ipen
AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ANÁLISE AMBIENTAL DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE
MEMBRANA TROCADORA DE PROTÓNS SOB O ENFOQUE
DA AVALIAÇÃO DO CICLO DE VIDA
SANDRA HARUMI FUKUROZAKI
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de Mestre em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear-Materiais.
Orientadora:
Dra. Emilia Satoshi Miyamaru Seo
A N Á L I S E A M B I E N T A L D A C É L U L A A C O M B U S T Í V E L DE M E M B R A N A T R O C A D O R A DE P R O T Ó N S S O B O E N F O Q U E DA A V A L I A Ç Ã O DO C I C L O
DE V I D A
S A N D R A H A R U M I F U K U R O Z A K I
D i s s e r t a ç ã o a p r e s e n t a d a c o m o p a r t e d o s r e q u i s i t o s para a o b t e n ç ã o d o G r a u de Mestre e m C i ê n c i a s na Á r e a d e T e c n o l o g i a N u c l e a r - Materiais
O r i e n t a d o r a :
Dra. E m i l i a S a t o s h i M i y a m a r u Seo
A N Á L I S E A M B I E N T A L DA C É L U L A A C O M B U S T Í V E L DE M E M B R A N A T R O C A D O R A DE P R O T Ó N S S O B O E N F O Q U E DA A V A L I A Ç Ã O DO C I C L O
DE V I D A
S A N D R A H A R U M I F U K U R O Z A K I
D i s s e r t a ç ã o a p r e s e n t a d a c o m o p a r t e d o s r e q u i s i t o s p a r a a o b t e n ç ã o d o G r a u d e M e s t r e e m C i ê n c i a s n a Á r e a d e T e c n o l o g i a N u c l e a r - Materiais
O r i e n t a d o r a :
Dra. E m i l i a S a t o s h i M i y a m a r u S e o
A o Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento C N P q , pela bolsa
concedida e ao Instituto de Pesquisas Energιticas e Nucleares IPEN, pela
oportunidade de realizaηγo d o presente estudo.
À minha famνlia, pelo apoio sempre constante e incondicional ao longo da
minha formaηγo, em especial a Monize Kozuι Fukurozaki pela paciκncia nos
meus momentos de mau humor e madrugadas acordadas.
À minha orientadora, Dra. Emilia Satoshi Miyamaru Seo, pela amizade,
confianηa, incentivo e, principalmente, pelos conhecimentos adquiridos no
decorrer da nossa convivκncia.
A o s pesquisadores do Programa de Cιlulas a Combustνvel PROCEL, Dr.
Marcelo Linardi, Dr. Estevan Spinacι e Dr. Almir Oliveira Neto, pelo suporte,
materiais e discussυes essenciais para o desenvolvimento desta dissertaηγo.
A o s profissionais da αrea de Meio Ambiente, pelas crνticas e sugestυes que
serviram de base para a formataηγo da avaliaηγo ambiental: Dr. Jacques
Demajorovic e M.Sc Alcir Vilela J٥nior Faculdade de Engenharia Ambiental
/Centro Universitαrio SENAC; Dr. Gil Anderi da Silva Grupo de Prevenηγo a
Poluiηγo/ Escola Politιcnica da Universidade de Sγo Paulo e Dr. Milton Nono
Sogabe Secretaria de Estado do Meio Ambiente (SMA)/ Companhia de
Tecnologia e Saneamento Ambiental (CETESB).
A o s doutores e tιcnicos , pelos esclarecimentos e anαlises realizadas: Dr.
Nelson Batista de Lima, Dra. Mitiko Saiki, Dra. Vera L٥cia Ribeiro Salvador, Dra.
Elizabete Dantas Sonoda, Dra. Duclerc Fernandes Parra, Marco Andreoli, Marco
Scapin, Olandir Vercino Corrκa e Elias Silveira.
A Dra. Sτnia R. M. Castanho, Dr. Egberto Gomes Franco, M.Sc.Edgard
Ferrari da Cunha, M.Sc Antτnio R. dos Santos, M.Sc Marcelo do Carmo, M.Sc
Thais Aranha, M.Sc Martha L. Bejarano, M.Sc Rubens Chiba, M.Sc Walter Kenji,
lize Puglia, Bruno Ribeiro de Matos, pelo auxνlio e informaηυes diversas. Por fim,
aos demais colaboradores e colegas de jornada acadκmica do IPEN, pelas idιias
equilíbrio biofísico, não em termos estáticos, mas dinâmicos, avaliando os fatos conforme tempos biológicos, objetivando um fluxo estacionario de energia, de populações, de recursos.
S A N D R A H A R U M I F U K U R O Z A K I
R E S U M O
S A N D R A H A R U M I F U K U R O Z A K I
ABSTRACT
F U N D A M E N T A Ç Ã O T E Ó R I C A
1 - ENERGIA, MEIO A M B I E N T E E D E S E N V O L V I M E N T O 21
1.1 Energia e Meio Ambiente 22
1.1.1 Mudanηas Climαticas 24
1 . 1 . 2 Deposiηυes Αcidas 25
1 . 1 . 3 Poluiηγo Urbana do Ar 26
1.1.4 Centrais Termoelιtricas 27
1 . 1 . 5 Centrais Hidroelιtricas 28
1.1.6 Centrais Nucleares 28
1.2 Energia e Desenvolvimento 29
2 - C É L U L A S A C O M B U S T Í V E L 31
2.1 Sonho ou Desafio? 31
2.2 Origem e Histσria da Tecnologia 32
2.3 Sistema Conversor de Energia 34
2.3.1 Classificaηγo das Tecnologias 36
2.4 Principais Vantagens 38
2.4.1 Alta Eficiκncia e Seguranηa 38
2.4.2 Flexibilidade de Planejamento 40
2.4.3 Desempenho Ambiental 41
2.5 Tecnologia da Cιlula a Combustνvel de Membrana Trocadora de Prσtons 42
2.5.1 Evoluηγo Histσrica do Desenvolvimento 45
2.5.2 Aplicaηυes 46
3 - A V A L I A Ç Ã O D O C I C L O DE V I D A 50
3.1 Breve Histσrico e Definiηυes 51
3.2 Guia e Marco Metodolσgico 54
3.2.1 Objetivo e Escopo 55
3.4 Restriηυes a Prαtica da Avaliaηγo do Ciclo de Vida 63
3.5 Importancia do Uso da Avaliaηγo do Ciclo de Vida 64
4 - A V A L I A Ç Ã O DO C I C L O DE V I D A D A C É L U L A A C O M B U S T Í V E L DE
M E M B R A N A T R O C A D O R A DE P R Ó T O N S 66 4 Emissυes Ambientais da SOFC e SPFC: sistema de produηγo e disposiηγo
final 67
4 . 1 . 1 S i s t e m a P E M F C 69
4.1.2 Processo Produtivo do MEA 70
4 . 1 . 3 I n v e n t α r i o 72
4 . 1 . 4 Anαlise do Inventario e Consideraηυes sobre o Estudo 75
4.2 Avaliaηγo do Ciclo de Vida de Mσdulos de Cιlulas a Combustνvel 77
4.3 Impactos da Legislaηγo de Residuos Veiculares na Uniγo Europιia: opηυes
de fim de vida para as cιlulas de eletrσlito polimιrico 78
4.5 Anαlise Geral dos Estudos sobre a Avaliaηγo do Ciclo de Vida da PEMFC 78
M E T O D O L O G I A
5 - D E S E N V O L V I M E N T O E A N Á L I S E DO P R O C E S S O DE R E C U P E R A Ç Ã O
DOS C A T A L I S A D O R E S DE P L A T I N A D A PEMFC 81
5.1 Rota Experimental 81
5.2 Avaliaηγo do Ciclo de Vida Simplificada do Processo 85
5.2.1 Objetivo e Escopo 87
5.2.2 Inventαrio 88
5.2.2.1 A n α l i s e T e r m o g r a v i m ι t r i c a A T G 91
5.2.2.2 Espectrometrνa de Fluorescκncia de Raios X FRX 91
5.2.2.3 D/fraηγo de Raios X DRX 92
5.2.2.4 Anαlise por Ativaηγo Neutrτnica 93
R E S U L T A D O S E D I S C U S S Υ E S
6 - A V A L I A Ç Ã O D O C I C L O DE V I D A D O P R O C E S S O DE R E C U P E R A Ç Ã O
DOS C A T A L I S A D O R E S DE P L A T I N A DA P E M F C 100
6.1 Prι Avaliaηγo da ACV: questυes relevantes sobre a Platina 100
6.1.1 Propriedades gerais da platina 102
6.1.2 Demanda e Aplicaηυes 104
6.1.3 Suprimento e Preηo 107
6 . 1 . 4 Impactos Ambientais e Restriηυes Legais 109
6.1.5 Consideraηυes sobre a Etapa de Simplificaηγo 112
6.2 Inventαrio: coleta e anαlise dos dados 113
6.2.1 Processo de Produtivo do MEA 113
6.2.2 Processo de Recuperaηγo 121
6.2.3 Anαlises de Verificaηγo: eficiκncia do processo 121
6.2.4 Anαlises de Caracterizaηγo: potencial de reciclagem 126
6.3 Avaliaηγo de Impactos 130
6.3.1 Identificaηγo de Aspectos e Impactos 130
6.3.2 Anαlise da Significβncia 134
C O N C L U S Υ E S
Conclusυes 137
R E F E R Κ N C I A S
26
37
59
60
62 T a b e l a 1.3 Fontes de poluiηγo e seus poluentes
