecimento, permitindo a redução dos custos de transporte e de perdas energéticas nas redes de distribuição. Alternativa de energia em regiões onde há falta ou o acesso é precário. Como este sistema não possui partes móveis, as células apresentam maiores níveis de confiança em comparação aos motores de combustão interna, não sofrendo paradas bruscas devido ao atrito ou falhas das partes móveis durante a operação; Baixos custos de manutenção e ausência de ruídos na geração de energia, também pela inexistência de partes móveis; Podem ser flexíveis na questão do combustível, ou seja, algumas células funcionam a partir de gás natural, gasolina, biodiesel ou outros combustíveis, não sendo necessária a aplicação direta do hidrogênio. Isso ocorre com a instalação de um reformador químico que produz hidrogênio com a reformulação do combustível introduzido ou pela reformulação interna em algumas células; Ganho ambiental pela implantação das células, uma vez que a emissão, caso o combustível seja hidrogênio, é apenas água. Gomes Neto (2005) ainda ressalta os ganhos sociais, ambientais e econômicos com relação à aplicação das células a combustível, a saber:

7 Redução de até 50% da emissão de poluentes e gases causadores do efeito estufa, como o CO2 e CH4, com relação a utilização de combustíveis fósseis, tendo como consequência a melhoria do sistema respiratório, especialmente em áreas urbanas e a preservação do meio ambiente; Crescimento econômico, desenvolvimento e criação de empregos em diversas áreas, desde o setor rural, com a produção de combustíveis renováveis, até o setor industrial; Aumento da segurança nacional com relação à demanda energética, minimizando a necessidade de racionamento em determinadas épocas; Redução da poluição sonora; Redução de lixo tóxico causado pelas baterias e pilhas, sendo as células a combustível um potencial na substituição das mesmas, reduzindo, assim, suas quantidades e evitando a contaminação dos solos e lençóis freáticos. Minimização da dependência do petróleo e da importação deste combustível; O hidrogênio não é um combustível tóxico, ou seja, caso ocorra algum vazamento não contaminará o meio ambiente; Interesses econômicos associados às indústrias de combustíveis fósseis. Em contrapartida, como todo e qualquer sistema, existem suas desvantagens, sendo elas: Elevados custos, por ser uma tecnologia recém-pesquisada; Vida útil curta e redução da eficiência relacionada; Algumas necessitam da utilização de metais nobres, como a platina; Problemas relacionados com transporte e armazenamento do hidrogênio, por ser este um combustível extremamente inflamável; O hidrogênio alimentado à célula deve ter um elevado teor de pureza podendo, assim, minimizar a contaminação do catalisador. No que se refere à região amazônica Brasileira CONCLUSÕES Segundo o Balanço Energético Nacional (2010) as fontes não renováveis correspondem a 81,5% da demanda anual mundial. Esta porcentagem refere-se

