Principais Motivos para a Utilização das Pilhas de Células de

3.10.1 Vantagens Globais a) Generalidades

A produção de energia eléctrica através da tecnologia das pilhas de células de combustível proporciona um elevado nível de eficiência global, comparativamente com as outras formas tradicionais de produção de energia. O sistema na sua forma tradicional engloba normalmente um processador de combustível, os terminais de potência, limitadores de potência e na maioria dos casos, equipamentos para aproveitamento dos gases quentes provenientes da reacção química. É importante a optimização das características técnicas da pilha de células de combustível e do sistema de apoio com a finalidade de aumentar a eficiência, mas também tentar minimizar o custo da electricidade nas aplicações. Uma das principais razões da penetração das pilhas de células de combustível é poderem permitir a produção de energia eléctrica a um menor custo, com um menor consumo de combustíveis fósseis, motivo pelo qual podem fazer frente às outras tecnologias tradicionais de produção de energia.

b) Modularidade e transportabilidade

Pelo facto da energia ser obtida através de uma reacção química significa que a pilha de células combustível possui uma excelente resposta dinâmica às variações de cargas, ou seja, uma solução óptima para sistemas com grandes variações da carga em curtos espaços de tempo. Além disso, a sua implantação no próprio local, significa que tenha o mínimo de perdas no transporte e distribuição de energia eléctrica.

Estas podem ser feitas em pequenas unidades modulares em grandes quantidades (permite a redução de custo por unidade), facilmente transportáveis e montadas num determinado local em tempo muito reduzido. Se por qualquer motivo deixarem de ser necessárias em um determinado local, poderão num curto espaço de tempo ser facilmente deslocadas para um outro, onde exista deficiência de

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energia. Um aspecto importante a ter em consideração é que nas pilhas de células de combustível não se nota tanto a variação da sua eficiência global face a outros tipos de formas de produção em função do tamanho da instalação produtora, o que poderá ser um factor importante a ter em conta na altura da opção da tecnologia de produção.

c) Múltiplas Utilidades

Decorrente do processo de funcionamento normal das pilhas de células combustível, gera-se uma quantidade significativa de calor que pode ser aproveitado para produzir vapor ou água quente, como nas aplicações de cogeração, nomeadamente na indústria, na conversão em energia eléctrica, pelo uso de uma turbina a vapor. Esta optimização permite que haja um aumento da eficiência do sistema quando este é aplicado em processos industriais, edifícios, centros comerciais e centros hospitalares.

Figura 3.27 – Fotografia tirada em Abril de 2003 na Feira de Hannover. Sistema de cogeração de Pilha de Células de Combustível de Óxidos Sólidos “HXS 1000 PREMIERE” da Sulzer. Esta unidade destina-se a aplicações em casas unifamiliares, funcionando a gás natural. Segundo o fabricante têm uma potência eléctrica máxima de 1kW e uma térmica de 2,5 kW, sendo o rendimento para a parte eléctrica de 25 a 30 % e o global (eléctrico + térmico) de aproximadamente 85%.

d) Rendimento

Efectuando uma análise dos rendimentos na área de produção energética, as pilhas de células de combustível apresentam um elevado rendimento na conversão de combustível em energia eléctrica. No típico motor de combustão interna o

rendimento eléctrico é de apenas 30%, nas pilhas de células de combustível este rendimento varia entre os 40% a 70%. Estas têm claramente vantagem sobre os processos existentes, tanto no rendimento como na qualidade de energia que delas advém. Isto pode explicar-se devido à transformação directa nas células de energia química em eléctrica, isto é, requerem menos transformação de energia que uma máquina de combustão. Toda a transformação de energia tem uma perda associada assim, quanto menores forem as transformações, melhor é o rendimento.

As pilhas de células de combustível têm o rendimento máximo em vazio, descendo de forma relativamente lenta e linear à medida que a carga aumenta. Esta variação de rendimento é significativamente mais estável do que quando se usa uma máquina eléctrica convencional, devido ao rendimento nas máquinas convencionais descer bastante com níveis carga elevados ou baixos, em relação ao nível óptimo de funcionamento.

Para além disso, a utilização do calor proveniente das reacções internas da pilha de célula de combustível, aumenta o rendimento do sistema para os 80% a 85%.

e) Simplicidade

Os princípios essenciais de funcionamento de uma pilha de células de combustível são muito simples, com a inexistência de movimento mecânico no interior desta e com a conversão directa da energia (sem combustão). Isto pode e tem conduzido a sistemas altamente seguros e de longa duração.