T a b e l a 2.1 Classificaηγo das CaC conforme o eletrσlito utilizado
T a b e l a 3.1 Exemplos de listas de seleηγo de categorias de impactos
T a b e l a 3.2 Exemplos de indicadores e modelo de caracterizaηγo
T a b e l a 3.3 Anαlise dos mιtodos de simplificaηγo da A C V
T a b e l a 4.1 Quantidade dos principais materiais e os requerimentos em termos
de energia 72
T a b e l a 4.2 Entrada de energia para cada processo de produηγo do MEA. 72
T a b e l a 4.3 Perdas de materiais no processo de produηγo do MEA 73
T a b e l a 4.4 Emissυes para o meio ambiente da produηγo de platina. 7 4
T a b e l a 4.5 Total de emissυes para o meio ambiente na produηγo do M E A 74
T a b e l a 4.6 Custo das perdas de platina 75
T a b e l a 5.1 Caracterνsticas do M E A 83
T a b e l a 5.2 Exemplo de aspectos e impactos 96
T a b e l a 5.3 Escala de probabilidade 97
T a b e l a 5.4 Escala de severidade 97
T a b e l a 5.5 Escala de limites 98
T a b e l a 5.6 Escala de status regulatσrio 98
T a b e l a 5.7 Avaliaηγo m٥ltipla dos critιrios 99
T a b e l a 6.1 Propriedades da platina 103
T a b e l a 6.2 Estado de oxidaηγo e compostos de platina 103
T a b e l a 6.6 Referκncias de estudos sobre a concentraηγo de platina em
diferentes compartimentos ambientais, na fauna, flora e outros locais 110
T a b e l a 6.7 Composiηγo da tinta catalνtica 114
T a b e l a 6.8 Carga catalνtica e massa estimada por eletrodo 115
T a b e l a 6.9 Especificaηυes do eletrσlito e da camada difusora. 115
T a b e l a 6.10 Valores obtidos na pesagem do MEA e dos seus componentes em
gramas 116
T a b e l a 6.11 Comparaηγo entre a massa inicial e final do MEA em gramas 116
T a b e l a 6.12 Comparaηγo entre a massa do eletrσlito padrγo (P) e do eletrσlito
obtido no processo em (R ) em gramas 117
T a b e l a 6.13 Comparaηγo entre a massa da camada difusora padrγo e da
camada obtida no processo (R ) em gramas 117
T a b e l a 6.14 Comparaηγo entre a massa da camada catalνtica teσrica (T) e a
camada obtida no processo em gramas. 118
T a b e l a 6.15 Massa estimada para os elementos da camada catalνtica obtida no
processo de recuperaηγo em gramas 119
T a b e l a 6.16 Perfil das amostras encaminhadas para anαlise em gramas 119
T a b e l a 6.17 Determinaηγo da platina e outras impurezas 124
T a b e l a 6.18 Diβmetro mιdio das partνculas de catalisadores de platina
preparados por diferentes tιcnicas 128
T a b e l a 6.19 Identificaηγo de atividades, aspectos e potenciais impactos 132
T a b e l a 6.20 Avaliaηγo da significancia dos impactos 134
F i g u r a 2.2 Classificaηγo das Cιlulas a Combustνvel 36
F i g u r a 2.3 Comparaηγo das eficiencias em porcentagem (%) 38
F i g u r a 2.4 Desenho esquemαtico da PEMFC 43
F i g u r a 2.5 MEA e cιlula unitαria da PEFC 43
F i g u r a 2.6 Mσdulo do PEMFC 4 4
F i g u r a 2.7 Exemplo de aplicaηγo portαtil (laptop) da PEFC 4 7
F i g u r a 2.8 Veνculo d e emissγo nula NECAR 47
F i g u r a 3.1 Etapas da avaliaηγo do ciclo de vida. 54
F i g u r a 3.2 Dimensυes do escopo de estudo da A C V 55
F i g u r a 3.3 Exemplo de um diagrama de fluxo de um sistema e processos de um
produto 57
F i g u r a 3.4 Estrutura conceituai da A l C V 59
F i g u r a 3.5 Procedimentos de simplificaηγo da A C V 63
F i g u r a 4 . 1 - Diagrama conceituai do ciclo de vida de um sistema CaC em 7
estαgios 68
F i g u r a 4.2 Diagrama do fluxo de produηγo do M E A 71
F i g u r a 5 . 1 - Proposta de recuperaηγo da platina d o MEA da P E M F C encontradas
na literatura 82
F i g u r a 5.2 Diagrama simplificado do procedimento experimental 84
F i g u r a 5.3 Software de A C V Sima Pro Demo 89
F i g u r a 5.4 Ficha de coleta de dados 90
F i g u r a 6.5 Platina ancorada em substrato de alumina, utilizada como
catalisador em processos da industria petrolνfera 106
F i g u r a 6.6 Disco rνgido com camada magnιtica de platina 106
F i g u r a 6.7 Preηo da platina no perνodo de janeiro de 2004 a dezembro de 2005
108
F i g u r a 6.8 Escala de risco ecolσgico 111
F i g u r a 6.9 Ciclo de vida da platina na PEMFC 113
F i g u r a 6.10 Diagrama de blocos de preparaηγo do MEA 114
F i g u r a 6.11 Inventαrio do processo de recuperaηγo 120
F i g u r a 6.12 Curva da A T G para a massa catalνtica 122
F i g u r a 6.13 Curva da A T G para tinta catalνtica 123
Figura 6.14 Curva da A T G para a platina comercial 123
F i g u r a 6.15 Elementos detectados pela anαlise de ativaηγo neutrτnica 125
Figura 6.16 Difratogramas de raios X para a camada catalνtica 126
Figura 6.17 Difratogramas de raios X para a tinta catalνtica 126
F i g u r a 6.18 Difratogramas de raios X para a platina comercial 127
F i g u r a 6.19 Voltamogramas cνclicos para a massa catalνtica, tinta e platina
comercial 129
F i g u r a 6.20 Atividades do processo de recuperaηγo nas quais sγo
identificados os aspectos ambientais 131
F i g u r a 6.21 Exemplo de uma cadeia de efeitos relativos ao consumo de
No decorrer d o tempo, a produηγo de energia elιtrica constituiuse como
um fator ctiave no desenvolvimento das sociedades. A partir da I Revoluηγo
Industrial, em meados do sιculo XVIII, uma transformaηγo indubitαvel ocorreu
nas relaηυes produtivas e sociais, favorecida pela descoberta de novos
mecanismos de conversγo energιtica e fomentada pelo uso do carvγo. A
substituiηγo gradativa dessa fonte por outras, como o petrσleo e o gαs natural,
propiciou uma nova organizaηγo de βmbito global, concomitamente a II
Revoluηγo Industrial, sobrevinda um sιculo depois.
Desenvolveuse entγo toda uma gama de ind٥strias baseadas na
economia de energia fσssil, por um lado, voltadas para a produηγo e suprimento
de energia: mαquinas diversas, turbinas, sistemas de transmissγo; por outro, para
a sua utilizaηγo: equipamentos de uso industrial e domιstico, iluminaηγo, forηa
motriz, climatizaηγo e comunicaηγo. Conseq٧entemente, esse conjunto de
instrumentos alterou de forma profunda o ritmo e o curso dos processos de
formaηγo sσcioespacial e econτmicas da humanidade, moldando as
caracterνsticas do atual desenvolvimento.
Contudo, nos anos 7 0 \ uma crise mundial sem precedentes, acarretada
pelo boicote internacional realizado pelas naηυes αrabes, membros da
Organizaηγo dos Paνses Exportadores de Petrσleo OPEP, propiciou uma busca
frenιtica por fontes alternativas de energia e despertou o mundo para a
necessidade de melhor utilizaηγo dos recursos naturais. No mesmo perνodo,
internacionalmente, assistiase ao surgimento de uma economia ambiental, como
conseq٧κncia da inquietaηγo global quanto a sustentabilidade dos sistemas de
produηγo vigente.
Pelo prisma do crescimento econτmico, formularamse conceitos como
Integrated Resources Planning e o Demand Side Management, voltados para o planejamento e uso racional dos recursos, os quais ainda hoje constituem modos
de gestγo e expansγo de sistemas energιticos, como alternativa ao paradigma
meramente demogrαfico de oferta crescente para consumo crescente (GRIMONI
eν. al., 2004).
