A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA E AS CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

Transcrição

1 A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA E AS CÉLULAS A COMBUSTÍVEL *JOÃO C. CAMARGO, *CARLA K. N. CAVALIERO *ENNIO P. DA SILVA, *ANTONIO J. MARIN NETO *UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS 1. RESUMO Uma das mais promissoras tecnologias de conversão energética surgida nas últimas décadas são as células a combustível. Sua eficiência superior de conversão aliada ao menor impacto ambiental são características que vão ao encontro do anseio de formas de obtenção de energia que se encaixem no desenvolvimento sustentável. Por isso é grande o esforço da comunidade internacional para o desenvolvimento da economia do hidrogênio o combustível para as células a combustível. Muitas alternativas para a produção desse combustível a partir de fontes não renováveis e renováveis estão sendo desenvolvidas. Uma delas, na qual o Brasil mostra grande potencial, é o uso do etanol como fonte de hidrogênio. Este trabalho analisa este potencial à luz dos dados obtidos experimentalmente no Laboratório de Hidrogênio da UNICAMP (LH2) do sistema de reforma do etanol e célula a combustível comparando-o aos tradicionais sistemas de geração. 2. ABSTRACT One of the most promising conversion technologies appeared in the last decades were the fuel cells. Their superior conversion efficiency allied to smallest environmental impact are desired characteristics to reach the sustainable development. Indeed, it is intense the international community's effort for the development of hydrogen economy - the fuel for fuel cells. Several alternatives for production this fuel from renewable and non renewable energy sources have being developed. One of them, which Brazil has great potential, is the use of ethanol as hydrogen source. This work analyzes this potential in the light of data obtained experimentally from an ethanol reforming system assembled in the UNICAMP s Hydrogen Laboratory comparing with the traditional power generation systems. 3. INTRODUÇÃO A matriz energética brasileira, no que tange à geração de energia elétrica, caracteriza-se predominantemente pela sua natureza renovável. Aproximadamente 90% da energia elétrica gerada provém de usinas hidroelétricas. Houve nos últimos anos a tentativa do governo de aumentar a participação do gás natural na matriz de geração elétrica mas com pouco êxito. A energia renovável também está presente no uso do etanol da cana-deaçúcar nos veículos a gasolina substituindo com grandes vantagens ambientais o MTBE utilizado em outros países. Veículos com novos motores que funcionam tanto com álcool quanto gasolina ou uma mistura de ambos começam a ser

2 comercializados e irão dar mais opções de escolha do combustível aos proprietários de veículos. A nova tecnologia das células a combustível traz também para o etanol a perspectiva de ser a fonte do hidrogênio que as fazem funcionar. Em países onde não há etanol da biomassa ou onde sua produção em pequena escala não o viabiliza economicamente, muita pesquisa tem sido feita com o metanol para esse mesmo fim. Apesar de ser um álcool mais fácil de reformar que o etanol, denominação dada ao processo através do qual o hidrogênio é produzido dos citados álcoois, sua origem não renovável e sua toxicidade são características que o desfavorecem. O etanol como fonte de hidrogênio para uso em células a combustível é sem dúvida uma nova grande oportunidade para o país. Toda a infra-estrutura de produção e distribuição desse combustível já existe no país. Ele é uma ótima alternativa para os futuros veículos que serão movidos com células a combustível pois além de sua natureza renovável, contribui para o fortalecimento da economia nacional. 4. A TECNOLOGIA DAS CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Células a combustível são dispositivos que convertem a energia química de certos combustíveis diretamente em eletricidade. Consistem de um eletrólito prensado por dois finos eletrodos (um ânodo e um cátodo). O hidrogênio combustível é inserido no ânodo, onde um catalisador, geralmente platina, o separa em prótons e elétrons. Os prótons atravessam o eletrólito e chegam ao cátodo, onde se combinam com o oxigênio do ar formando água e calor. Já os elétrons, por não conseguirem atravessar o eletrólito, percorrem um circuito externo formando uma corrente elétrica continua. O combustível mais comum para as células a combustível é o hidrogênio e este pode ser extraído dos combustíveis fósseis (petróleo, carvão e gás natural), combustíveis renováveis (biomassa - etanol), a partir da eletrólise da água e algumas outras fontes. A característica que difere as células a combustível das baterias eletroquímicas convencionais é que elas produzem eletricidade ininterruptamente enquanto forem abastecidas pelo combustível, enquanto as baterias precisam ser recarregadas. Existem basicamente quatro tipos de célula a combustível sendo desenvolvidas e algumas já sendo comercializadas: as de ácido fosfórico, de eletrólito polimérico, de carbonato fundido e as de óxido sólido. As duas primeiras já contam com unidades comerciais de alguns quilowatts até centenas de quilowatts. Na Tabela 1 são mostradas as características principais das células citadas APLICAÇÕES A princípio, as células a combustível podem substituir qualquer gerador elétrico na geração estacionária. Uma grande vantagem da tecnologia é que sua eficiência de conversão varia muito pouco com o tamanho da planta (Figura 1) o que a capacita para ser usada desde potências de alguns watts (aplicações portáteis) até centenas de megawatts (geração estacionária). Além disso, a tecnologia está sendo muito pesquisada para aplicação automotiva substituindo os tradicionais motores de combustão interna.

