Vantagens e desvantagens da célula de combustível em relação a

Máquinas térmicas são dispositivos capazes de converter calor em trabalho (TOFFOLI, 2009). Não se pode deixar de salientar que calor é a energia térmica em trânsito, de uma fonte quente para uma fonte fria. Na Figura 49 apresenta-se a ilustração da máquina térmica de acordo com o princípio da 2ª Lei da Termodinâmica.

Fonte : Toffoli (2009)

Figura 49– esquema da 2ª Lei da Termodinâmica

Quando esse fluxo de calor se desloca da fonte quente para a fonte fria a máquina térmica realiza um ciclo de potência gerando energia mecânica, ou seja, um trabalho na forma de movimento (SONNTAG; BORGNAKKE; WYLEN, 2003).Quando se quer transformar essa energia de movimento em energia elétrica, normalmente se empregam sistemas com bobinas e imãs e isto é possível pois se faz variar o fluxo magnético em relação a bobina (Lei de Faraday), isto gera na bobina uma tensão elétrica induzida e em conseqüência disso uma corrente elétrica induzida, tal como está ilustrado na Figura 50 (TIPLER, 2000).

Fonte: Silva (S.D.)

Figura 50 - corrente elétrica induzida.

Quando se retira calor da fonte fria, direcionando-o à fonte quente, as máquinas térmicas são chamadas de refrigeradores. Para essas máquinas já são necessários

gastos de energia, porém não deixa de ser uma máquina térmica (SONNTAG; BORGNAKKE; WYLEN, 2003).

Como o enfoque principal dessa pesquisa é a produção de energia considerando uma melhor eficiência e uma redução dos impactos ambientais, será comparado o rendimento das CaC com as máquinas térmicas que produzem energia, mais especificadamente com os motores de combustão interna (MCI).

Como já foi dito anteriormente, a célula de combustível utiliza como combustível o hidrogênio e oxigênio, e no final do processo, alem de energia são gerados água e calor. Quando comparadas com motores de combustão interna (MCI), as células de combustível que utilizam o hidrogênio puro levam vantagem por não produzirem gases nocivos ao meio ambiente, o que é significativo do ponto de vista ambiental, que sofre cada vez mais com o aumento do efeito estufa pela descarga descontrolada de CO2 dos escapamentos, resultando em um aumento na temperatura global com conseqüências imensuráveis para o planeta.

Será analisado agora o rendimento energético das células de combustível em relação a algumas máquinas térmicas, em especial ao motor de combustão interna. Para o cálculo do rendimento de qualquer máquina térmica toma-se a relação entre a energia de entrada e a energia de saída.

Segundo Pertence (2008), a energia de entrada de motores movidos a gasolina, diesel, gás natural seria a energia ou calor liberado pela sua queima ou combustão. O rendimento teórico dos carros movidos a gasolina pode ser calculado quando é sabido a taxa de compressão do pistão sobre cilindro (SONNTAG; BORGNAKKE; WYLEN, 2003).

Sendo:

V1 o volume do cilindro quando pistão está totalmente abaixado (volume máximo do cilindro);

V2 o volume do cilindro quando o embolo esta totalmente comprimido (volume mínimo no cilindro);

r a relação de compressão V1/V2 ;

Para apresentar uma média dos rendimentos dos carros com motores a gasolina

(ȠOTTO), equação 2, será tomada a média das taxas de compressão (r) igual a 11, γ = 1,4 (SONNTAG; BORGNAKKE; WYLEN, 2003).

ȠOTTO = 1- 1/[(V1/V2) γ -1] = 1- 1/(rγ -1) (2)

Substituindo os dados na equação 2 se obtém por resultado:

ȠOTTO = 1 - 1/11 (1,4-1).

=61,6%

Relacionando esse valor com a energia de entrada poderia se dizer que ao se realizar a combustão, o combustível libera uma energia de entrada tal que se a mesma fosse aproveitada na sua totalidade a eficiência do motor seria de 61,6% nas condições discriminadas.

