O conceito de um novo sistema de conversão de energia chamado célula a combustível começa a despertar interesse cada vez maior na população em geral, deixando de ser um tema restrito à comunidade técnico-científica e empresarial. Ele vem sempre associado à crescente preocupação de preservação ambiental, a automóveis elétricos não poluidores e à geração distribuída de energia elétrica com maior eficiência.

Este livro tem por intenção a introdução de profissionais e estudantes ao tema das células a combustível a hidrogênio, contribuindo para a formação de recursos humanos nesta área estratégica.



APRESENTAÇÃO

Introdução - Capítulo 1

O conceito de um novo sistema de conversão de energia chamado Célula a Combustível começa a despertar interesse cada vez maior na população em geral, deixando de ser um tema restrito à comunidade técnico-científica e empresarial. Este conceito vem sempre associado à crescente preocupação de preservação ambiental, a automóveis elétricos não poluidores e à geração distribuída de energia com maior eficiência. Porém, o conceito de células a combustível é bem mais abrangente, e se insere na chamada “economia do hidrogênio”. O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo e foi identificado pela primeira vez pelo cientista britânico Henry Cavendish, em 1776, sendo denominado de “ar inflamável”[1]. O gás hidrogênio (H2) não está presente na natureza em quantidades significativas sendo, portanto, um vetor energético, ou seja, um armazenador de energia. Para sua utilização, energética ou não, deve ser extraído de uma fonte primária que o contenha. A energia contida em 1,0 kg de hidrogênio corresponde à energia de 2,75 kg de gasolina. Entretanto, devido à sua massa específica (0,0899 kgNm-3 a 0°C e 1 atm), a energia de um litro de hidrogênio equivale à energia de 0,27 litro de gasolina[2].
A obtenção do gás hidrogênio é bastante flexível, sendo esta uma de suas características mais interessantes. Pode ser obtido a partir de energia elétrica (via eletrólise da água), pelas fontes: hidroelétricas, geotérmicas; eólica e solar fotovoltaica, todas geológicas e também da eletricidade de usinas nucleares. Pode ainda ser obtido da energia da biomassa (via reforma catalítica ou gaseificação, seguido de purificação), como: etanol; lixo urbano; rejeitos da agricultura, etc. As fontes de hidrogênio mais viáveis economicamente hoje são, entretanto, os combustíveis fósseis (via reforma catalítica ou gaseificação e purificação): petróleo; carvão e gás natural. Esta flexibilidade em relação à sua obtenção permite que cada país escolha a melhor maneira de produzir o hidrogênio segundo suas próprias disponibilidades. Assim, para citar alguns exemplos, a Rússia tem a opção de hidrogênio de origem nuclear[3]; a Argentina, por sua vez, pelo hidrogênio de origem eólico[4] e o Brasil direciona-se na produção de hidrogênio a partir do bioetanol[5].
Atualmente, as aplicações não energéticas do hidrogênio correspondem, aproximadamente, a 50, o refino do petróleo a 40 e aplicações energéticas a 10[6], [7]. Portanto, a utilização energética do hidrogênio não é uma novidade. Quando se ouve falar em hidrogênio vem à mente, de imediato, a ideia de uma fonte renovável e limpa de energia. Não é bem assim, esta ideia somente é verdadeira se o hidrogênio for obtido de fonte renovável e, neste caso, tem-se o chamado hidrogênio verde ou green hydrogen. Se a fonte é fóssil, tem-se o hidrogênio negro ou black hydrogen, que ainda é produzido com emissões nocivas ao meio ambiente.