Do ponto de vista ecolσgico, os desastres ambientais fatais como o fog em
Londres, a contaminaηγo por merc٥rio na baνa de Minamata no Japγo, o acidente nuclear e m Three Mile Island nos Estados Unidos, a contaminaηγo por gases tσxicos em Bhopal na νndia, bem como as conseq٧κncias locais, regionais e globais associadas ao uso intensivo de combustνveis fσsseis, como chuva αcida,
camada de ozτnio e aumento da temperatura (PENNA, 1999), indicaram a
insustentabilidade do modelo energιtico corrente e a necessidade de fomentar o
desenvolvimento de sistemas geradores de energia que possibilitassem uma
contribuiηγo decisiva para um futuro ambientalmente seguro.
Paralelamente, o pensamento inaugurado pelo Clube de Roma (1960),
prosseguido pela Conferκncia de Estocolmo (1972), o Relatσrio da Comissγo de
Brundtland (1987) e a Reuniγo da C٥pula da Terra (1992) conduziram a conclusυes similares, segundo os quais o modelo de produηγo e consumo em
vigor, incluindo o atendimento as exigκncias energιticas, nγo ι compatνvel com
uma perspectiva de sustentabilidade intergerencial e nem equidade, em βmbito
mundial no presente.
Estas constataηυes resultaram no paradigma do desenvolvimento
sustentαvel, no qual a capacidade de assegurar os direitos das geraηυes
presentes e futuras estγo intimamente relacionadas ΰ energia (REIS & SILVEIRA,
2001). Nγo obstante, tambιm emergiu a crescente tendκncia de padrυes mais
rνgidos de controle ambiental a valorizaηγo das fontes renovαveis, menos
poluidoras e, os instrumentos de prevenηγo e mitigaηγo das externalidades
ambientais negativas, sobretudo os que visam auxiliar na compreensγo, reduηγo
e controle dos impactos na natureza, entre os quais ressaltase a Avaliaηγo do
Ciclo de V i d a A C V .
Dentre as diferentes rotas inovadoras para a geraηγo de energia mais
sustentαvel estα, atualmente, o hidrogκnio, cuja viabilidade energιtica encontra
se na tecnologia de cιlulas a combustνvel CaC. Estas sγo dispositivos
eletroquνmicos que podem converter continuamente a energia quνmica de certas
fontes renovαveis ou nγo, em eletricidade sem a necessidade de combustγo a
quente e com um rendimento global superior aos equipamentos de transformaηγo
( K O R D E S C H & SIMADER, 1996), a alta eficiκncia pode propiciar urna
significativa reduηγo do uso de combustνveis fσsseis e da liberaηγo de gases do
efeito estufa, resultando em emissυes locais extremamente baixas durante o uso,
fator especialmente importante em αreas densamente povoadas.
Deste modo, os diferentes tipos de tecnologia CaC configuramse e m
candidatas ideais para uso em aplicaηυes mσveis e estacionαrias, incluindo
pequenas residκncias, plantas de energia e calor de mιdia e larga escala,
respectivamente. No setor mσvel, as CaC, particularmente as de baixa
temperatura de operaηγo (80 a 90 °C), como a Cιlula a Combustνvel de
Membrana Trocadora de Prσtons PEMFC, podem ser usadas e m veνculos
particulares e coletivos, trens, aviυes, barcos, alιm de sistemas portαteis de
diversos usos (BAUEN et. al., 2003).
Perante essas particularidades, os distintos setores da sociedade tκm
direcionado uma maior atenηγo para as CaC, principalmente em relaηγo a
PEMFC, visto a crescente demanda por energia e a preocupaηγo em relaηγo ΰ
qualidade urbana do ar, acidificaηγo regional e mudanηas climαticas. Entretanto,
essas caracterνsticas vinculadas ΰ utilizaηγo da tecnologia refletem apenas parte
deste quadro, pois recursos sγo consumidos e emissυes sγo geradas em outras
etapas do contexto global do ciclo de vida desse produto, incluindo a manufatura
e a disposiηγo final.
Segundo K A R A K O U S S I S et. al (2000), o estαgio em uso ι tipicamente dominante na avaliaηγo de todo o ciclo de vida dos sistemas convencionais de
geraηγo de energia e engenharia de transporte. Contudo, os sistemas de CaC
comprometem uma escala relativamente exσtica de materiais e requerem
processos de manufatura que ainda estγo em desenvolvimento,
conseq٧entemente a anαlise dos seus outros estαgios do ciclo de vida sγo de
suma importβncia, visto apresentarem vantagens ambientais durante sua
utilizaηγo.
No caso da PEMFC, m e s m o encontrandose no limiar do estαgio comercial,
o fator determinante para a sua ampla inserηγo no mercado envolve, alιm de
questυes econτmicas relacionadas ao alto custo dos materiais da membrana e
durante a fase de produηγo e pσsconsumo do mσdulo da PEMFC (PEHNT, 2 0 0 1 ;
HANDLEY, 2002).
Neste sentido, a Avaliaηγo do Ciclo de Vida tem se consolidado como uma
ferramenta lνder, tanto no mundo empresarial como governamental, para entender
e questionar os riscos e oportunidades que a c o m p a n h a m os produtos ao longo de
sua vida, desde a fase de extraηγo de recursos para a manufatura atι o seu
destino final, pσsconsumidor.
Por conseguinte, os processos de decisγo baseados em uma A C V
conduzem a aηυes mais efetivas e, com maior sustentaηγo no longo prazo com
relaηγo ΰ reduηγo dos custos econτmicos e ambientais das companhias e para o
paνs (CALDEIRAPIRES et. al, 2005). Portanto, para o desenvolvimento e promoηγo de novos modelos energιticos, tornase imperativo a adoηγo desse
instrumento.
Face ΰs consideraηυes acima, a preocupaηγo primordial deste estudo estα
em convergκncia com o momento atual, isto ι, na necessidade de aprofundar o
conhecimento relacionado ao peso das questυes ambientais no desenvolvimento,
consolidaηγo e inovaηγo da Cιlula a Combustνvel de Membrana Polimιrica
Trocadora de Prσtons PEMFC, visto, no βmbito do desenvolvimento sustentαvel,
Tendo em vista as consideraηυes apresentadas na introduηγo e
principalmente, dada a importβncia dos catalisadores de platina no βmbito
econτmico e ambiental de desenvolvimento da Cιlula a Combustνvel de
Membrana Trocadora de Prσtons PEMFC, o presente trabalho tem por objetivo
geral prover uma anαlise ambiental dessa tecnologia na etapa pσsuso do
conjunto eletrodo membrana, nomeadamente em relaηγo ΰ platina, sob o
enfoque da Avaliaηγo do Ciclo de Vida ACV. Neste sentido, os seguintes
objetivos especνficos foram delimitados:
1) Apresentar os aspectos gerais sobre energia, sua relaηγo com o meio
ambiente e desenvolvimento sustentαvel, bem c o m o a tecnologia P E M F C ;
2) Proporcionar informaηυes sobre a abordagem metodolσgica da Avaliaηγo do
Ciclo de Vida e sua importβncia no contexto do estudo;
3) Analisar e discutir as principais publicaηυes existentes sobre a A C V da
PEMFC, especificamente no que tange as questυes relacionadas aos
eletrocatalisadores de platina;
4) Desenvolver um mιtodo de recuperaηγo de platina e exemplificar o uso da
ACV, avaliando a sua funcionalidade na definiηγo de mιtodos para a recuperaηγo
e reciclagem do catalisador da PEMFC, a partir de um estudo exploratσrio.
Para atingir tal propσsito, o desenvolvimento da pesquisa consistiu
inicialmente na pesquisa bibliogrαfica e m base de dados especializados. Esta
etapa consolidouse na construηγo de quatro capνtulos nos quais sγo
apresentadas as fundamentaηυes teσricas do estudo que serviram de alicerce
para o desenvolvimento do mιtodo de recuperaηγo dos catalisadores de platina
da P E M F C e, especialmente, para a sua posterior avaliaηγo ambiental.
Os procedimentos realizados na construηγo e avaliaηγo do processo
configuraram na metodologia aqui apresentada como quinto capνtulo, sendo os
dois ٥ltimos capνtulos subseq٧entes os resultados e discussυes e, as conclusυes
O capνtulo I apresenta concisamente os aspectos relevantes sobre energνa,
meνo ambiente e desenvolvimento, cujo contexto aborda a importβncia da
tecnologia de CaC no cenαrio atual. Na seq٧κncia, o capνtulo II aglutina
Informaηυes sobre a CaC, apontando sua origem, histσrico do desenvolvimento,
suas principais caracterνsticas e vantagens, com especial atenηγo ΰ tecnologia
P E M F C , inserindo as questυes relevantes para a abordagem metodolσgica da
ACV.