Analisa-se agora a combustão do octano pois ele compõe a maior parte da gasolina. O octano, C8H18(l), libera uma energia de 5471 kJ/mol (RUSSEL, 1994). Porém, grande parte dessa energia armazenada nesses combustíveis se perde por atrito das partes mecânicas móveis do motor, pelo aquecimento do próprio motor, pelo barulho, vibração, outra parte se perde na saída de gases quentes que o escapamento libera e também se perde energia por radiação (SONNTAG; BORGNAKKE; WYLEN, 2003).

A energia de saída é a energia que é de fato transformada em trabalho, ou seja, que é aproveitável para determinado uso. É também chamada de energia útil. Dificilmente o rendimento de máquinas térmicas na pratica supera os 35 %, nos motores a gasolina esse valor é ainda menor e fica na faixa de 27 % (MARTINS, 2006). Ou seja, da energia liberada na queima de 1mol de gasolina (5.471 kJ) somente é aproveitado 1477,17 kJ.

A cada 4 litros de gasolina colocados no motor de um carro somente cerca de 1 litro é de fato aproveitado pra fazer o carro movimentar. Em geração termoelétrica, na qual se queima um combustível qualquer para gerar vapor e dessa forma gerar energia

elétrica através das turbinas que são acopladas aos geradores elétricos, a eficiência máxima teórica do processo é dada pelo rendimento de Carnot (equação 3).

Ɛ ≤ (T1 – T2)/ T1 (3)

sendo T1 a temperatura em kelvins que entra na turbina e T2 a temperatura que sai da mesma. Essas temperaturas são de respectivamente aproximadamente 800 e 400 K. Então a eficiência teórica máxima é cerca de 50%, na prática esse valor diminui muito por conta de atritos mecânicos, e perdas de calor, alem da poluição ambiental por se queimar combustível (VILLULLAS; TICIANELLI; GONZÁLEZ, 2002).

Em contraste a todos esses meios de obtenção de energia (máquinas térmicas), as células de combustíveis são muito mais eficientes pois não são dispositivos que produzem trabalho a partir de energia térmica, embora produza calor como produto da reação.

A totalidade da energia liberada em uma reação química e o trabalho útil máximo esta relacionado a variação da entalpia (∆H) e a variação da energia de Gibbs da

reação (∆G), que serão tomados nas CNTP, 1atm e 25°C estão relacionados na

equação 4.

Tomando a célula de combustível com hidrogênio /oxigênio a 25º C e tendo em vista que se formará água líquida, pode-se descrever a reação (RUSSEL, 1994):

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ

∆H = energia total liberada=(286 kJ/mol)

∆G = trabalho útil máximo= ∆H - T∆S (4) sendo:

T = temperatura

∆S = variação da Entropia

∆G = -286 kJ/mol –(298K).(-0,16443kJ/mol.K) = -237kJ/mol (SONNTAG; BORGNAKKE; WYLEN, 2003).

A figura 51 mostra as perdas de energia (Q) devido à Segunda Lei da Termodinâmica.

Figura 51 – ilustração esquemática das perdas de energia devido as perdas de calor

Eficiência de conversão de energia química em energia elétrica (ȠCONVERSÃO) é dado pela equação 5 (RUSSEL, 1994):

ȠCONVERSÃO = ∆G/∆H (5) ȠCONVERSÃO = 237,34/286,02 = 83%

Porém, em condições praticas esse valor se reduz a 50 %. Mesmo as CaC tendo essa vantagem em eficiência pra gerar energia elétrica não é possível deixar de enfatizar que as CaC além de gerarem um fluxo elétrico, podem também produz calor, pois ocorre na célula uma reação exotérmica. Desta maneira, pode-se usar as CaCs em co-geração de energia. Quando usada em co-geração de energia, a eficiência das CaCs pode chegar, na prática, em torno dos 80%. Na figura 52 apresenta-se uma comparação entre as eficiências de varias fontes de energia.