A Economia do Hidrogênio
A história da humanidade mostra vários períodos de utilização de diferentes fontes primárias de energia. Assim, pode-se citar a madeira como a primeira utilizada pelo homem[8]. Segue-se a este período a era do carvão que, associada a desenvolvimentos tecnológicos, possibilitou a revolução industrial na Inglaterra. Denomina-se de “economia do carvão” este período da história, em que grande parte da energia que alimentava a economia provinha, do carvão. Seguiu-se a “economia do petróleo”, que é a atual com a ascensão da “economia do gás natural”. Interessante notar que houve uma decarbonização progressiva das fontes primárias de energia, sendo o metano, hoje, o mais limpo ambientalmente[9]. Vive-se também uma crescente “economia nuclear”, que tem, entretanto, um crescimento lento devido a fatores de aceitação pública e de não-proliferação[8]. Seu futuro é incerto, embora muitos estudiosos afirmem, com certa razão que, em grande escala, não será possível evitar esta forma de produção de energia num futuro próximo[10], [11]. Outra observação interessante diz respeito à geografia. Todos os recursos naturais de fontes de energia primárias estavam ou estão localizados em certas regiões do planeta, beneficiando, naturalmente, os países destas regiões. Este fato, inevitavelmente, gerou e gera conflitos político-econômicos e até guerras.
Considerando-se que as fontes fósseis são finitas e, portanto, os preços aumentam gradativa e seguramente, seu consumo é ineficiente sob o ponto de vista energético, a localização de suas reservas geram conflitos políticos e, por fim, mas não menos importante, que a queima destes combustíveis gera emissões nocivas ao meio ambiente (exceto a nuclear), pode-se sonhar com uma Economia do Hidrogênio. Projeta-se para a década de 2080 que 90 da energia provirá do hidrogênio[8]. Seguramente, o gás natural fará, como fonte principal de hidrogênio hoje, uma ponte entre o hidrogênio negro e o verde, de origem não fóssil. Por volta de 2080, então, as emissões poluidoras do meio ambiente seriam insignificantes; a eficiência de conversão energética química/elétrica seria pelo menos o dobro da atual e os conflitos geopolíticos seriam atenuados. Todos os fatores listados acima corroboram com a introdução da economia do hidrogênio na nossa sociedade. Quais seriam então os pontos críticos para este desenvolvimento? O primeiro é o fato de o hidrogênio ser um vetor energético, ou seja, não estar disponível na natureza, elevando o seu custo a valores não competitivos comercialmente para fins energéticos em grande escala. Outros pontos críticos seriam a segurança em seu manuseio, seu armazenamento e transporte assim como o desenvolvimento tecnológico e o preço das células a combustível, equipamento mais adequado para sua conversão em energia elétrica (e térmica). O debate é amplo, necessário, e às vezes controverso, não apenas da comunidade científica, como também dos políticos responsáveis pelas ações estratégicas e empresários do setor.
Entretanto, podem-se citar alguns consensos sobre a futura economia plena do hidrogênio. A primeira é que esta já começou, não se tratando, portanto, de assunto do futuro, como se ouve, frequentemente. As tecnologias de células a combustível, da produção, do armazenamento e transporte de hidrogênio já existem, embora ainda não maduras[6]. A degradação do meio ambiente e suas consequências, como o aquecimento global é um fato insustentável a médio e longo prazos[12]. Portanto, o que falta para acelerar a introdução desta nova economia no planeta? Resumidamente, redução de custos, tanto da produção de hidrogênio como de células a combustível; amadurecimento destas mesmas tecnologias para aplicações automotivas, estacionárias e portáteis, e instalação de infraestrutura adequada à sua utilização. Neste ponto uma comparação faz-se útil. Imagine os tempos iniciais da invenção do automóvel. Não havia infraestrutura para a rolagem dos automóveis, que acarretava, por sua vez, preços proibitivos. A gasolina não era nem abundante nem barata e tampouco se encontrava em cada esquina. Pois bem, aproximadamente cem anos depois, o automóvel tornou-se acessível, existem estradas para sua rolagem e pode-se abastecê-lo em qualquer lugar, ou seja, aprendemos a lidar com o combustível. Com a produção em massa dos equipamentos e o aumento do mercado, os preços caíram. Esta mesma curva de aprendizado aplica-se, obviamente, à nova economia do hidrogênio.
Uma outra grande mudança ocorrerá com a introdução da economia do hidrogênio. As células a combustível se prestam à geração distribuída de energia elétrica, com unidades de relativo pequeno porte (alguns Watts até alguns MW), se comparadas com as centrais elétricas atuais (de até milhares de MW)[9]. Entende-se por geração distribuída de energia elétrica a geração in loco, independente da rede, com a compra, então, de um combustível, hidrogênio, ou mais adequadamente, um combustível primário rico em hidrogênio, a ser reformado localmente, fato que evita dispendiosas linhas de transmissão, e que, consequentemente, aumenta a confiabilidade desta energia produzida localmente, evitando ou minimizando apagões. Outra observação leva à seguinte reflexão. Como o hidrogênio pode ser obtido de diversas maneiras, qualquer país ou região do planeta pode obtê-lo. Neste caso, com a introdução da Economia do Hidrogênio tem-se, pela primeira vez na história da humanidade, uma democratização das fontes de energia, que seguramente vai gerar mais progresso e menos tensões políticas[1].
Os obstáculos à introdução da economia do hidrogênio não se configuram como dificuldades intransponíveis[6]. Ao contrário, apontam um elenco de oportunidades para o surgimento de novas empresas de bens e serviços, como demonstrado pelas tecnologias emergentes do setor. O Brasil está elaborando seu roteiro para a economia do hidrogênio e possui um programa nacional de pesquisa e desenvolvimento para a tecnologia de célula a combustível e hidrogênio. Atualmente, várias instituições brasileiras estão atuando em áreas de pesquisa e desenvolvimento neste setor com vários projetos em andamento. Novas empresas brasileiras já apresentam produtos para esta nova tecnologia (Electrocell, Unitech e Novocell, entre outras).