Subseq٧entemente, o capitulo III introduz a Avaliaηγo do Ciclo
apresentando o histσrico, guia e marco metodolσgico, simplificaηγo da A C V e
outros aspectos c o m o importβncia do uso dessa ferramenta de gestγo no
desenvolvimento industriai e no Brasil.
O capνtulo IV aglutina informaηυes sobre os atuais estudos realizados
sobre a Avaliaηγo do Ciclo de Vida da PEFC e, dada a ausκncia de literatura
nacional sobre o assunto, optouse por descrever e discutir trκs dos principais
estudos realizados internacionalmente, identificando os problemas ambientais
associados ao ciclo de vida de um mσdulo da PEFC e, ainda, suas implicaηυes
para a sustentabilidade da tecnologia.
No capνtulo V apresentase o desenvolvimento e a anαlise do processo de
recuperaηγo da platina da P E M F C em duas etapas. A primeira caracterizase pela
descriηγo dos procedimentos utilizados na rota experimental, enquanto a segunda
trata daqueles relacionados ΰ anαlise simplificada da A C V dos M E A da PEFC,
produzida e utilizada no Programa de Pesquisa e Desenvolvimento de Cιlulas a
Combustνvel do IPEN (PROCEL).
O capνtulo VI traz os resultados e discussυes decorrentes da avaliaηγo do
ciclo de vida simplificada. No entanto, dada as dificuldades notσrias e grande
divergκncia no tratamento das questυes levantadas, este capνtulo se coloca como
uma contribuiηγo e discussγo no sentido de criar abordagens ou mιtodos que
incluem as questυes ambientais sistematicamente na pesquisa e desenvolvimento
da tecnologia PEFC. Por fim, as principais constataηυes da pesquisa, incluindo as
recomendaηυes e as sugestυes futuras sobre as questυes tratadas neste estudo
1 - ENERGIA, MEIO AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO
A histσria do desenvolvimento humano possui uma estreita relaηγo com o
uso da energia, cuja participaηγo imprimiu e imprime, o ritmo das modificaηυes no
contexto sσcioeconτmico. A partir da segunda metade do sιculo XVIII, a
referκncia ao uso intensivo das fontes energιticas, e m termos produtivos , pode
ser verificada na Europa Ocidental, particularmente durante a Revoluηγo
Industrial.
Neste perνodo, o apogeu das mαquinas a vapor elege o carvγo mineral
como fonte de energia primαria, devido ΰs suas caracterνsticas e quantidade
disponνvel, superando assim, o uso da lenha. Na segunda metade do sιculo XIX,
a ind٥stria do petrσleo dava seus primeiros passos na participaηγo da matriz
energιtica mundial, inicialmente em solo norteamericano (atι meados da
Primeira Guerra Mundial) e, posteriormente no Oriente Mιdio, consolidando os
paνses desta regiγo em uma das principais fontes de energia no mundo.
Paralelamente, a energia com qualidade, de fαcil acesso, com alto grau de
fracionamento se desenvolve no final do sιculo XIX, marcando o surgimento da
ind٥stria da eletricidade. Tratandose de uma fonte secundαria de energia
(depende de transformaηυes a partir de fontes primαrias), a eletricidade destacou
se ao longo do sιculo X X face ΰ sua participaηγo na viabilizaηγo de atividades e
processos, desde os primσrdios da iluminaηγo p٥blica atι os atuais equipamentos
eletrτnicos, em especial os motores elιtricos.
O motor elιtrico trifαsico representou um importante passo no sistema
energιtico, estabelecendo estruturas e conceitos que evoluνram e prevalecem atι
os dias de hoje. Para a ind٥stria, o uso da eletricidade, significou a possibilidade
de concepηγo de layout's adequados de forma independente aos processos produtivos ( F E R N A N D E S FILHO ef. al, 2004). Quanto ΰ sociedade, o acesso ΰ eletricidade proporcionou, alιm de bens de consumo e serviηos necessαrios ΰ
qualidade de vida, o desenvolvimento social no seu sentido mais amplo.
Nγo obstante, o surgimento de novas tecnologias tambιm propicia, a partir
viria a substituir a economia de energia fσssil. De acordo com U D A E T A ef. al (2004), nos tempos modernos, as energias renovαveis se consolidaram apenas
por meio de grandes hidroelιtricas. No entanto, a primeira grande crise do
petrσleo e m 1973, desperta o desenvolvimento de novos mecanismos de
conversγo de energia baseada e m recursos renovαveis e, a busca pela garantia
de atendimento αs necessidades futuras.
Desta forma, ao longo do tempo foram vαrias as fontes energιticas que
participaram no cotidiano das populaηυes, umas sucedendo ΰs outras, ou ainda,
atuando simultaneamente, em proporηυes variadas, conforme a sua
disponibilidade e custo. Todavia, o uso da energia em equilνbrio com o
desenvolvimento sσcioeconτmico representa um dos grandes desafios da
humanidade. Para tanto tornase importante ter uma compreensγo minimamente
clara dos processos envolvidos nas transformaηυes energιticas e suas
conseq٧κncias ambientais.
1.1 Energia e Meio Ambiente
No decorrer da sua histσria, a humanidade tem selecionado os sistemas
energιticos em funηγo de dois elementos: a disponibilidade tιcnica e a
viabilidade econτmica. Porιm, o modelo energιtico vigente tem se revelado
insustentαvel, comprometendo, cada vez mais a curto prazo, os equilνbrios
ecolσgicos e climαticos e, conseq٧entemente o desenvolvimento sσcioeconτmico
e o bem estar social. Desta forma, na ٥ltima dιcada, um novo parβmetro tem
progressivamente condicionado a aceitaηγo ou recusa dos sistemas de energia:
os impactos ambientais resultantes da sua implementaηγo.
Conforme OLIVEIRA ef. al (2004) o setor energιtico produz efeitos nocivos ao meio ambiente em toda a sua cadeia de desenvolvimento, desde a extraηγo de
recursos naturais atι os seus usos finais. Por exemplo, a extraηγo de recursos
energιticos, seja petrσleo, carvγo, biomassa ou hidroeletricidade, tκm implicaηυes
em mudanηas nos padrυes de uso do solo, recursos hνdricos, alteraηγo da
Jα os processos relacionados com a produηγo e uso de energia liberam
para a atmosfera, a αgua e o solo diversas substβncias que comprometem a
sa٥de e sobrevivκncia nγo sσ do homem, mas tambιm da fauna e flora. Embora
seja difνcil identificar com clareza todos esses impactos, uma vez que estes
podem ocorrer de forma direta e indiretamente, a energia , do ponto de vista
global, pode ser apontada como uma das principais fontes de desequilνbrio da
natureza causada pelo homem.
Nγo obstante, os danos ambientais nγo se restringem ao local onde se
realizam as atividades de produηγo ou de consumo de energia, mas t a m b ι m
abrangem as escalas regionais e globais (TAB 1.1). No nνvel regional podese
mencionar, por exemplo, o problema de precipitaηυes αcidas, ou ainda o
derramamento de petrσleo em oceanos, que pode atingir vastas αreas.
TABELA 1.1 Escala de problemas ambientais associados ΰ energia
P r o b l e m a s G l o b a i s Mudança no Clima Global
Depleção do Ozτnio Estratosfιrico Redução da Biodiversidade
P r o b l e m a s R e g i o n a i s Degradação e Uso da Água e do Solo
Contaminação oceβnica
Mobilização de Contaminantes Tσxicos Precipitação αcida
Radioatividade e lixos radioativos
P r o b l e m a s L o c a i s Poluição do ar urbano
Poluição do ar interno
Poluição das αguas subterrβneas e de superfνcies Resνduos sσlidos e perigosos
Campos eletromagnιticos Sa٥de e Segurança ocupacional Acidentes de larga escala
Estιtica e outros aspectos (por ex. ruνdos, perturbação visual)
Fonte : CARVALHO (2000)
Em relaηγo aos impactos globais, e os exemplos mais contundentes sγo as
alteraηυes climαticas resultantes do ac٥mulo de gases na atmosfera (efeito estufa)
e, a depleηγo da camada de ozτnio devido ao uso de clorofiuorcarbonetos
utilizados em equipamentos de ar condicionado e refrigeradores. Neste sentido,
abrangκncia, e posteriormente os impactos derivados dos atuais sistemas de
energia.
1.1.1 M u d a n ç a s C l i m α t i c a s
Um dos mais complexos e maiores efeitos das emissυes do setor
energιtico sγo os problemas globais relacionados a mudanηas climαticas.
Segundo REIS eν. al (2005), o aquecimento global resulta da modificaηγo na intensidade de radiaηγo tιrmica emitida pela superfνcie da Terra, em funηγo da
crescente concentraηγo de gases do efeito estufa (GEE), cujas emissυes estγo
relacionadas ao uso de combustνveis fσsseis (TAB .1.2).