3.10.2 Ambientais a) Avaliação Nacional

As questões ambientais têm gradualmente assumido uma importância crescente a nível mundial, tendo vindo a ser incorporadas nas políticas nacionais, comunitárias e internacionais, sendo disso exemplo o recente protocolo de Quioto [UNFCCC,97]. A componente ambiental mais directamente ligada ao Sector Eléctrico é o ar, uma vez que é um dos sectores que mais contribui para as emissões atmosféricas. Neste contexto destacam-se as emissões de partículas, compostos de enxofre (essencialmente SO2), compostos de azoto (NOX) e dióxido

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de carbono (CO2). As emissões de SO2 e NOX têm impactos ambientais de âmbito

regional, tendo o CO2 um âmbito global.

Compostos de enxofre (SO2) – de origem antropogénica resultam

essencialmente da queima de combustíveis fósseis. Verifica-se que a combustão na

produção de energia eléctrica representam cerca de 56% das emissões de SO2 da

indústria nacional [ERSE,00].

Compostos de azoto (NOX) – de origem antropogénica resultam das queimas a

altas temperaturas de combustíveis fósseis em instalações fixas nos quais se incluem as centrais de produção de energia eléctrica, que contribuem com cerca de

19% das emissões de NOX que ocorrem a nível Nacional [ERSE,00].

Dióxido de carbono (CO2) – é um dos gases que contribui mais

significativamente para o chamado efeito de estufa que está associado ao aquecimento global do Planeta e consequentes alterações climáticas. Pela informação disponibilizada não é possível distinguir com clareza a parcela correspondente às centrais de produção de energia eléctrica, no entanto estima-se

que 34% das emissões de CO2 são referentes à energia e indústrias

transformadoras a nível nacional [ERSE,00].

Todas as centrais de produção de energia eléctrica a partir de combustíveis fósseis são uma ameaça para a saúde pública, havendo assim, a necessidade de desenvolver meios e tecnologias que minimizem os impactos ambientais.

b) Baixo Impacto Ambiental das Pilhas de Células de Combustível

Devido a um impacto ambiental mínimo, as pilhas de células de combustível proporcionam um meio alternativo para a produção de energia eléctrica, sendo hoje em dia muito atractivas devido à crescente consciência da necessidade de um meio ambiente limpo.

Quando é usado o hidrogénio como combustível os subprodutos da reacção são a água pura e o calor, o que significa que a pilha de combustível pode ser vista como tendo “zero emissões”. Isto poderá ser uma grande vantagem se forem aplicadas aos veículos que circulam dentro das cidades. Porém, deve ter-se em consideração que actualmente na grande maioria dos casos são usados os combustíveis fósseis, quer sejam directamente sobre os eléctrodos das células com

o processamento interno do combustível (DFC) ou pela extracção do hidrogénio através do processador de combustível externo à célula.

As únicas emissões de uma pilha de células de combustível quando usa o combustível fóssil são os vestígios

de compostos de enxofre (SO2),

composto de azoto (NOX) e dióxido

de carbono (CO2), cujos valores

estão em mais profundo contraste com os processos correntemente utilizados na produção de energia.

Para além disso, estas pilhas

de células de combustível

funcionam sem nenhuma parte móvel, e não requerem um processo de combustão ruidoso, o

que faz com que ao nível da poluição acústica sejam muito silenciosas emitindo apenas os ruídos provocados pelo funcionamento dos sistemas auxiliares, sendo por

exemplo de 60 db o valor do ruído a 30 metros numa PC25 [Fonte:

www.fetc.doe.gov/]. Estes atributos combinados fazem com que a pilha de células de combustível seja um processo de produção de energia amigo do ambiente. Por terem rendimentos bastante elevados face as tecnologias tradicionais, emitirem

níveis muito baixos de CO2 (quando usam os combustíveis fósseis), proporcionando

uma elevada eficiência ambiental.

Assim, são ideais para serem implementadas em zonas sensíveis ou históricas, ou seja proporcionam um baixo impacto ambiental e estão caracterizadas por sistemas próximo de zero de emissão de poluentes para o meio envolvente.

3.10.3 Fiabilidade

Sabendo que a fonte primária de combustível para as pilhas de células de combustível são o gás natural, o propano, o gás de carvão, o metanol e outros combustíveis contendo hidrocarbonetos, bem como, outros métodos já referidos

(decomposição da água para a obtenção de H2 , etc...) isto significa que a produção

de energia pode ser assegurada mesmo quando falte um determinado combustível

Figura 3.28 – Comparação das emissões gasosas libertadas pelas células de combustível com o valor médio das centrais dos U.S.A que usam combustíveis fosseis e turbina a gás de

ciclo combinado

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primário (diversificação). Além disso, são sistemas que têm uma baixa taxa de avarias, o que permite garantir a continuidade de serviço em aplicações extremamente sensíveis à interrupção da energia eléctrica, embora estas estejam sujeitas a grandes operações de manutenção periódicas (ex. substituição dos electrólitos).