3 Outra característica da tecnologia das células a combustível é a modularidade que as tornam especialmente indicadas para a geração distribuída ou descentralizada pois se ajustam melhor aos aumentos de carga. Eletrólito Temperatura Operação Transportador de carga Tabela 1 Características principais das células a combustível PEMFC PAFC MCFC SOFC Membrana de troca de prótons 80 C Íon de hidrogênio Ácido fosfórico Cerca de 200 C Íon de hidrogênio Reformador Externo Externo Componentes primários da célula Baseados em carbono Baseados em grafite Carbonato fundido Óxido solido cerâmico 650 C C Íon de carbonato Interno ou externo Aço inoxidável Catalisador Platina Platina Níquel Íon de oxigênio Interno ou externo Cerâmicos Perovskites (Titanato de cálcio) Eficiência (%) 40 a a 50 > 60 > 60 Sistemas em demonstração Sistemas comerciais de até 50 kw; operando, a Sistemas em Estágio de unidades de maioria deles demonstração desenvolvimento 250 kw de 200 kw e de até 2 MW esperadas um modelo de dentro de poucos anos. 11MW tem sido testado. Fonte: Lloyd, 1999 Unidades de até 100 kw tem sido demonstradas VANTAGENS Há duas grandes vantagens das células a combustível que as colocam como uma alternativa promissora para a geração de energia elétrica: sua alta eficiência de conversão energia química energia elétrica e emissão zero. Duas características altamente desejáveis na era do desenvolvimento sustentável. Eficiência superior de conversão significa o mesmo trabalho com menos combustível e por conseqüência menores emissões. Eficiências de conversão para unidades comerciais em torno de 40% (eficiência global da transformação combustível em energia elétrica) já são uma realidade. Como exemplo, a célula a combustível de ácido fosfórico (PAFC) de 200 kwe em funcionamento em Curitiba, PR, converte 37% do gás natural em energia elétrica (LACTEC, 2003). Células a combustível pré-comerciais como as de óxido sólido (SOFC), chegam a eficiências de 70% quando utilizadas em ciclo combinado (Figura 1).

