Uma obra que descreve detalhadamente o princípio de funcionamento e de produção de eletricidade com células combustível, as diferentes tecnologias já desenvolvidas e seus fabricantes, as aplicações comerciais, industriais e em transportes, entre outras.

Discute ainda as possibilidades de aplicação dessa tecnologia no Brasil. Contém lista dos produtores mundiais de células.



APRESENTAÇÃO

Uma nova era na geração de energia está começando: a eletricidade obtida diretamente por residências e empresas, com a utilização de sistemas que produzem um tipo de energia confiável, independente, de alta qualidade, renovável e não poluente. As novas tecnologias da chamada microenergia incluem células combustível, microturbinas, energia solar e eólica.

Quanto à energia obtida por combustão – motores de movimento alternado que tradicionalmente utilizavam óleo diesel – agora operam com gás natural. As microturbinas – turbinas a gás avançadas, derivadas dos motores a jato dos aviões – estão começando a ser produzidas em série e fornecidas para instalações comerciais nos Estados Unidos. Os motores Stirling estão se tornando populares em residências e instalações comerciais nos países europeus.

O modelo atual da produção de energia no mundo, dependente de jazidas de combustíveis fósseis, esgota os recursos naturais e deteriora as condições ambientais. Esses combustíveis não são renováveis e seu beneficiamento e uso gera contaminantes atmosféricos, como o dióxido de carbono, principal responsável pela ocorrência do efeito estufa, que provoca o aquecimento global. Além disso, existem fatores estratégicos e econômicos que devem ser considerados, pois suas jazidas estão concentradas em poucas regiões do mundo, assim como os preços estão sujeitos a grandes instabilidades.

A melhora do padrão de vida da humanidade requer o aperfeiçoamento da qualidade da energia fornecida e dos serviços que podem ser oferecidos a partir do uso dessa energia, dentro de um processo de crescimento sustentável.

Todas essas condições levam à busca desenfreada de novas tecnologias para a geração de energia que faça uso mais eficiente dos recursos naturais, utilizando recursos renováveis. A célula combustível destaca-se dentre as diferentes tecnologias para a geração de energia de forma sustentável.A célula combustível é um tipo de energia que diferentemente do que indica o nome, não envolve combustão. É um dispositivo eletroquímico que combina hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água. Já há centenas de unidades funcionando em todo o mundo e a tecnologia está em pleno desenvolvimento. O melhor combustível para a célula é o hidrocarbono, que pode ser produzido por uma variedade de recursos fósseis (carvão, petróleo e gás natural), renováveis (biomassa), e a partir de eletricidade, por eletrólise da água, usando energias renováveis (solar, eólica, hidráulica, geotérmica e outras).

A célula combustível tem uma infinidade de aplicações, entre elas, consta a geração estacionária de energia elétrica para uso residencial, comercial, industrial. Nos meios de transporte, a célula combustível pode ser empregada para a geração de energia em substituição ao motor de combustão interna, o que beneficiaria caminhões, ônibus, automóveis, trens, navios e aviões. Os equipamentos eletroeletrônicos como telefones celulares, computadores, sensoreamento remoto, entre outros, também podem ser alimentados via célula combustível em substituição às baterias. A célula combustível é uma tecnologia em evolução, assim como outras tecnologias e produtos também estão evoluindo: sistemas de transporte híbrido, turbinas a gás e microturbinas, que estão sendo desenvolvidos para sistemas de geração distributiva.

Os esforços em ciência, tecnologia, desenvolvimento e engenharia de produtos e processos associados com célula combustível são altamente justificáveis nesse momento, uma vez que esta forma de geração de energia está atingindo o estágio comercial em vários países. Esse tipo de energia é considerado estratégica pelos países que se interessem em desenvolver esta área velozmente, porque o domínio da tecnologia à base de célula combustível significará a chance de se obter retornos econômicos significativos, além de criar novas indústrias baseadas em tecnologia e bons empregos.

A substituição de matrizes tradicionais – como a hidrelétrica, o carvão e o petróleo – pelas renováveis trazem ganhos econômicos consideráveis. Mesmo que a tecnologia de célula combustível exija elevados investimentos em desenvolvimento e implantação, a sua industrialização compensa pela geração de atividade econômica e ajuda na balança de pagamentos devido à utilização de recursos e equipamentos locais. A experiência de outros países na área indica que a tendência é de que as pequenas e as médias empresas serão as frentes na adoção das fontes alternativas.

