Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES
ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM DIDÁTICA
Panambi 2012
RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES
ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM DIDÁTICA
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1° Avaliador: Prof. Luis Antonio Bortolaia, Dr.
Estado do Rio Grande do Sul. Completou sua formação de ensino médio juntamente com o ensino Técnico em Mecânica no Colégio Evangélico Panambi em 2002 no município de Panambi/RS. Realizou estágio nos diversos setores da empresa Tromink Industrial no período de 1998 a 2002. Atuou na função de projetista na Instituição de Ensino Colégio Evangélico Panambi, onde trabalhou no período de 2002 a 2011 Atualmente exerce a mesma função na Engenharia Industrial da empresa Kepler Weber S.A. Pretende se especializar no futuro na área de Projeto de Máquinas, a qual apresenta grandes potencialidades para o crescimento profissional.
do cotidiano.
À família pelo incentivo, apoio constante e compreensão ímpar em períodos onde a busca pela graduação, exigiu redobrado tempo e atenção.
Aos meus colegas pelo grande apoio e pelos momentos de diálogo e discussões para desenvolvimento de ideias e esclarecimento de dúvidas.
Aos meus amados pais, Irineu Gonçalves (in memoriam) e Milady de Oliveira Gonçalves. Aos queridos irmãos Deidri e Pablo, por quem tenho um apreço inestimável. À minha noiva Marina, a quem reservo o mais puro sentimento de amor e respeito.
propriamente focadas nas células a combustíveis. Em primeira instância, serão abordadas algumas informações básicas e algumas curiosidades a respeito dessa tecnologia e seus constituintes. Será apresentado assim, um breve histórico sobre o gás hidrogênio, e sobre células a combustível. Posteriormente, para efeitos de conhecimento, será apresentada uma classificação básica e os tipos de células que compões essa classificação. Em sequência ao assunto, serão apresentados alguns cálculos referente a eficiência energética desses dispositivos, estabelecendo comparativos com testes práticos realizados com uma célula a combustível adquirida.
Expressões chaves: Célula a combustível, tecnologia, hidrogênio, tipos de
on fuel cells. In the first instance, be dealt with some basic information and some trivia about this technology and its constituents. Will be presented as a brief history of the hydrogen gas and on fuel cells. Later, for the purposes of knowledge, will present a basic characterization and cell types that comprise this classification. In response to the issue, we introduce some calculations regarding the energy efficiency of these devices, establishing practical comparative tests conducted with a fuel cell acquired.
Key expressions: Fuel cell, technology, hydrogen, cell types, energy efficiency,
Figura 2 – Geração de energia elétrica por motor e turbina a vapor. [4] ... 25
Figura 3 – Geração de energia elétrica por uma CaC. [4] ... 25
Figura 4 – Representação básica de uma CaC. [2] ... 26
Figura 5 – Seção transversal de uma CaC do tipo PEM. [5] ... 26
Figura 6 – Linha de eventos relacionados a células de combustíveis [1]. ... 27
Figura 7 – Representação de uma CaC e suas princiapais partes. [2] ... 28
Figura 8 – Estrutura molecular da membrana polimérica Nafion®. [2] ... 30
Figura 9 – H2 entrando em contato com o catalisador. [2] ... 30
Figura 10 – Representação das reações químicas que ocorrem em um CaC. [6] ... 31
Figura 11 – Quebra das moléculas de H2 e fluxo de elétrons. [2] ... 32
Figura 12 – Mólécula de O2 entrando nos canais de fluxo da CaC. [2] ... 32
Figura 13 – Formação de vapor de água. [2] ... 33
Figura 14 – CaC usada nos programas da NASA. [2] ... 36
Figura 15 – Paracelsus – Não sabia o que se tratava sua descoberta [11]. ... 43
Figura 16 – Robert Boyle [11]. ... 43
Figura 17 – Henry Cavendish [11]. ... 44
Figura 18 – Antoine Laurent Lavoisier – Nomeou o hidrogênio [11]. ... 44
Figura 19 – Jacques Charles – Subiu um balão com hidrogênio. [11]. ... 45
Figura 20 – “La Charlière” de Jacques Charles. [11]. ... 45
Figura 21 – Meios possíveis para produção de hidrogênio. [13] ... 49
Figura 22 – Classificação da matéria. [14]. ... 62
Figura 23 – Fórmulas moleculares de algumas substâncias. [14] ... 63
Figura 24 – Fórmulas estruturais de algumas substâncias. [14] ... 64
Figura 25 – Escalas de temperaturas. [14]... 67
Figura 27 – Experimentos que deram origem a lei de Charles. [14] ... 70
Figura 28 – Átomo de silício e sua estrutura. [15] ... 74
Figura 29 – Átomo de hidrogênio e sua estrutura. [15] ... 75