Fonte: Serpa (2004)

Figura 52 – comparação entre eficiências

Não se pode deixar de ressaltar o fato de as CaC não apresentarem partes móveis e por isso apresentam um ótimo grau de confiabilidade em relação aos motores de combustão interna. Apresentam, sobretudo, baixo grau de ruído, beneficio desejável em equipamentos portáteis, hospitalares e residenciais (SERPA, 2004). No gráfico da Figura 53 apresenta-se comparação de diferentes fontes de energia, e para se ter noção da intensidade do ruído das CaCs, foi comparado também com uma conversa social.

Fonte: Serpa (2004)

O comportamento das CaCs é similar ao das pilhas, porém apresenta a vantagem de não precisarem ser recarregadas. Enquanto a célula estiver recebendo hidrogênio e oxigênio ela gerará energia elétrica e calor, diferentemente das baterias utilizadas em conjunto com os MCI que de tempos em tempos precisam ser recarregadas, sem contar que a CaC é um sistema muito mais simples, no que diz respeito ao tamanho, do que vários tipos de máquinas térmicas.

As CaC apresentam a desvantagem de terem baixa taxa de reação, que levam a produzirem baixas intensidades de corrente e potência por área. Por exemplo, células do tipo PEMFC unitárias possui de 1 a 1,2 V de potencial e na pratica fica em torno de 0,5 a 0,7 V, isso em corrente contínua CC. Essa voltagem proporciona uma corrente muito baixa, sendo necessário o empilhamento de inúmeras células em série, em torno 200 a 400 células para se ter uma corrente e uma voltagem considerável, da ordem de 150 a 200 V praticamente. (WENDT; GOTZ; LINARDI, 2000).

Isso é uma das principais desvantagens em relação aos MCI, o fato de ser preciso inúmeras células para se ter uma corrente elétrica aproveitável encarece muito o valor final de uma montagem de CaCs para um veículo, por exemplo, já que a platina, catalisador da célula, é um metal muito raro e caro.

Em geral, para se gerar o kWh tem-se um custo muito maior nas CaC do que as demais fontes convencionais de geração de energia por conta do custo dos materiais (SERPA, 2004).

Porém, à medida que pesquisas sobre as CaCs aumentam, a tendência é esse custo diminuir. Mesmo porque em capítulos posteriores serão analisados métodos de conversão de energia aplicadas a célula de combustível com o intuito de aperfeiçoar essa tecnologia.

O combustível que as alimenta, hidrogênio, não se encontra livre na natureza, ele está sempre associado com outros elementos químicos, sendo assim necessário algum procedimento para apurar o hidrogênio (ANTONIO; MIGUEL, 2003).

A energia necessária para produzir o hidrogênio pode reduzir a eficiência do processo pois recorre ao uso intensivo de energia e deriva, muitas vezes, de

combustíveis fósseis. Se isso ocorrer, o problema da poluição ambiental não se resolveria. Isto vai variar de acordo com a maneira com que se processa o hidrogênio.

As CaCs, dependendo do tipo de célula, precisa utilizar hidrogênio puro, pois caso contrário seu desempenho se reduz podendo em certos casos deixar de funcionar. Isso ocorre, pois os catalisadores, na maioria das vezes de platina ou níquel, se contaminam facilmente, principalmente com monóxido de carbono (CO).

Para se mostrar isso será tomada como exemplo uma célula de combustível do tipo PEMFC (Próton Exchange Membrane Fuell Cell – célula de combustível que utiliza uma membrana como trocadora de prótons entre os eletrodos), que com até mesmo mínimas quantidades de monóxido de carbono CO pode prejudicar permanentemente os catalisadores de platina dos eletrodos.

Deve-se salientar o fato de que o hidrogênio, tanto líquido como gás, necessita de técnicas relativamente complicadas para o seu armazenamento, como cilindros de alta pressão (WENDT; GOTZ; LINARDI, 1999).