Célula a combustível e economia

Existem relativamente poucos trabalhos detalhados publicados, atualmente, a respeito da viabilidade econômica de sistemas de células a combustível para residências e/ou automóveis. Sabe-se apenas que ainda não são viáveis economicamente, mas só isso é pouco. Alguns parâmetros importantes não são levados em consideração no custo total da instalação de sistemas de células a combustível para diversas aplicações. A questão ambiental é um destes parâmetros, muitas vezes negligenciado, pois não há, em nossa legislação, critérios impeditivos para utilizarmos energéticos não eficientes e poluidores até limites bastante altos. Isso tem que mudar num futuro próximo, ou nossas vidas serão ainda mais afetadas drasticamente pelo desequilíbrio ambiental galopante.

A pergunta que se faz é: o que mudaria com o estabelecimento de uma economia do hidrogênio plena no nosso atual modo de produção?

A resposta é, obviamente, muito difícil hoje, mas podemos, entretanto imaginar algumas situações interessantes. Vamos considerar as três aplicações possíveis para os sistemas de células a combustível, a saber, portátil, veicular e, finalmente, estacionária (geração distribuída).

Portátil

As aplicações portáteis dos sistemas de células a combustível são apropriadas para a substituição de pilhas e baterias, utilizadas, geralmente, em aparelhos eletrônicos, como telefones celulares, laptops, palmtops, os promissores tablets, fonte de energia para aplicações isoladas, brinquedos, etc. /LINARDI 2002/. As potências nominais são baixas e podem chegar até, no máximo, a 2 kWe. O combustível selecionado para as células portáteis é o metanol, em células do tipo DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), que geram densidades de corrente não muito elevadas, entretanto, mais adequadas a esta aplicação (http://www.ambienteenergia.com.br/index.php/2011/02/consideracoes-sobre-as-celulas-a-combustivel-os-conversores-da-energia-do-hidrogenio/9173). Portanto, neste caso de aplicação, não se utiliza hidrogênio como combustível e, consequentemente, não existem as limitações de toda uma infraestrutura de produção, armazenagem e distribuição deste insumo, reduzindo custos e facilitando a logística.

A principal vantagem do uso do metanol diz respeito ao fato de ser líquido e de fácil armazenamento, embora tóxico. A desvantagem do caráter tóxico do metanol direciona as pesquisas científicas para o uso de etanol direto nestas aplicações, bem menos agressivo ao ser humano. Mesmo neste caso, ainda há necessidade de desenvolvimento de novos materiais, sejam eletrocatalisadores, sejam membranas de eletrólito, para aplicações reais. Deixemos de lado, por enquanto, esta possibilidade.

Como exemplo de fabricantes de sistemas de células a metanol direto para aplicações portáteis, pode-se citar a empresa Fujitsu, que desenvolveu um sistema de 15 We para laptop, com até 10 horas de funcionamento contínuo, com um cartucho de solução 30 % de metanol de 300 mL de volume. Para breve, a empresa britânica Voller Energy pretende introduzir butano (combustível de isqueiros) como combustível de sistemas portáteis /HOFFMANN 2005/. Outras empresas que desenvolvem sistemas de DMFC para aplicações portáteis são a Ballard, a AirGen, a Toshiba, entre outras.

Nesta aplicação, os novos dispositivos representam um mercado enorme de crescimento e também de substituição dos aparelhos a baterias existentes. As vantagens técnicas são muitas. Não haveria mais a necessidade de recarregamento dos aparelhos, conferindo uma autonomia de uso inédita e muito desejada. Quem já não viu alguém desesperado em busca de uma tomada para recarregar seu celular ou conectar seu laptop, num aeroporto, por exemplo, sem sucesso? Aliás, quanto aos laptops, a vida útil de suas baterias é reduzida rapidamente ao longo do uso, tornando suas baterias em pouco tempo, inoperantes. Por sua vez, os recém-lançados tablets irão, certamente requerer autonomia e confiabilidade além das obtidas nos sistemas atuais, pois tendem a substituir, em grande parte, os laptops e até mesmo os desktops.