TABELA 1.2 Contribuiηγo relativa de gases provenientes de combustνveis fσsseis ao efeito estufa
Gαs CarbAnico Metano (CH<)
(COj) Oxido Nitroso (NjO) c a r b o n e t o s Clorofluor-(CFCs)
Ozτnio (O3) M o n σ x i d o de C a r b o n o (CO)
Principal f o n t e Combustνveis Combustνveis Combustνveis Refrigeradores, Hidrocartraneto Combustνveis e atividade fσsseis, fσsseis, queima fσsseis, queima aerossσis, (com Nox), fσsseis, queima
desmatamento de biomassa de biomassa processos queima de de biomassa industriais biomassa
Tempo d e vida 50-200 anos
na atmosfera 10 anos 150 anos 60-100 anos Semanas e meses Meses
Taxa anual d e
aumento 0,5% 0,9% 0,3% 4% 0,5-2,0% 0,7-1,05
Contribuição relativa ao efeito estufa
antrσpico
60% 15% 5% 12%
Fonte: COTTON & PIELKE (1995) modificado por FUKUROZAKI (2006)
Conforme J A N U Z Z I (2004), o ac٥mulo de gases, como o diσxido de
carbono na atmosfera, acentua o efeito estufa natural do ecossistema terrestre
(FIG. 1.1) a ponto de romper os padrυes de clima que condicionaram a vida
Parte da radiaηγo solar ι refletida pela Terra e atmosfera
A radiaηγo solar atravessa a atmosfera limpa
A maior parte da radiaηγo solar ι absorvida pela superfνcie da Terra , aquecendoa
TERRA
Parte da radiaηγo infravermeltia ι absorvida na Terra e reemitida pelos gases estufa. O efeito disso ι o aquecimento da superfνcie e da atmosfera baixa
A superfνcie da Terra , emite radiaηγo infravermelha
FIGURA 1.1 Efeito estufa Fonte: CARVALHO, 2000
Neste sentido, as implicaηυes no clima mundial para os paνses e suas
populaηυes encontramse na alteraηγo da produtividade agrνcola e da pesca,
inundaηυes de regiυes costeiras e aumento de desastres naturais. A seriedade
desses efeitos tem sido reconhecida por diversos estudos cientνficos
internacionais e vαrios paνses estγo procurando consenso para uma agenda
mνnima de atividades para controle e mitigaηγo de emissυes, como o Protocolo de
Kyoto, discutido no βmbito dos paνses signatαrios da Convenηγo Climαtica .
1.1.2 D e p o s i ç υ e s Á c i d a s
Embora o termo chuva αcida seja amplamente utilizado nas publicaηυes
sobre o assunto em questγo, de acordo com OLIVEIRA et. al (2004), a denominaηγo mais adequada para o fenτmeno ι precipitaηυes αcidas, visto que
as deposiηυes podem ocorrer em forma de chuva, neve, partνculas sσlidas ou
g a s e s .
Os principais componentes encontrados nas precipitaηυes αcidas sγo o
do diσxido de enxofre (SO2) e dos σxidos de nitrogκnio (NOx), ambos produtos
daqueima de combustνveis fσsseis. Os danos causados pelos αcidos liberados no
uso desse energιtico, precipitados tanto na sua forma seca quanto ٥mida,
prejudicam a cobertura d e solos, vegetaηγo, agricultura e materiais
manufaturados.
No que tange a sa٥de humana, a presenηa de particulados contendo SOae
NOx provocam ou agravam doenηas respiratσrias como bronquite e enfisema,
especialmente em crianηas. Esse tipo de problema tem sido verificado em regiυes
da China, Hong Kong e Canadα que sofrem os efeitos de termoelιtricas a carvγo
situadas muitas vezes em locais distantes de onde ocorrem ΰs precipitaηυes
αcidas.
1.1.3 P o l u i ç ã o U r b a n a d o A r
Um dos problemas mais antigos da civilizaηγo ι a poluiηγo urbana do ar,
sendo responsαvel por in٥meras doenηas, inclusive mortalidade nas populaηυes
das grandes cidades. A principal fonte de poluiηγo em αreas urbanas advιm da
queima de combustνveis fσsseis para fins de aquecimento domιstico, geraηγo de
energia, funcionamento de motores a combustγo interna, processos industriais e
incineraηγo de resνduos sσlidos (TAB 1.3).
TABELA 1.3 Fontes de poluiηγo e seus poluentes
Caldeiras e fornos industriais
Motores de combustγo interna
Ind٥stria de refino de petrσleo
Ind٥stria qulmics
Metalurgia e quνmica do coque
Ind٥stria extrativa mineral
Ind٥stria alimentνcia
Ind٥stria de materiais de construηγo
F* a r t i C L i l a d o s Cinzas e fuligem
Fuligem
Rσ, fuligem
Pσ, fuligem
Pσ. σxidos de ferro
E m i s s υ e s G a s o s a s NlOx. SO2, CO. aldeνdos,
αcidos orgβnicos. 3,4 benzopireno CO, rMOx. aldeνdos, hidrocarbonetos 3,4
benzopireno
SO2, H2O, NtHs, NOy. CO, αcidos, hidrocarbonetos,
aldeνdos, cetonas Depende do processo (Ex.:
SO2CO, hidrocarbonetos, solventes) SO2, I^H3, ISIO«. CO,
composto de fl٥or, substβncias orgβnicas Depende do processo (Ex.:
CO, compostos de fl٥or) MH3. llzS (multicomponentes de
composto orgβnicos) CO. compostos orgβnicos
Fonte: Conservaηγo de Energia Eficiκncia Energιtica de Instalaηγo e Equipamentos, 2001 apue/CARVALHO (2000)
O consumo de derivados de petrσleo pelo setor de transporte ι o que
apresenta a maior contribuiηγo para a degradaηγo do meio ambiente no nivel
local. Estimase que 5 0 % dos hidrocarbonetos emitidos em αreas urbanas e
aproximadamente 2 5 % do total das emissυes de todo diσxido de carbono gerado
no mundo, resultem das atividades desenvolvidas com os sistemas de transporte.
Ademais, a baixa qualidade desses combustνveis em muitos paνses, aliada
ΰ precariedade de veνculos, trβnsito congestionado e condiηυes climαticas
desfavorαveis em grandes cidades, contribuem para que exista uma quase
permanente concentraηγo de finas partνculas no ambiente urbano, que
comprometem significativamente a qualidade do ar e, desta forma, a sa٥de
humana (GRIMONI et. al, 2004).
1.1.4 C e n t r a i s T e r m o e l ι t r i c a s
A produηγo de eletricidade em termoelιtricas representa em escala
mundial cerca de um terηo das emissυes antropogκnicas de diσxido de carbono,
sendo seguida pelas emissυes do setor de transporte e industrial. Os principais
combustνveis utilizados em todo o mundo sγo o carvγo, derivados de petrσleo e,
crescentemente, o gαs natural. Existem ainda outros tipos de usinas
termoelιtricas que queimam resνduos de biomassa (lenha, bagaηo) e atι mesmo
resνduo urbano.
Alιm das emissυes de gases e partνculas, ocorrem outros problemas
associados com utilizaηγo de αgua para o processo de geraηγo termoelιtrica,
pois muitas centrais usam a αgua para refrigeraηγo ou para produηγo de vapor.
Esse tem sido um dos principais obstαculos para a implantaηγo de termoelιtricas
no paνs, uma vez que diversos projetos se localizam ao longo do principal
gasoduto construνdo, seguindo exatamente as bacias hidrogrαficas com
problemas de abastecimento e de qualidade de αgua em regiυes densamente
povoadas (JANUZZI, 2004).
Ι importante notar tambιm que houve bastante progresso com relaηγo ao
aumento da eficiκncia de usinas termoelιtricas pela introduηγo de tecnologias de
madeira e bagaηo oferecem novas oportunidades de usinas mais eficientes e com
menores impactos em relaηγo ΰs convencionais.
1.1.5 C e n t r a i s H i d r o e l ι t r i c a s
Segundo J A N U Z Z I (2004), muitas vezes fazse referκncia ΰ
hidroeletricidade como sendo uma fonte "limpa" e de pouco impacto ambiental.
Na entanto, embora a construηγo de reservatσrios (grandes ou pequenos) tenha
resultado em enormes benefνcios para o paνs, ajudando a regularizar as cheias,
promover irrigaηγo e navegabilidade de nos, tambιm produziram impactos
irreversνveis ao meio ambiente;
No caso de grandes reservatσrios, existem problemas com mudanηas na
composiηγo e propriedades quνmicas da αgua, alteraηγo na temperatura,
concentraηγo de sedimentos, e outras modificaηυes que ocasionam problemas
para a manutenηγo de ecossistemas ΰ jusante da localizaηγo da barragem alιm,
daqueles relacionados ao reassentamento de populaηυes locais. Esses
empreendimentos, ainda que bem controlados, tκm promovido impactos na
diversidade de espιcies (fauna e flora) e na densidade das populaηυes de peixes.