Além de sua infindável utilização, a célula combustível e outras fontes de energia como a eólica e a solar, também podem ajudar a reduzir as emissões globais de dióxido de carbono, já que um terço delas provém da geração de eletricidade. Nos países em desenvolvimento, a energia em pequena escala poderá cortar as emissões de carbono em 42. A microenergia proporcionará a esses países a oportunidade de saltar diretamente para fontes energéticas mais baratas e limpas, em vez de construir mais usinas térmicas e estender as linhas de transmissão existentes. Nas regiões rurais, onde muitas pessoas não têm acesso aos serviços de eletricidade, sistemas em pequena escala já são economicamente superiores à extensão das linhas de transmissão, além das vantagens ambientais sobre o querosene e o diesel.

Mas mesmo com os benefícios e vantagens da microenergia, ainda há muitas barreiras à sua adoção em larga escala. A começar pelas regras de mercado na maioria dos países que favorecem a manutenção do modelo centralizado. Além disso, muitas concessionárias elétricas encaram os sistemas de microenergia como uma ameaça econômica. Entretanto, devido às razões mencionadas anteriormente, o risco de investir em novas usinas elétricas térmicas centralizadas é grande num mundo que busca o desenvolvimento sustentável.

Entre as áreas que se destacam para a aplicação da célula combustível estão a propulsão de veículos e geração de energia. A propulsão de veículos, no entanto, é o maior alvo dos pesquisadores. Este livro tem seu foco centrado sobre a geração de energia porque é uma aplicação da célula combustível menos divulgada, mas com grandes possibilidades de se tornar uma fonte de sucesso em energia renovável, limpa e eficiente, num prazo relativamente curto.

Observação: a expressão “célula combustível” foi utilizada pelo autor por ser a tradução mais conveniente da palavra original inglesa “fuel cell”. O autor entende que a expressão possui melhor significado técnico. Outras expressões utilizadas no Brasil são: “célula a combustível”, “célula de combustível” e “pilha a combustível”.



SOBRE O AUTOR

Ricardo Aldabó Lopez é formado em Engenharia Eletrônica, trabalhando em manutenção e desenvolvimento de projetos na área de Geração Hidrelétrica da Companhia Estadual de Energia Elétrica, Rio Grande do Sul, desde 1980.

Autor do livro Sistemas de Redes para Controle e Automação (Editora Book Express, Rio de Janeiro, 2000); e dos livros (Editados pela Artliber Editora) Qualidade na Energia Elétrica (2001), Gerenciamento de Projetos (2001), Energia Solar (2002) e Energia Eólica (2002).



ÍNDICE

Introdução

1 - Civilização: dependência de energia e ambiente
Custos ambientais
Aspectos sociais
O desenvolvimento sustentável
Processo produtivo sustentável
A energia renovável
A civilização dependente de uma nova forma de energia
A era do hidrogênio

2 - O Combustível hidrogênio
Produzindo a energia do hidrogênio
Segurança do hidrogênio
Barreiras

3 - A Célula combustível
Origem e história
Funcionamento
Processamento do combustível
Reforma do combustível
Componentes da célula combustível
Eficiência

4 - Tecnologias da célula combustível
PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)
AFC (Alkaline Fuel Cell)
PAFC (Phosporic Acid Fuel Cell)
MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
ITSOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell)
TSOFC (Tubular Solid Oxide Fuel Cell)
DAFC (Direct Alcohol Fuel Cell)
Diferenças entre as tecnologias
Reações químicas
Novas tecnologias
ZAFC (Zinc - Air Fuel Cells)
PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cells)

5 - Potencial de oportunidades no Brasil
Barreiras
Resumo da proposta apresentada pelo Programa Brasileiro de Células Combustível (9 de julho de 2002)
Rede de células combustível e eletroquímica
Rede de combustíveis de hidrogênio
Rede de sistemas, integração e uso

6 - Sistemas de células combustível
Processador de combustível
Conexão com a rede elétrica convencional
Inversor
Reaproveitamento do calor
Co-geração
Ciclos de potência em células combustível
Sistemas híbridos

7 - Aplicações básicas da célula combustível
Energia elétrica estacionária
Padronização
Energia para sistemas de transporte
Unidade de energia auxiliar
Célula combustível miniatura - equipamentos portáteis
Considerações sobre custo

8 - Geração distributiva


Apêndice A
Guia de fabricantes, organizações e centros de pesquisa

Apêndice B
Normas e códigos para células combustível

Glossário

Bibliografia