Os custos para a entrada deste tipo de tecnologia no mercado não representam uma barreira significativa, pois se normalizando por kWe instalado, já são comparáveis a sistemas de células a combustível. Portanto, neste caso, as limitações parecem ser ainda de ordem técnica. Uma vez solucionados tais problemas, espera-se a entrada em massa destes produtos no mercado, onde apenas a reposição de um cartucho de metanol (ou etanol, quem sabe?) tornaria o aparelho operacional novamente.

Veicular

Células de baixa temperatura de operação, que utilizam uma membrana polimérica como eletrólito, as células PEMFC, são as mais promissoras como alternativa para motores a combustão interna (ciclo Otto), por apresentarem alta densidade de potência, por serem robustas e de fácil acionamento e desligamento, além das vantagens inerentes como alta eficiência com baixa emissão de poluentes /BARBIR 2005/. Devido à baixa temperatura de operação, mesmo utilizando-se ar como alimentação do cátodo, tem-se emissão zero para óxidos nitrosos (NOx).

A tentativa de se produzir um automóvel movido a célula a combustível não é nova. Kordesch /KORDESCH 1996/ foi o primeiro a construir um carro deste tipo, já no final dos anos 60. No início dos anos 70, em Dresden, Schwabe e colaboradores montaram um ciclomotor com células movidas a hidrazina e posteriormente um microônibus VW, testado com sucesso até meados dos anos 90. Todos estes veículos utilizavam células alcalinas. Técnicos da Universidade de Georgetown construíram, no início dos anos 90, o primeiro ônibus urbano movido a célula a combustível do tipo PAFC, utilizado no transporte público. Como combustível fez-se uso do metano, estocado em tanques sob pressão, que sofria reforma catalítica e conversão no próprio veículo.

Antes que surgisse uma pequena frota deste tipo de veículo, a empresa canadense Ballard mostrou que células tipo PEMFC, movidas a hidrogênio eram mais adequadas a esta aplicação automotiva, que as células tipo PAFC. Esta comprovação baseia-se, por um lado, na maior densidade de potência da PEMFC, mas acima de tudo, na sua melhor dinâmica, tornando desnecessária a instalação de baterias adicionais para a ignição do veículo.

A Ballard desenvolveu, com sucesso, um bloco de células tipo 275 HP, de 200 kWe de potência elétrica, para a eletrotração de ônibus /BARBIR 2005/. A principal diferença para os ônibus convencionais é o teto mais elevado, onde estão alojados os tanques de pressão (200 bar) para hidrogênio. Vários ônibus já foram testados no mundo operando com células a combustível movidas a hidrogênio, sob diversas condições de pista e clima.

Automóveis elétricos movidos a PEMFC são veículos de emissão zero, ZEV (Zero Emission Vehicles), segundo a rígida norma regulamentar do estado da Califórnia nos EUA, desde que utilizem hidrogênio como combustível, ou mesmo um gás rico em hidrogênio, mas sem reforma e conversão de metano ou metanol a bordo do próprio veículo. Assim, estes tipos de automóveis, ZEV, são candidatos mais prováveis para leis rígidas de controle de emissões, cada vez mais importantes e comuns.

A empresa Daimler-Benz alemã, em cooperação com a empresa Ballard canadense, desenvolveu não só um ônibus movido a PEMFC, como também vem executando várias etapas para o desenvolvimento de um automóvel de passeio viável, movido a célula de membrana polimérica /BARBIR 2005/. A base para esta decisão foi uma possível resposta positiva para a pergunta da viabilidade econômica da tração automotiva a PEMFC, comparativamente a motores de combustão interna. Como resultado de seus esforços, esta empresa apresentou ao público dois automóveis a PEMFC, movidos a hidrogênio, o NECAR I e o NECAR II, apresentados no Salão Internacional do Automóvel na Alemanha, em 1997, além do NECAR III movido a metanol.