No Brasil, um dos maiores exemplos ι o caso da hidroelιtrica de Balbina,
que provocou a inundaηγo de parte da floresta nativa, ocasionando alteraηυes na
composiηγo e acidez da αgua, nas quais posteriormente teve impacto no prσprio
desempenho da usina. Atι recentemente as turbinas apresentavam problemas de
corrosγo e depσsito de material orgβnico, em funηγo das modificaηυes que
ocorreram na composiηγo da αgua.
1.1.6 C e n t r a i s N u c l e a r e s
A energia nuclear ι talvez aquela que mais tem chamado atenηγo quanto
aos seus impactos ao meio ambiente e ΰ sa٥de humana. Sγo trκs os principais
problemas ambientais dessa fonte de energia. O primeiro ι a manipulaηγo de
material radioativo no processo de produηγo de combustνvel nuclear e nos
relacionado com a possibilidade de desvios clandestinos de material para
utilizaηγo em armamentos e conseq٧entemente, acentuando riscos de
associados ao uso de energia nuclear (JANUZZI, 2004).
Finalmente, o ٥ltimo relaciona ao armazenamento dos rejeitos radioativos
das usinas. Embora, tenha ocorrido substancial progresso no desenvolvimento de
tecnologias que diminuem praticamente os riscos de contaminaηγo radiativa por
acidente com reatores nucleares, aumentando consideravelmente o seu nνvel de
seguranηa, ainda nγo se apresentam soluηυes satisfatσrias e aceitαveis para o
problema do resνduo nuclear {ibidem, 2004).
Desta forma, os desafios para continuar a expandir as necessidades
energιticas da sociedade com menores efeitos ambientais sγo enormes, o que
implica na premκncia de significativas mudanηas nas estratιgias de
desenvolvimento, nas tecnologias em vigor, bem como nos padrυes de consumo
da sociedade moderna, antes que esses efeitos nocivos aqui mencionados
atinjam um ponto irreversνvel.
1.2 Energia e Desenvolvimento
Os valores que sustentam o atual modelo de desenvolvimento na
sociedade estruturamse na exagerada κnfase do progresso econτmico, no qual
freq٧entemente encontrase a exploraηγo descontrolada dos recursos naturais,
uso de tecnologias de larga escala e consumo desenfreado, responsαveis pela
degradaηγo ambiental, disparidades econτmicas, desintegraηγo social e, entre
outros, na falta de perspectivas futuras.
Diante deste quadro, no caminho para atingir um desenvolvimento
sustentαvel, a questγo energιtica tem u m significado bastante relevante, ΰ
medida que os vαrios desastres ecolσgicos e humanos das ٥ltimas dιcadas tκm
relaηγo νntima c o m a produηγo de energia e, o fornecimento eficiente ι
considerado uma das condiηυes bαsicas para o desenvolvimento sσcio
econτmico (SILVEIRA ef. al,. 2001).
De acordo com o Relatσrio da Comissγo de Brundtland, o desenvolvimento
das geraηυes futuras de satisfazer ΰs suas prσprias. Tal conceito agrega em sua
definiηγo, trκs pontos fundamentais: crescimento econτmico, equidade social e
equilνbrio ecolσgico (DONAIRE, 1995).
Concretamente, este novo paradigma apσiase nos modos de produηγo e
consumo viαveis a longo prazo para o meio ambiente, associados ao
fornecimento de serviηos e produtos que atendem as necessidades bαsicas da
populaηγo e proporcionem melhor qualidade de vida, alιm, dentre outros
aspectos, ΰ minimizaηγo do uso dos recursos naturais.
Neste contexto, sendo a produηγo de eletricidade responsαvel por
aproximadamente um terηo do consumo d e energia primαria mundial e com
tendκncias a expandir nas prσximas dιcadas ficam evidentes a necessidade de
profundas mudanηas na geraηγo, distribuiηγo e uso da energia. Tratase de
transformaηυes e m direηγo a um maior uso de recursos renovαveis e um
afastamento gradual dos combustνveis fσsseis.
Para tanto, os esforηos de inovaηγo tecnolσgica na αrea energιtica para
um futuro com menos impactos ambientais sγo imprescindνveis, pois o fomento
das energias renovαveis poderα, por ventura, constituirse na chave para um
desenvolvimento sustentαvel, nomeadamente para cumprir as polνticas de
preservaηγo do meio ambiente e, em particular para travar as alteraηυes
climαticas.
Nesta perspectiva e em meio as diferentes rotas tecnolσgicas, as cιlulas a
combustνvel (CaC) tκm sido identificadas c o m o parte da resposta para a premente
necessidade mundial de energia limpa e eficiente. Esta tecnologia de geraηγo de
eletricidade, tambιm reconhecida como um componente fundamental para a
futura "Economia do Hidrogκnio" poderα reduzir substancialmente emissυes de
gases do efeito estufa, associados ao atual sistema de transporte e produηγo de
2-
C Ι L U L A S A C O M B U S T Ν V E L
2.1 - Sonho ou Desafνo?
A s duas ٥ltimas dιcadas do sιculo XX podem ser consideradas como a
transiηγo dos mιtodos de produηγo de energia, armazenamento e conversγo. Os
combustνveis fσsseis o carvγo, o σleo e o gαs natural, responsαveis pelo
inacreditαvel desenvolvimento da tecnologia do mundo ocidental e sua crescente
mobilidade de produηγo sγo considerados ameaηadores para a sobrevivκncia do
ambiente natural como conhecemos hoje.
Simultaneamente, tambιm se manifesta neste cenαrio ΰ preocupaηγo
quanto ao consumo irracional e conseq٧ente desaparecimento de combustνveis
fσsseis, criando barreiras para o futuro do progresso tecnolσgico, no mesmo
perνodo e m que a crescente populaηγo mundial precisa de mais alimento,
melhores moradias, aperfeiηoamento de produtos industriais e expansγo dos
meios de comunicaηγo e transporte.
Somase ainda, o dilema causado pela realizaηγo prιvia do conceito de
que a energia ilimitada, disponνvel pela geraηγo de energia nuclear, contenha
propσsitos perigosos. Nγo obstante, esse quadro tem se agravado pelo fato da
expectativa do suprimento energιtico por uma substancial fraηγo de energia solar
ou outras pequenas fontes renovαveis, constituirse em uma ilusγo ( K O R D E S H &
SIMADER, 1996).
Neste sentido, alguns autores descrevem o futuro como criticamente
dependente de energia. Os cenαrios pessimistas predizem catαstrofes humanas e
soluηυes baseadas em uma economia de energia forηada pela "volta aos estilos básicos de vida" ^ No entanto, visυes mais otimistas consideram que o efeito das novas tecnologias em adiηγo ao uso da energia solar e outros recursos
renovαveis, conduzirγo para uma melhor utilizaηγo dos combustνveis fσsseis,
incluindo o uso apropriado de energia atτmica.
2.2 - Origem e Histσria da Tecnologia
O desejo de converter energia quνmica de combustνveis diretamente e m
eletricidade existe desde 1900 e, ι manifestado pela larga escala de
experimentos, nos quais se tentava oxidar carvγo e gαs natural e m pilhas
eletroquνmicas^. Um resgate histσrico nos leva a constatar que o princνpio de
funcionamento da cιlula a combustνvel (CaC) foi verificado em 1839 pelo fνsico
inglκs Willian Robert Grove, ao combinar os gases hidrogκnio e oxigκnio e, gerar eletricidade e αgua em um processo denominado eletrσlise reversa^.
A n o s depois, em 1889, o termo "cιlula a combustνvel" foi cunhado pelos
cientistas Ludwig Mond e Charles Langer que tentaram, sem sucesso, produzir o primeiro dispositivo prαtico, usando gαs natural e carvγo. Outras tentativas, no
inicio d o XX, para a construηγo de CaC que pudessem converter carvγo ou
carbono em energia elιtrica tambιm falharam e m funηγo da cinιtica dos
materiais e eletrodos (ALDABΣ, 2004).
Entretanto, em 1932, ocorreram os primeiros experimentos b e m sucedidos,
resultantes do trabalho do engenheiro Francis Bacon, que aperfeiηoou os carνssimos catalisadores de platina'*, ao utilizar um eletrσlito alcalino menos
corrosivo e eletrodos de nνquel mais baratos. Todavia, os desafios tιcnicos eram
muitos e somente e m 1959 Bacon conseguiu demonstrar um sistema CaC de 5 k W capaz de alimentar uma mαquina de solda .