8 apenas à combustíveis fósseis (carvão natural, petróleo e derivados e gás natural), excluindo os materiais nucleares (VECCHIA, 2010). De acordo com Di Lascio e Barreto (2009), no que se refere às regiões isoladas da Amazônia brasileira, as principais tecnologias para suprimento energético de pequenas comunidades são grupos moto geradores a diesel, as baterias e pilhas, fontes não renováveis, que causam problemas ambientais e possuem elevado custo de manutenção e operação. Desse modo, deve-se ressaltar as limitações da disponibilidade de energias não renováveis e a poluição causada por elas. Logo, este impasse energético gera um forte estímulo para a realização de pesquisas destinadas a investigar e desenvolver novas formas de energia que poluam menos o ambiente, que sejam mais eficientes e renováveis. Na região amazônica brasileira destacam-se alguns programas e projetos voltados para o desenvolvimento de tecnologias limpas para o suprimento energético de comunidades isoladas, neste sentido pode-se destacar os trabalhos promovidos pelo GEDAE, da Universidade Federal do Pará (UFPA), em vários locais do litoral amazônico desde 1998, que realiza pesquisas sobre sistemas híbridos, principalmente voltados para energia eólica e fotovoltaica. No que se refere ao vetor hidrogênio em arranjos híbridos, com painéis fotovoltaicos, o Centro de Pesquisas Canguçu, com apoio da Fundação Universidade do Tocantins (UFT), realiza pesquisas para fomentar a gestão energética e desenvolvimento sustentável. A proposta do projeto é queimar o hidrogênio em motor de combustão interna e utilizar uma célula a combustível, a fim de converter energia química em eletricidade. As células a combustível tem se desenvolvido bastante nos últimos anos, sendo utilizado em diversas aplicações como: gerador de energia para a eletrotração, unidades estacionarias e para fins portáteis. O que mais chama atenção nesta tecnologia é o baixo impacto ambiental e a sua alta eficiência. Atualmente vários problemas tem dificultado o lançamento da tecnologia no mercado em larga escala. Entretanto, muitas pesquisas têm surgindo e que possuem como objetivo a implementação de ideias que auxiliam no melhoramento do seu funcionamento, pode-se citar como exemplo: novas membranas de permuta protónica, melhores catalisadores, melhores desenhos das células e novos modos

9 de funcionamento dinâmicos. As células de combustível tem o potencial de se tornar, em alguns anos, uma tecnologia a adotar em variados setores de atividade. REFERENCIAS ALMEIDA, A. T., MOURA, P. S. Hidrogênio e células de combustível. Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. In: Gazeta de Física, p.51-55, BARROS, A. de J. de; LEHFELD, N. A. de. Fundamentos da Metodologia Científica: um guia para iniciação científica. 2 ed. ampl. São Paulo: Makron Books, BRASIL, Ministério de Minas e Energia. Balanço Energético Nacional Brasília, CAMARGO, J. C. O etanol como fonte de hidrogênio para células a combustível na geração distribuída de energia elétrica. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP, DI LASCIO, M. A., BARRETO, E. J. F.; com a colaboração de Daniel Pioch, Écio Rodrigues. Energia e desenvolvimento sustentável para a Amazônia rural brasileira: eletrificação de comunidades isoladas. 1 ed. Brasília: Ministério de Minas e Energia, ETT, G.; JANÓLIO, G.; ETT, V.; EBESUI, A. M.; VULCANO, G.; JUNQUEIRA, M. S. D. Geração de energia elétrica distribuída a partir de célula a combustível. In: Encontro de Energia no Meio Rural, FRANCO, T. V. Análise termodinâmica das reações de reforma do metano e do GLP para a produção de hidrogênio. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal de Uberlândia, GALLIANO, A.G. O método científico: teoria e prática. São Paulo: Harbra, GOLDEMBERG, J., LUCON, O. Energia e meio ambiente no Brasil. Estudos Avançados 21. São Paulo, GOMES NETO, E.H., Hidrogênio, evoluir sem poluir: a era do hidrogênio, das energias renováveis e das células a combustível. 1 ed. 2006, Curitiba: Editora: Brasil H2. PORCIÚNCULA, C., B. Simulação e Operação de Célula a Combustível com Geração In Situ de Hidrogênio Através da Corrosão Alcalina do Alumínio. Tese (Doutorado em Engenharia Química). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, SEO, Y. S., SHIRLEY, S. T., KOLACZKOWSKI, S. T., Evaluation of thermodynamically favourable operating conditions for production of hydrogen in three different reforming technologies. In: Journal of Power Sources, v. 108, p , SIMIONI, C. A., O uso de Energia Renovável Sustentável na Matriz Energética brasileira. Dissertação (Doutorado em Meio Ambiente e Desenvolvimento), Universidade Federal do Paraná, Curitiba, VECCHIA, R. O meio ambiente e as energias renováveis: instrumentos de liderança visionária para a sociedade sustentável. São Paulo: Minha Editora, 2010.

10 WENDT, H., GOTZ, M., LINARDI, M., Tecnologia de Células a Combustível. Química Nova, p , 2000.