Enquanto que NECAR I não tem a funcionalidade de um automóvel como conhecemos, já que está quase totalmente preenchido pelos equipamentos (conjunto de células, tanques de hidrogênio, etc.), o modelo NECAR II (tipo Kombi), apresentado em 1996, já pode transportar cinco pessoas além do motorista. Os cilindros de hidrogênio a pressão são alojados no teto e o conjunto de células embaixo dos bancos traseiros. O desenvolvimento seguinte, o modelo NECAR III, de quatro lugares e 50 kWe de potência, não necessita dos cilindros de hidrogênio e tem o metanol como combustível líquido, que é convertido em hidrogênio a bordo. Já em 1999 a DaimlerChrysler lançou o NECAR IV, em Washington, movido a hidrogênio líquido, com 70 kWe de potência e autonomia de 450 km. Este veículo tem por base o “Classe A” da Mercedes-Benz, cuja produção do similar convencional teve início no Brasil desde a inauguração da montadora em Minas Gerais.

Atualmente, quase todos os grandes fabricantes de automóveis de passeio do mundo estão interessados no desenvolvimento de veículos elétricos, movidos a célula a combustível. Vários desenvolvimentos de protótipos estão em andamento /BARBIR 2005/, podendo ser citados o da Toyota, RAV4-FCEV, um utilitário-esportivo; da Opel (GM), Zafira, uma minivan com plataforma do Astra; da Ford. P2000, também um utilitário-esportivo com plataforma do Mondeo. Outros programas são desenvolvidos pela Honda, Jeep, etc.

Toyota e Nissan fizeram uma aliança tecnológica para o desenvolvimento de carros híbridos (movidos à eletricidade e gasolina), segundo informações do jornal Nihon Keizai Shimbun. As duas empresas atuarão em conjunto para desenvolver tecnologia destinada a reduzir as emissões dos veículos e melhorar a eficiência do consumo de combustível. A Nissan espera vender 100 mil unidades de carros híbridos num futuro próximo. As montadoras em todo o mundo têm esperanças de usar os veículos híbridos para ajudá-las a atender às normas ambientais cada vez mais exigentes, por exemplo, da Califórnia.

A Ford trabalha no seu Edge Série Hy, mas já possui uma frota de picapes E-450 e outros veículos a hidrogênio. A General Motors planeja colocar 100 SUVs Chevrolet Equinox na Califórnia, Nova York e Washington e espera ter uma frota de mil veículos. Em junho de 2008 a empresa japonesa Honda apresentou a imprensa o seu novo carro a célula a combustível, denominado FCX e garante sua comercialização em breve, em pequena escala, nos EUA, posteriormente no Japão. O novo FCX é mais esportivo que o anterior, atinge até 160 km/h, com autonomia de 435 km (antes 340 km) e é 180 kg mais leve. O automóvel estará disponível no sistema “leasing”. O custo de cada unidade será de US$ 1,5 milhões.

O uso de hidrogênio como combustível para a eletrotração, em substituição aos motores de combustão interna (Otto), não é muito simples. O metanol, muito mais adequado como armazenador de energia na forma líquida, foi sugerido e testado como combustível automotivo, via reforma e conversão a bordo. Entretanto, a reforma on board já se mostrou inviável economicamente. Obviamente, seria muito interessante o desenvolvimento de uma PEMFC, que efetuasse a conversão direta de metanol eletroquimicamente, dispensando todas as etapas intermediárias de reforma e purificação. Na realidade isso é possível, mas apenas a baixas densidades de corrente, sem aplicações automotivas práticas.

Mais recentemente, observa-se uma tendência de desenvolvimento de carros híbridos do tipo célula a combustível – bateria, com vantagens significativas de desempenho e autonomia, como uma fase transitória de conquista de mercado e confiança, postergando para uma segunda etapa os veículos somente a célula a combustível.

Para finalizar, perguntamos: e se esta opção não for considerada (ou mesmo se ela não existisse). Qual seria o futuro do planeta com o crescimento do padrão de vida de nações dos chamados Brics e outras? O problema é que esta indústria, a automotiva, praticamente move nossas economias hoje e não podem parar. Mas podem mudar! Se não o fizerem, por pura ganância de lucros, sem considerar o meio ambiente, o caos já está anunciado. Não é difícil imaginar isso. Basta observar a cidade de São Paulo nos últimos 10 anos.