4 Eficiência Célula a combustível Turbina a gás c/ melhoramento no ciclo Sistema híbrido Turbina a Gás/SOFC Sistema avançado de turbina Turbina a gás ciclo combinado Motor de combustão interna Microturbinas Turbina a gás ciclo simples Potência de Saída, MW Figura 1 - Eficiência do ciclo simples para diferentes tecnologias como função da potência elétrica de saída. Fonte: Fuel Cell Handbook, Os ganhos ambientais são também evidentes. A única emissão proveniente da reação hidrogênio/oxigênio é a água. Quando é necessário retirar o hidrogênio de algum hidrocarboneto o gás natural por exemplo o processo de reforma produz poluentes como NO x, SO x, CO 2 e material particulado (MP), mas em níveis muito mais baixos que as tecnologias tradicionais como pode ser visto no gráfico da Figura 2. Emissões de poluentes SOFC PAFC Motor GN 27, Motor Diesel CO2 kg/mwh SO2 g/mwh NOx g/mwh PM10 g/mwh Figura 2 Comparação das emissões dos principais poluentes para as tecnologias selecionadas: PAFC: célula a combustível de ácido fosfórico; SOFC: célula a combustível de óxido sólido; motor GN e Diesel: motor de combustão interna queimando gás natural ou Diesel. Fonte: Bluestein, 2002.

5 4.3. DESVANTAGENS E DESAFIOS DA TECNOLOGIA Como toda tecnologia emergente, as células a combustível necessitam ainda de grandes ganhos de escala para redução dos custos. Com a introdução da tecnologia das células a combustível, paulatinamente o hidrogênio terá um novo mercado. Há um grande esforço da comunidade internacional para que a economia do hidrogênio seja baseada em fontes renováveis de energia. Veículos com células a combustível alimentadas com hidrogênio caracterizam-se como veículos de emissão zero (ZEV), ideal para os grandes centros urbanos. No entanto, se este hidrogênio for obtido do petróleo haverá apenas um deslocamento das emissões para o local onde é feita a reforma do respectivo hidrocarboneto. Outra maneira também utilizada para a geração do hidrogênio é a eletrólise da água. Nesse caso, se a fonte de energia elétrica for de natureza renovável (hidroeletricidade), teremos então o circulo virtuoso da ausência da emissão de CO 2. da mesma forma se o hidrogênio for obtido a partir da biomassa (etanol, por exemplo): o CO 2 liberado no processo de reforma é novamente absorvido pela planta durante seu crescimento DIFICULDADE DO ARMAZENAMENTO DO HIDROGÊNIO Um dos maiores obstáculos para ampla disseminação dessa tecnologia é sem dúvida a questão da obtenção do hidrogênio e do seu armazenamento. Tradicionalmente o hidrogênio é obtido a partir do petróleo e do gás natural através do processo de reforma. Atualmente esse gás é usado basicamente como insumo químico nas refinarias e na indústria. O hidrogênio é um gás que se liquefaz em temperaturas extremamente baixas (-252º C) e para liquefazê-lo é gasta uma considerável quantidade de energia. Na forma gasosa, para que a quantidade mássica armazenada seja significativa, são necessários reservatórios com pressão elevada (entre 200 e 300 bar). Novos reservatórios baseados em metais leves como alumínio, polímeros de alta densidade e fibra já conseguem armazenar hidrogênio com pressões de até 700 bar. Em um veículo urbano com célula a combustível isto significa uma autonomia de aproximadamente 500 km. Outra forma de armazenamento são os hidretos metálicos. A vantagem é que o hidrogênio é armazenado em metais a baixa pressão e, em sua maior parte, não na forma gasosa. Sua desvantagem é o excessivo peso do tanque. Por isso, utilizar a própria substância que contém o hidrogênio, como o etanol, retirando-o à de acordo com a demanda de sua utilização, permite o uso da infra-estrutura existente para esse combustível primário, desde sua produção, transporte até seu armazenamento. 5. O ETANOL COMO FONTE DE HIDROGÊNIO 5.1. O PROCESSO DE REFORMA A reforma é um processo endotérmico, catalítico, onde se tem, globalmente, a reação do combustível com água produzindo hidrogênio (H 2 ) e dióxido de carbono (CO 2 ) de acordo com a equação abaixo: C 2 H 5 OH + 3H 2 O 6H CO 2 (1)