O etanol no Brasil
A opção brasileira pelo hidrogênio obtido, principalmente, do etanol deveu-se a vários fatores, que tornam esta escolha interessante. O etanol é um combustível líquido, de fácil armazenamento e transporte, já havendo toda a infraestrutura para produção, armazenamento e distribuição em todo o território nacional. Além disso, o etanol possui outras características muito importantes, como ser pouco tóxico e ser um biocombustível, portanto, renovável. É um insumo rico em hidrogênio. A participação do etanol na matriz energética nacional tem crescido muito nos últimos anos (em 2006, correspondia a 14[13] e, em 2007, a 16, tornando-se a segunda fonte de energia da matriz nacional), principalmente devido a dois fatores: a sua mistura à gasolina (de 20 a até 25) e o grande desenvolvimento e sucesso comercial dos carros chamados flex ou bicombustíveis.
O etanol brasileiro, produzido a partir da cana-de-açúcar, é o biocombustível mais produtivo do mundo hoje, com 6.000 litros/hectares-ano, a um custo de US$ 0,22 por litro (anidro). Esta produtividade pode crescer até 14.000 litros/hectares-ano, com o desenvolvimento de novas tecnologias. Apenas por comparação, o etanol do milho nos EUA tem uma produtividade de 3.000 litros/hectares-ano. Outro ponto interessante é o seu excelente balanço energético. Cada Joule não renovável, usado na produção de etanol, resulta em 9 Joules renováveis. Outra vez, a título de comparação, esta relação para o álcool dos EUA é de 1,5 e para o biodiesel na Alemanha é de 3,0[14].
A produção atual de etanol no Brasil é de aproximadamente vinte bilhões de litros por ano, o que corresponde a uma área ocupada para plantação de 5,4 milhões de hectares (0,6 do território nacional). A área apta a esta cultura é de 12 do território nacional. A cobertura vegetal do Brasil é de 851 milhões de hectares, dos quais 464 milhões de hectares (54) são florestas; 297 milhões de hectares (35) são para agricultura e pastagem; 73 milhões de hectares (9) são campos e savanas e 17 milhões de hectares (2) são cidades, rios e outros. Principalmente as áreas de pastagem degradadas são previstas para o aumento da demanda desta plantação, sem, então, prejudicar recursos naturais ou produção de alimentos[13]. Podem-se salientar, ainda, outros motivos para a utilização do etanol como armazenador renovável de hidrogênio, além da grande produção e distribuição em todo o país. A experiência prévia em normas e comercialização; o fato de ser menos tóxico que o metanol; questões ambientais, (efeitos de emissões da queima do etanol ainda não estão bem estudados)[15] e de eficiência em relação à sua combustão direta, e, finalmente, ser viável para distribuição em regiões isoladas.

As células a combustível
O desenvolvimento da tecnologia de células a combustível tem crescido nos últimos 40 anos devido a vários fatores, como o desenvolvimento na área de novos materiais e a crescente demanda por fontes de energias limpas e eficientes. Embora a tecnologia de células a combustível não esteja ainda completamente estabelecida, verifica-se que a sua implementação no mercado não deve tardar, pois já está assegurada em nichos onde o fator meio ambiente é preponderante. Além disso, este energético pode, num médio prazo, dependendo de seu desenvolvimento tecnológico, representar um papel importante no cenário mundial de energia. Células a combustível são, em princípio, baterias, ou seja, conversores diretos de energia química em energias elétrica e térmica, produzindo corrente contínua pela combustão eletroquímica a frio de um combustível, geralmente hidrogênio[16]. Entretanto, elas diferem das baterias por possuirem alimentação contínua externa de um combustível. Células unitárias apresentam um potencial aberto de 1 a 1,2 V e liberam, sob solicitação, de 0,5 a 0,7 V(CC). Estes valores de potencial são, sob o ponto de vista prático, muito baixos. A necessidade de empilhamento em série de várias unidades de células (200 a 300, também chamado módulo) torna-se óbvia, a fim de se obter potenciais práticos da ordem de 150 a 200 V[17]. Uma das vantagens inerentes às células a combustível é a sua eficiência relativa ao combustível. Geralmente, classificam-se os vários tipos de células a combustível pelo tipo de eletrólito utilizado e, consequentemente, pela temperatura de operação[16]. Os principais tipos de células de baixa temperatura de operação (de temperatura ambiente até 200°C) são[18]: as células alcalinas (alkaline fuel cell), ou simplesmente AFC; as células a membrana polimérica trocadora de prótons (proton exchange membrane fuel cell), ou PEMFC; as células a ácido fosfórico (phosphoric acid fuel cell), ou PAFC. Os principais tipos de células de alta temperatura de operação (de 200°C até 1000°C) são[18]: as células a carbonato fundido (molten carbonate fuel cell), ou MCFC; as células de óxido sólido (solid oxide fuel cell), ou SOFC. Esses dois tipos de células, MCFC e SOFC, encontram-se, atualmente, em uma fase de desenvolvimento tecnológico e comprovação técnico-econômica[19].