Estacionária - Define-se um sistema global como um grupo de unidades combinadas de modo a operar em harmonia para uma determinada finalidade. Um sistema de célula a combustível compreende o processamento, o armazenamento e fornecimento do combustível, o armazenamento e fornecimento do oxidante (oxigênio ou ar), o conjunto (módulo) de células, propriamente dito, o inversor, o sistema operacional e de controle, componentes auxiliares como trocadores de calor e compressores, equipamentos de gerenciamento de água, etc /BARBIR 2005/. A complexidade do sistema pode variar muito, dependendo do tipo e da aplicação da célula, da potência (de alguns W até centenas de kW), além do combustível escolhido e sua forma de armazenagem.

Os desafios, hoje, no campo de projeto de sistemas são: elevar a eficiência do sistema; operar a temperaturas mais elevadas para as PEMFC e mais reduzidas para as SOFC (http://www.ambienteenergia.com.br/index.php/2011/02/consideracoes-sobre-as-celulas-a-combustivel-os-conversores-da-energia-do-hidrogenio/9173); aperfeiçoar o gerenciamento de água e energia térmica; gerenciamento ótimo do combustível; reduzir complexidade do sistema e, por fim, mas não menos importante, reduzir custos.

O gás hidrogênio comercial, produzido atualmente, é extraído em grande parte do gás natural. Os hidrocarbonetos são a maior fonte de matéria prima para a produção de hidrogênio, atualmente, em escala industrial (gás natural e petróleo). Para um aumento de escala, pode-se considerar extraí-lo de diversas fontes de energia, renováveis ou não. Algumas considerações interessantes devem ser pensadas, quando da escolha do melhor processo de obtenção de hidrogênio para o futuro. Por exemplo, os efeitos ambientais danosos dos combustíveis fósseis, além da disponibilidade e custo destes combustíveis. O hidrogênio também é produzido como subproduto em diversos processos industriais, como, para citar alguns: indústria de cloro/soda a partir de NaCl (aq), refino de petróleo, produção de coque e processos de deidrogenação, por exemplo, do etileno.

A maior estação de abastecimento de hidrogênio do mundo foi inaugurada em 2005, em Berlim, Alemanha /FCSEMINAR 2007/. É um posto Aral, com capacidade para abastecer 100 veículos com hidrogênio, tanto líquido como comprimido, além de gasolina e diesel nas bombas adjacentes. Atualmente existem 16 carros e um ônibus a hidrogênio na cidade. A primeira estação pública foi inaugurada em 1998 em Munique, no aeroporto /WINTER 2000/.

Uma implicação econômica muito importante no futuro será, obviamente, o preço da energia elétrica, num cenário sustentável, que pode mudar bastante o panorama atual dos processos hoje não economicamente viáveis. (http://www.ambienteenergia.com.br/index.php/2010/11/economia-do-hidrogenio-uma-introducao/7160).

Devido ao custo ainda muito elevado de instalações de células a combustível em relação aos sistemas de aquecimento convencionais, considera-se apenas a demanda de eletricidade no dimensionamento deste novo energético. Para um investimento econômico, a instalação de células deve ter uma potência nominal a mais próxima possível da demanda média da residência. Nos intervalos onde a potência nominal é inferior à demanda, deve-se suprir esta diferença da rede de distribuição convencional.

Observa-se que nos períodos do dia de menor consumo nas residências, o excesso de energia produzido nas instalações residenciais pode ser incorporado à rede pública. Este fato pode ser lucrativo para o gerenciador da rede, que vê no conjunto de instalações de células a combustível uma grande reserva de energia. Este conjunto de instalações individuais, controladas separadamente, pode ser vista como uma grande usina de energia distribuída. Entretanto, esta tecnologia deve apresentar ao público amadurecimento e confiabilidade, sem ultrapassar certos limites de custo de aproximadamente US$ 2.500,00 por kW instalado.