6 Esse processo é razoavelmente conhecido e muito utilizado em refinarias de petróleo para produção de hidrogênio a partir do gás natural e da nafta (reforma a vapor). No reformador desenvolvido no LH2, o etanol, juntamente com a água, são aquecidos à temperatura de aproximadamente 600 C e, sob a presença de catalisadores especiais, as moléculas são quebradas em compostos como H2, CO, hidrocarbonetos voláteis etc. O objetivo é obter a máxima produção de hidrogênio, o que é alcançado após uma etapa de purificação. Na Figura 3 é mostrado o sistema de geração de energia elétrica com o reformador de etanol, célula a combustível (PEMFC) e conversor CC/CA (protótipo). Figura 3 Foto do protótipo desenvolvido no LH VANTAGENS SOBRE O USO TRADICIONAL O processo de queima do etanol em motores de ciclo Otto tem baixa eficiência devido às restrições termodinâmicas inerentes ao processo, que impedem que toda a energia recebida como calor seja transformada em trabalho. O limite superior de eficiência de uma máquina térmica é dado pela eficiência de Carnot: T f η =1 (2) T q onde η é o rendimento da máquina térmica, T f é a temperatura da fonte fria em graus absolutos (K) e T q a temperatura da fonte quente em graus absolutos (K). Já em uma célula a combustível, não há essas restrições, pois há a conversão direta da energia química em energia elétrica. A eficiência máxima teórica dessa conversão em uma célula a combustível operando com hidrogênio tendo como produto água na forma líquida a 25 C e pressão de 1 atm é de 83% (Larminie, 2002).

7 5.3. VANTAGENS AMBIENTAIS No caso do uso do etanol como fonte de hidrogênio, a grande vantagem reside no fato de ser um combustível renovável, ou seja, a produção de CO 2 advinda da reforma do etanol não aumenta sua concentração na atmosfera, pois é reabsorvido pela planta no seu crescimento. Além disso o etanol é um combustível líquido não tóxico que já conta com excelente infraestrutura de distribuição no país. 6. O SISTEMA REFORMADOR DE ETANOL E CÉLULA A COMBUSTÍVEL Os sistemas de geração de energia elétrica com células a combustível mostram-se ainda com altos custos, seja pela própria célula a combustível, seja pelo sistema de reforma. A maioria dos sistemas em demonstração no mundo com células tipo PEMFC são protótipos. Os custos de capital para sistemas de células a combustível são ainda muito elevados já que nas primeiras unidades vendidas estão embutidos os custos de pesquisa e desenvolvimento, pois essa tecnologia carece dos benefícios da economia de escala que virá a medida que esses sistemas sejam introduzidos no mercado. Por isso ao efetuar-se a comparação do custo de geração (R$/kWh) entre as várias tecnologias, optou-se por utilizar apenas o custo do insumo, ou seja o combustível, desprezando-se os custos de capital e manutenção do sistema. Acredita-se que, se o sistema em estudo não apresente certa competitividade levando-se em conta apenas o custo do insumo utilizado não terá competitividade no porvir. Para a comparação das tecnologias tradicionais de geração com o protótipo montado, foram tomados os dados da Tabela 2. Nela estão os valores adotados para a confecção do gráfico da Figura 4. A tabela também apresenta, a título de comparação, o valor da tarifa cobrada pela concessionária de energia elétrica local. As tecnologias tradicionais de geração estão representadas no gráfico por linhas retas de acordo com as eficiências descritas na Tabela 2. Já o custo de geração do protótipo é representado por uma curva em função da eficiência (abscissa). O valor do custo da energia foi calculado pela expressão: P C = (3) n. E onde C = custo da energia do sistema em R$/kWh P = Preço do insumo no mercado em R$/litro ou R$/m 3. E = Conteúdo energético do insumo em kwh/m 3 ou kwh/litro n = rendimento total da conversão.