Bibliográfia do Capítulo 1
1) Jeremy Rifkin; A economia do hidrogênio, M. Books, São Paulo, 2003.
2) Emílio Hoffmann Gomes Neto; Evoluir sem poluir - a era do hidrogênio, das energias sustentáveis e das células a combustível, BrasilH2 Fuel Cell Energy, Curitiba, 2005.
3) Hydrogen Technologies for Energy Production International Forum. Moscou, Rússia, 6 a 10 de fevereiro, 2006.
4) Hydrógeno y Fuentes Sustentables de Energia, 1er Congreso Nacional, Bariloche, Argentina, 8 a 10 de junho, 2005.
5) PROH2 - Programa Brasileiro de Células a Combustível e Hidrogênio do MCT (www.mct.gov.br), 2002.
6) G.W. Crabtree and M. S. Dresselhaus; The hydrogen fuel alternative, MRS Bulletin, v. 33, pp. 421, 2008.
7) Carl-Jochen Winter; On energies-of-change - the hydrogen solution. Gerling Akademie Verlag, Munique, Alemanha, 2000.
8) C. Marchetti; N. Nakicenovic; The dynamics of energy systems and the logistic substitution model, International Institute for Applied System Analysis, Austria.
9) Frano Barbir; PEM fuel cells - theory and practice; Elsevier, Amsterdã, Holanda, 2005.
10) Mycle Schneider and Antony Froggatt; The world nuclear industry status report 2007, commissioned by the Greens-EFA group in the European Parliament, v. 11, Bruxelas, Londres, Paris, janeiro, 2008.
11) Digby D. MacDonald; Fueling the hydrogen economy, Materials Today, p. 64, junho, 2004.
12) Intergovernmental Panel on Climate Change. Special report, 2000.
13) Ministério de Minas e Energia, Balanço Energético Brasileiro de 2006.
14) International Energy Agency, 2005.
15) Macedo, I. C.; Leal, M. R. L. V.; Ramos da Silva, J. E. A.; Assessment of greenhouse gas emissions in the production and use of ethanol in Brazil, Government of the State of São Paulo, report of the Secretariat of the Environment, abril, 2004.
16) Vielstich, W.; Lamm, A.; Gasteiger, H. A.; Handbook of fuel cells - fundamentals, technology and applications, v. 1, Inglaterra, John Wiley & Sons Ltd, 2003.
17) Wendt, H.; Götz, M. e Linardi, M.; Tecnologia de células a combustível, Química Nova, 2000, 23(4).
18) Linardi, M.; Wendt, H.; Aricó, E.; Células a combustível de baixa potência para aplicações residenciais, Química Nova, no 3 p. 470-476, 2002.
19) Fuel Cell Seminar 2007, San Antonio, Texas, EUA, november, 2007

SOBRE O AUTOR

Marcelo Linardi é graduado em engenharia química pela Universidade Estadual de Campinas, Unicamp (1983), com mestrado em Ciências Nucleares pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA (1987), doutorado em engenharia química pela Universidade de Karlsruhe, Alemanha (1992) e pós-doutorado pela Universidade de Darmstadt, Alemanha (1998).

Atua como pesquisador titular no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/CNEN-SP. Tem experiência na área de química e engenharia química, com ênfase em energias alternativas, atuando principalmente nos temas: célula a combustível, eletroquímica, eletrocatálise, hidrogênio e etanol.

Orienta teses de doutorado, dissertações de mestrado, trabalhos de iniciação científica, estágios e pósdoc, na pós-graduação da USP/IPEN. Atua no PROH2, Programa Brasileiro de Células a Combustível e Hidrogênio do Ministério de Ciência e Tecnologia.

Atualmente, responde pelo cargo de gerente do Centro de Células a Combustível e Hidrogênio CCCH do IPEN. Para mais detalhes acesse: http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/busca.do?metodo=apresentar
ÍNDICE

Prefácio, 11
1 - Introdução, 13
2 - Células Galvânicas, 21
3 - Cinética do Eletrodo, 33
4 - Células a Combustível, 63
5 - Sistemas de Células a Combustível, 109
6 - Perspectivas, 135