Considerando-se uma demanda de consumo entre 1,8 e 2,0 kWe nos horários de pico, pode-se avaliar que a potência ótima da instalação de células a combustível, sob o ponto de vista econômico, está entre 1 e 2 kWe. Entretanto, este valor ótimo depende do custo da eletricidade extra comprada, bem como do custo da própria instalação de células, levando-se em conta a amortização do capital investido. Para condomínios, determina-se o valor ótimo da potência da instalação proporcionalmente ao número de famílias ou moradores, podendo chegar a até aproximadamente 200 kWe, mudando a classe de células a ser empregada, possibilitando redução de custos. Salienta-se que unidades de até 1 MWe já foram demonstradas tecnicamente, do tipo MCFC (http://www.ambienteenergia.com.br/index.php/2011/02/consideracoes-sobre-as-celulas-a-combustivel-os-conversores-da-energia-do-hidrogenio/9173).

Resumindo, o sistema distribuído, com células a combustível não vem substituir de vez o sistemas convencional de geração de eletricidade (nem se presta para isso, por serem de pequeno porte), mas apenas complementá-lo, de maneira eficiente e limpa. Substituições de fato, podem ocorrer claro, desde que justificadas economicamente e ambientalmente.

Indústria nacional - O Brasil já possui algumas empresas que desenvolvem sistemas de células a combustível do tipo PEMFC, tanto para alimentação com hidrogênio puro como reformado de gás natural. A empresa brasileira Electrocell produziu o primeiro sistema de potência completo e células a combustível do tipo PEMFC, com interface com a rede elétrica. Este sistema de 50 kWe de potência foi inaugurado no Centro Incubador de Empresas de Caráter Tecnológico (CIETEC), no IPEN/SP pelo então ministro da Ciência e Tecnologia, Eduardo Campos, em 2004. A construção deste sistema foi financiada pela AES Eletropaulo e foi, posteriormente, doado ao IPEN/SP para estudos sistêmicos. As outras empresas são a Unitech e a Novocell. Também há uma empresa especializada em reformadores para a produção de hidrogênio, a Hytron, em Campinas.

Conclusões - As aplicações portáteis de sistemas de células a combustível a álcool direto já estão quase maduras e competitivas. A sua entrada no mercado deve ser a primeira em comparação às outras aplicações.

Para aplicações veiculares há necessidade de redução significativa de custos, isso é certo, para maior penetração de mercado no futuro, comparativamente à aplicação estacionária deste sistema. Entretanto, outros parâmetros, como sustentabilidade, devem ser considerados na estratégia de crescimento desta indústria tão importante nos dias de hoje. As oportunidades existem e são reais para os investidores e as pessoas de visão.

Pequenas instalações de células a combustível para aplicações residenciais abrirão um movo mercado no ramo de serviços de energia e de fornecimento de gás, se o custo da instalação for suficientemente competitivo. Mesmo a preços um pouco acima dos convencionais, esta tecnologia já pode assegurar um mercado específico e promissor, onde suas características principais (como baixo impacto ambiental e melhor aproveitamento do combustível) passam a ter um papel relevante na escolha final.

Seguramente, ainda existe um longo caminho para se alcançar as metas de redução de custos, entretanto, pode-se afirmar que as interações entre universidades, institutos de pesquisa e empresas, além dos futuros usuários, serão decisivas neste desenvolvimento, considerando-se a presente fase de desenvolvimento tecnológico-científico.

Outra observação importante leva a outra conclusão sobre um novo mercado de energia, que considera a sustentabilidade e, embora ainda não levado a sério, deve surgir num futuro não muito distante. Não menos importante será a mudança na estratégia de geração de energia de, atualmente, centralizada para distribuída. Pode-se também afirmar, devido aos grandes investimentos nessa área e ao apelo ambiental, que, no médio prazo, poderá haver uma competitividade nos custos para instalações de células a combustível de baixa potência para aplicações residenciais, possivelmente, mesmo antes do carro elétrico movido a célula a combustível.

O que ainda falta acontecer no cenário global para que governos e empresas tratem a sustentabilidade com sua devida importância? A morte recente de um terrorista custou bilhões de dólares, duas guerras e suas consequências nefastas e levou 10 anos. Nas entrelinhas destas decisões políticas estão, seguramente, questões energéticas. Isso tudo vale a pena porque assim é mais barato? (ambienteenergia)