No mesmo perνodo, a National Aeronautics and Space Administration -NASA comeηou a pesquisar um gerador de eletricidade compacto, para ser
utilizado a bordo das naves de uma sιrie de missυes espaciais tripuladas. A p σ s
desistir das alternativas existentes na ιpoca, por apresentarem riscos ΰ
seguranηa e outros problemas tιcnicos relacionados ao peso e durabilidade da
fonte, a NASA se voltou para o desenvolvimento da tecnologia CaC.
-Ibidem. 1996. p. 1 NETO, E. H. G. (2005).
Desta forma, o sistema construido por Bacon serviu como prototipo para as CaC utilizadas no programa espacial Apollo e Gemini, responsαveis por conduzirem o vτo do Homem α lua e m 1968. Nγo obstante, as pesquisas e m CaC
ressurgiram mais fortemente no mundo, quando substratos de carbono poroso
com baixas cargas de catalisador providenciaram u m a soluηγo d e baixo custo
para os sistemas CaC hidrogκnioar e, o interesse por automσveis elιtricos
movidos a C a C foi difundido, conduzindo assim a vαrios protσtipos ( K O R D E S H &
S I M A D E R , 1996).
Em meados de 1970, houve u m a mudanηa na direηγo do interesse pela
tecnologia de C a C . O sistema alcalino {Alcaline Fuel Cell - A F C ) q u e tinha alcanηado o nνvel mαximo de aperfeiηoamento nos programas espaciais foi
substituνdo, nos programas mundiais de P&D, pelo sistema de acido fosfσrico
{Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), no qual constituνase mais apropriado para aplicaηγo estacionαria de geraηγo de energia. A tendκncia na ampliaηγo de
plantas de geraηγo para larga escala foi especialmente notαvel no Japγo,
principalmente apσs a perda de interesse d o s Estados Unidos.
Contudo, n o s anos 8 0 e 90 destacouse o acelerado desenvolvimento de
sistemas C a C de carbonato fundido {Molten Carbonate Fuel Cell - M C F C ) e de σxido sσlido {Solid Oxide Fuel Cell - SOFC), claramente devido ao fato das plantas de C a C de alta temperatura apresentarem uma melhor eficiκncia global
quando associadas ao calor. Infortunamente, aspectos relacionados ΰ expectativa
de vida dos materiais resultaram e m problemas ainda e m pauta.
T a m b ι m e m 1990, ocorre outra reviravolta no cenαrio tecnolσgico das CaC,
quando a cιlula a combustνvel de membrana trocadora de prσtons {Proton Membrane Exchange - PEMFC) surge como o mais atrativo objeto de desenvolvimento. Embora esse sistema exista desde 1960, seu desempenho nγo
foi seguro nos projetos espaciais, de forma que a atenηγo na ιpoca se voltou
para os sistemas A F C . No entanto, as altas densidades de corrente do sistema
PEMFC, obtidas a partir de pesquisas de novos tipos de membrana e
catalisadores, associadas a um aperfeiηoamento na expectativa de vida
operacional realimentaram o interesse por esta tecnologia {ibidem, 1996. p. 2).
Atualmente, o cenαrio das CaC ι bastante discutido e difundido
internacionalmente, devido a caracterνsticas inerentes da tecnologia, por exemplo,
ΰ geraηγo de energia distribuνda e utilizaηγo de fontes renovαveis para obtenηγo
de hidrogκnio. No caso do Brasil, os reflexos das aηυes conduzidas no exterior
para o desenvolvimento da tecnologia CaC resultaram no Programa Brasileiro de
Sistemas de Cιlulas a Combustνvel ProCaC, como iniciativa do Ministιrio da
Ciκncia e Tecnologia e do Centro de Gestγo e Estudos Estratιgicos C G E E
(MCT/CGEE, 2002).
No βmbito acadκmico, verificase que desde o final da dιcada de 70
algumas atividades na αrea de cιlulas a combustνvel no nνvel nacional tκm sido
realizadas. Direta ou indiretamente vαrias instituiηυes, tais como a Universidade
Federal do Cearα, Universidade Federal do Rio de Janeiro, o Instituto de
Pesquisas Tecnolσgicas IPT de Sγo Paulo e o grupo de eletroquνmica de Sγo
Carlos, jα se dedicaram ao estudo deste tipo de tecnologia. Recentemente, e m
meados de 1998, iniciou no Instituto de Pesquisas Energιticas e Nucleares
IPEN/CNEN de Sγo Paulo o estudo e desenvolvimento de sistemas, eficientes e
de baixo impacto ambiental, associados a CaC ( W E N D T eν al, 2000).
2.3 - Sistema Conversor de Energia
As CaC sγo cιlulas eletroquνmicas que podem converter continuamente a
energia quνmica de um combustνvel e um oxidante em energia elιtrica pelo
processo envolvendo essencialmente e invariavelmente um sistema eletrodo
eletrσlito^. Caractehzamse por operar com alta eficiκncia e nνveis de emissυes
bem abaixo dos mais rνgidos padrυes.
Conforme N E T O (2005), a fσrmula termodinβmica do ciclo de Carnot^
mostra que uma mαquina tιrmica nγo pode converter toda a energia do calor em
energia mecβnica, mesmo sob condiηυes ideais, pois uma parte do calor ι
'Ibidem, 1996. p.9
perdida. Por exemplo, o motor a combustγo utiliza o calor de uma fonte de
energia em alta temperatura (Ti), converte parte desse calor em energia
mecβnica, e perde a outra parte para um ambiente de menor temperatura (T2),
como o ar ambiente.
No caso das cιlulas a combustνvel, o processo nγo envolve a conversγo de
calor em energia mecβnica, pois estas transformam a energia quνmica
diretamente em energia elιtrica (FIG 2.1). Desta forma, a eficiκncia das CaC pode
superar o limite de Carnot, atι m e s m o e m baixa temperatura, como e m 80 °C
{ibidem, 2005. p. 94).
Conversão em
energia tιrmica V
Conversão em energia mecβnica
FIGURA 2.1 Conversγo direta de energia das CaC em comparaηγo as tecnologias de conversγo indireta.
Ademais, o sistema de CaC apresenta vantagens por ser modular,
podendo ser construνda para uma larga escala de requerimentos de potκncia,
desde a centena de watts atι a m٥ltiplos kilowatts e megawatts, permitindo desta
maneira, a construηγo de plantas energιticas altamente eficientes atι em locais
remotos. Devido ΰs baixas emissυes, as plantas de CaC podem ser instaladas na
localidade onde a energia serα consumida e, principalmente, em αreas
densamente povoadas. Como resultado, as linhas de transmissγo sγo mais
econτmicas e as perdas no sistema sγo reduzidas.
De acordo com K O R D E S H & S I M A D E R (1996), os princνpios bαsicos da
cιlula a combustνvel sγo similares ΰs conhecidas baterias eletroquνmicas,
envolvidas em muitas atividades do nosso dia a dia. A grande diferenηa, no caso
energia quνmica contida nas substβncias. Quando essa energia ι transformada
em eletricidade, as baterias sγo descartadas (baterias primαrias) ou recarregadas
apropnadamente (baterias secundαrias). No caso da CaC, a energia quνmica ι
providenciada por combustνvel e um oxidante armazenado fora da cιlula na qual
as reaηυes ocorrem, assim, a energia elιtrica pode ser obtida continuamente,
contanto que as cιlulas sejam supridas por esses reagentes.
2.3.1 - C l a s s i f i c a ç ã o d a s T e c n o l o g i a s
Hα diferentes tipos de CaC e muitas formas de classificaηγo sγo
encontradas na literatura ( W E N D T eν. a/, 2000; 2002;. A L D A B Σ , 2004). A FIG. 2.2
apresenta um exemplo razoαvel de uma classificaηγo geral de tipos da tecnologia
com descriηυes abrangendo tambιm os quesitos: CaC diretas, indiretas e
regenerativas. Nas CaC diretas, os produtos das reaηυes das cιlulas sγo
descartados, enquanto que nas cιlulas regenerativas, os reagentes^ consumidos
sγo regenerados por um ou mais mιtodos, como indicado na FIG. 2.2 abaixo.
Cιlulas a Combustνvel
D i r e t a s R e g e n e r a ν ν v a s
B a i x a temperatura
Temperatura Intermediαria
Alta temperatura
C a C d e reforma
C a C b i o q u ν m i c a s
H 2 - O 2 H 2 - O 2 H 2 - O 2 T ι r m i c a
C o m p o s t o s o r a β n i c o s - 0 2
C o m p o s t o s o r a β n i c o s - O ?