8 Tecnologia Tabela 2 Valores adotados para a confecção do gráfico da Figura 4. Eficiência da Conversão % Conteúdo energético do insumo (10) Motor Diesel Caso 1 ( ,9 (6) rpm) 10,65 kwh/litro Caso 2 ( ,3 (7) rpm) Motor gasolina 21,1 (8) 9,68 kwh/litro Motor GN 35 Custo insumo 1,384 (1) R$/l Custo Geração da Energia Elétrica R$/kWh 0,434 0,368 1,887 (2) R$/l 0,924 10,93 kwh/m 3 1,059 (3) R$/m 3 0,277 Protótipo 5 a 100 6,52 kwh/litro 0,946 (4) R$/l 2,9 a 0,145 Energia Elétrica ,30175 (5) Notas: (1), (2), (3), (4) Período dezembro/2003 em Campinas. Fonte Site ANP; (5) Preço do kwh cobrado pela CPFL, concessionária de energia elétrica da região de Campinas; (6), (7), (8) Fonte: Muselli (1999); (10) Poder Calorífico Superior. Figura 4 - Variação do custo de geração em função da eficiência de conversão do protótipo. A eficiência do processo de reforma do protótipo (etanol em hidrogênio) foi de 47%. A célula a combustível utilizada no protótipo apresenta eficiência a plena carga de 45%. Tomando-se uma eficiência de conversão do conversor CC/CA de 95% a eficiência global (energia química do combustível em energia elétrica) do protótipo é: η = η xη xη = 0,47x0,45x0,95 0,20 (4) global reforma PEMFC DC / CA =

9 Analisando o gráfico da Figura 4, a curva do custo de geração do protótipo, levando-se em consideração apenas o custo do combustível, apresenta competitividade apenas com o gerador a gasolina. Para atingir o custo de geração do gerador a Diesel, o protótipo deve alcançar eficiência global superior a 40%. Para isso a eficiência do processo de reforma ( η reforma ) deve ser superior a 80%. Teoricamente essa eficiência pode atingir 94% (Camargo et al, 2002), o que corresponderia a uma eficiência global de 40% do protótipo (Equação 4). 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Este trabalho apresentou sucintamente a alternativa da geração de energia elétrica com célula a combustível utilizando a alternativa renovável brasileira para fornecimento de hidrogênio: o etanol. Apesar de ser um combustível de mais baixa densidade energética que seus concorrentes (Tabela 2), as maiores eficiências de conversão nos processos envolvidos no protótipo garantem certa competitividade. Essa competitividade também é garantida pelo custo mais baixo do insumo (álcool) no mercado. O protótipo construído no Laboratório de Hidrogênio da UNICAMP necessita ainda de muitas melhorias, mas já apresentou resultados satisfatórios. A pesquisa mostra que o etanol como fonte de hidrogênio para células a combustível tem um futuro promissor dentro da futura economia do hidrogênio. O futuro planejamento energético brasileiro deveria focar essa alternativa já que a tecnologia das células a combustível, ao que parece, será em breve uma alternativa viável de geração de energia elétrica. Obter o hidrogênio para seu funcionamento será uma questão estratégica e o Brasil, mais uma vez, possui amplas condições de fornecê-lo a partir de fontes renováveis de energia particularmente nesse caso do uso do etanol. 8. BIBLIOGRAFIA Bluestein, J. Environmental Benefits of Distributed Generation Energy and Environmental Analysis, Inc. Referência disponível na internet às 8h 13 min de 10/10/ Camargo, J. C., Silva, E. P., Cavaliero, C. K. N., Carolino, I. R., Vichi, F. M. Termodinâmica do Uso do Hidrogênio Obtido Via Reforma Etanol Para Aplicações em Sistemas Com Células a Combustível In: IX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas, 2002, Caxambu. Anais IX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas., Fuel Cell Handbook. DOE Departament of Energy. 5ª edição. EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Morgantown, West Virginia, EUA, 352 p LACTEC, 2003 Implantação de Sistemas de Geração Distribuída Junto a Rede de Distribuição. Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica CITENEL 2003, Salvador, Bahia Lloyd, A. C. The Power Plant in Your Basement. Nova York: Scientific American. vol. 281, n 1, Julho p Muselli, M. et al., Design of hybrid-photovoltaic power generator, with optimization of energy management. Journal Solar Energy 65, (1999). Larminie, J. Fuel Cells Systems Explained. Editora John Willey & Sons. West Sussex, Inglaterra ª ed. 405 p.