C O - O 2 Elιtrica
C o m p o s t o s d e N? - O2
A m σ n i a - O2 F o t o q u ν m i c a
H 2 -H a l o a ι n i o s
R a d i o q u ν m i c a
Metal - O2 Mιtodos
a a II K C o m b u s t ν v e l e Oxidante
FIGURA 2.2 Classificaηγo das Cιlulas a Combustνvel
Fonte: KORDESH &SIMADER (1996), modificado por FUKUROZAKI (2006)
Os dois tipos descritos anteriormente sγo similares a baterias primαrias e
secundαrias^. O terceiro, sγo as C a C indiretas, como exemplo desta categoria
estα a cιlula c o m reforma q u e usa combustνveis orgβnicos passνveis de serem
convertidos e m hidrogκnio e, a cιlula bioquνmica, na qual uma substβncia
bioquνmica ι decomposta por meio d e enzimas e m soluηγo (algumas vezes
providas por adiηγo de bactιrias) para produzir hidrogκnio.
Uma outra subdivisγo dos modelos de sistemas de cιlulas estα de acordo
com a temperatura de operaηγo, considerada por muitos pesquisadores a mais
apropriada. Neste propσsito, a classificaηγo adotada consiste em cιlulas de baixa,
intermediαria e alta temperatura de operaηγo; respectivamente, 2 5 a lOO^C, de
100 a 500°C e, de 500 a 1000°C {\bidem, 1996. p. 10). Em cada uma dessas escalas de temperaturas, hα diferentes padrυes de C a C q u e podem ser
subdivididas d e acordo com o tipo de combustνvel (veja FIG. 2.2).
Alguns desses combustνveis podem ser disponibilizados imediatamente,
como g α s natural, o u facilmente produzidos, no caso do hidrogκnio. Entre os
compostos orgβnicos, a variedade d e potenciais combustνveis ι concebνvel, por
exemplo, por hidrocarbonetos, αlcoois e, inclusive o carbono o u grafite. Os
combustνveis contendo nitrogκnio utilizam a amσnia, a hidrazina, entre outras, e o
oxigκnio, na sua forma pura o u ar, ι usado praticamente e m todas as CaC como
oxidante. T a m b ι m ι possνvel a subdivisγo d o ponto de vista da natureza
eletroquνmica do eletrσlito utilizado. Esta classificaηγo nγo estα presente na FIG.
2.2 , m a s u m exemplo desta pode ser observado na TAB. 2 . 1 .
TABELA 2.1 Classificaηγo das CaC conforme o eletrσlito utilizado
C ι l u l a a C o m b u s t ν v e l S i g l a Eletrσlito T e m p e r a t u r a d e O p e r a ç ã o
Alcalina AFC Alcalino 50 a 200° C
Membrana Trocadora de Prσtons ' PEMFC Polνmero 50 a 130°C
Metanol Direto DMFC Polνmero 60 a130°C
Acido Fosfσrico PAFC Acido fosfσrico 190 a 2 1 0 ° C
Carbonato fundido MCFC Carbonato fundido 630 a 650 °C
Oxido Sσlido SOFC Oxido sσlido 700 a 1000°C
1 - Tambιm conhecida com Cιlula a Combustνvel de Polνmero Eletrolνtico - PEFC e como Cιlula a Combustνvel de Polνmero Sσlido - SPFC
Fonte: PROCaC/ CCGE/MCT (2002
Em relaηγo ΰ natureza de operaηγo, os eletrσlitos polimιricos sγo
comumente utilizados em temperaturas baixas e intermediαrias (pressurizados).
Enquanto que os eletrσlitos fundidos sγo ocasionalmente utilizados em
temperaturas intermediαrias, mas usualmente em altas [ibidem, 1996. p.11). Jα os eletrσlitos sσlidos (por exemplo mistura de σxidos, quando o νon oxigκnio ι a
espιcie transportada) sγo usados em altas temperaturas. Em termos de
praticidade, os sistemas CaC sγo distinguidos pelos tipos de eletrσlitos utilizados
seguidos dos nomes e abreviaηυes, mais freq٧entemente usados nas publicaηυes
(veja TAB 2.1).
2.4 - Principais Vantagens
A s CaC oferecem in٥meras vantagens como eficiκncia, seguranηa,
economia, baixas emissυes, caracterνsticas ٥nicas de operaηγo^, flexibilidade de
planejamento e futuro potencial de desenvolvimento. Dentre estes aspectos,
destacamse, em particular; a alta eficiκncia e seguranηa, a flexibilidade de
planejamento e o desempenho ambiental.
2.4.1 - A l t a E f i c i ê n c i a e S e g u r a n ç a
Conforme NETO (2005), a eficiκncia ι um valor utilizado como parβmetro
para verificar a eficαcia^° dos componentes, sistemas e processos. No que tange
a conversυes de energia, a eficiκncia comumente reflete a relaηγo entre a energia
realmente aproveitada e a que foi inicialmente utilizada, normalmente expressa
em porcentagem.
De acordo com a termodinβmica, a conversγo de energia ι sempre menor
que 100% e, cada conversγo de energia resulta em algumas perdas. No caso das
CaC ι possνvel transformar atι 9 0 % da energia presente em um combustνvel em
eletricidade e calor (i£)/dem, 1996. p. 11). A atual cιlula PAFC foi projetada para
^ Como por exemplo, a confiabilidade no que tange ao controle de voltagem da linlia de distribuição e controle de qualidade (ibidem, 1996. p 13)
oferecer 4 2 % de eficiκncia na conversγo elιtrica com base em altas temperaturas.
Em curto prazo serα possνvel que a PAFC atinja atι 46 % de eficiκncia, pelo
avanηo do conhecimento em ciκncias e engenharia (FIG. 2.3).
O Instituto de Pesquisa de Energia Elιtrica Electric Power Research Institute estima que o progresso nas cιlulas de carbonato fundido (MCFC) resultarα em eficiκncias elιtricas acima d e 6 0 % , excluindo o topo do ciclo, no qual
estas podem ser ainda maiores. Alιm disto, este parβmetro ι independente do
tamanho, visto que a CaC pode operar com a metade da taxa de capacidade,
enquanto mantιm uma elevada eficiκncia no uso do combustνvel (/Jb/cfem,1966,
p.12).
C ι l u l a s a C o m b u s t ν v e l
Motor a d i e s e l
Motor a g a s o l i n a
T u r b i n a a g α s e a v a p o r
20 30 40 50 60 70
FIGURA 2.3 Comparaηγo das eficiκncias em porcentagem (%) Fonte: NETO, 2005
Outro atributo importante da CaC ι a aptidγo para cogeraηγo, por exemplo,
a produηγo de αgua quente e vapor de baixa temperatura concomitante a geraηγo
de eletricidade^ \ Esta taxa de eletricidade e saνda tιrmica ι de aproximadamente
1.0, enquanto na turbina a gαs ι em torno de 0.5, comparativamente isto
representa o dobro de saνda elιtrica para a mesma carga de energia. Em
tamanhos pequenos atι sistemas de utilidade p٥blica, as CaC t a m b ι m sγo mais
eficientes (por um fator 2) quando comparadas, por exemplo, com um ciclo
combinado de 2 M W e taxa de produηγo de calor de 15 000 Btu/kWh.
Nγo obstante, os sistemas CaC constituemse de partes modulares e nγo
girantes, apresentando elevada seguranηa em relaηγo a turbinas de combustγo
de sistemas de ciclos combinados ou engenharia de combustγo interna, uma vez
q u e nγo hα experiκncia*^ relatada de desarranjos catastrσficos, como os que
ocorrem quando as partes mecβnicas dos sistemas convencionais mencionados,
falham. Esperase que sistemas de CaC "avanηados" apresentem mais
vantagens em relaηγo ΰs tecnologias competitivas atuais.
2.4.2 - F l e x i b i l i d a d e de P l a n e j a m e n t o
A flexibilidade de planejamento dos sistemas de CaC, incluindo o aspecto
d e modularidade, resulta em benefνcios estratιgicos e financeiros para diversos
propσsitos e clientes. Segundo K O R D E S H & S I M A D E R (1996), as plantas de
geraηγo de energia de CaC podem ser construνdas em torno de dois anos, sendo
o desempenho independente do seu tamanho; possibilitando o uso progressivo da
capacidade do sistema por pequenos incrementos e, segundo as necessidades
dos clientes.
Desta forma, ao igualar melhor o aumento das exigκncias de energia, os
longos perνodos de sobrecarga podem ser evitados e os custos mιdios fixos
p o d e m ser diminuνdos. Portanto, mesmo se o crescimento do consumo ι incerto,
a CaC tornase mais adequada ΰ medida que sua capacidade operacional pode
diminuir ou ser acelerada rapidamente em resposta a demanda.
Em adiηγo, os benefνcios obtidos com o uso da tecnologia CaC encontram
se, alιm do arrefecimento d e reservas marginais, a confiabilidade das pequenas
unidades de geraηγo de energia distribuνda. Ou seja, a produηγo de eletricidade
no local onde essa serα consumida, possibilita, entre outros aspectos, na reduηγo
das probabilidades de falhas devido a interrupηυes externas de transmissγo e,
conseq٧entemente, na mitigaηγo de despesas de manutenηγo.
12 A experiência relata somente a perda de eficiência