Figura 30 – Lei fundamental das cargas opostas. [15] ... 75
Figura 31 – Campo eletrostático entre corpos com cargas opostas. [15] ... 76
Figura 32 – Pilha química voltáica. [15] ... 78
Figura 33 – Alguns dos símbolos mais utilizados na eletricidade. [15] ... 80
Figura 34 – Partes de um circuito elétrico. [15] ... 81
Figura 35 – Exemplo de circuito aberto (a) e circuito fechado (b). [15] ... 82
Figura 36 – Funcionamento de um resistor variável. [15]... 83
Figura 37 – Círculo da lei de Ohm. [15] ... 84
Figura 38 – Cilindro exemplificando uma massa de controle. [1] ... 89
Figura 39 – Turbina exemplificando um volume de controle. [1] ... 89
Figura 40 – CaC representada como um volume de controle. [1] ... 90
Figura 41 – Kit educacional adquirido da Horizon Fuel Cell Tecnology. (autor) ... 99
Figura 42 – CaC utilizada para os experimentos. (autor) ... 99
Figura 43 – Recipiente contendo água bideionizada. (autor) ... 101
Figura 44 – Termômetro Full Gauge com quatro sensores. (autor) ... 101
Figura 45 – Placa de aquisição de dados. (autor) ... 102
Figura 46 – Multímetro utilizado nos experimentos. (autor) ... 103
Figura 47 – Materiais diversos utilizados nos teste. (autor) ... 104
Figura 48 – Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) .. 106
Figura 49 – Circuito montado para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) .... 106
Figura 50 – H2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ... 108
Figura 51 – O2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ... 108
Figura 52 – Gráficos – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ... 109
Figura 53 – Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) .. 110
Figura 54 – Circuito montado para os experimentos da Corrente x Tempo. (autor) . 111 Figura 55 – H2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ... 112
Figura 56 – O2 produzido – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ... 113
Figura 57 – Gráficos – 1° experimento [a]; 2° experimento [b]. (autor) ... 113
Figura 58 – Projeto do circuito para o a potência na produção de H2 e O2 . (autor).. 114
Figura 59 – Circuito montado para o primeiro experimento. (autor) ... 115
Figura 60 – Potência fornecida – Nível de H2 [a]; Nível de O2 [b]. (autor) ... 116
Figura 61 – Gráfico das Grandezas x Tempo. (autor) ... 118
Figura 62 – Projeto do circuito elétrico para o experimento da função CaC. (autor) 122 Figura 63 – Circuito montado para estudo da função CaC. (autor) ... 122
Figura 64 – Nível inicial de H2 para o experimento da CaC . (autor)... 123
Figura 65 – Gráfico da queda de tensão ocorrida no experimento. (autor) ... 124
Figura 66 – Nível de H2 ao final do experimento. (autor) ... 125
Figura 67 – Grandezas envolvidas no rendimento da CaC. (autor) ... 127
Tabela 2 – Comparativo do potencial energético. [9] ... 47
Tabela 3 – Informações técnicas do hidrogênio. [2] ... 48
Tabela 4 – Densidade de substâncias comuns ( , ). [14] ... 62
Tabela 5 – Fórmulas moleculares e empíricas. [14] ... 64
Tabela 6 – Compressão do gás hidrogênio a . [14] ... 69
Tabela 7 – Unidades fundamentais do Sistema Métrico Internacional (S.I.). [15] ... 78
Tabela 8 – Unidades suplementares do Sistema Internacional. [15] ... 79
Tabela 9 – Algumas unidades derivadas do S.I. [15] ... 79
Tabela 10 – Componentes elétricos e suas identificações. [15] ... 81
Tabela 11 – Experimento Tensão x Tempo – Dados dos instantes iniciais. (autor) ... 107
Tabela 12 – Experimento Tensão x Tempo – Dados dos instantes finais. (autor) ... 107
Tabela 13 – Experimentos Corrente x Tempo – Dados do instante inicial. (autor).... 111
Tabela 14 – Experimento Corrente x Tempo – Dados dos instantes finais. (autor) ... 112
Tabela 15 – Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) 115 Tabela 16 – Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) 116 Tabela 17 – Potência fornecida a CaC - Resultados do experimento. (autor) ... 117
Tabela 18 – Experimento da CaC – Dados do instante inicial. (autor) ... 123
Tabela 19 – Dados coletados no encerramento do experimento. (autor) ... 124
Alkaline Fuel Cell Célula a Combustível Alcalina
Analogic Ground Terra analógico
CaC Célula a Combustível ---
Corrente contínua ---
Channel zero Canal zero
Channel one Canal um
Combined Heat and Power Combinação de calor e potência
Direct Etanol Fuel Cell Célula a combustível com uso de
etanol direto
Direct Metanol Fuel Cell ---
Força Eletromotriz ---
HHV Hight Heat Value Poder Calorífico Superior
Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell
Célula a combustível de óxido sólido de temperatura
intermediária
Phosphoric Acid Fuel Cell Célula a combustível de ácido
fosfórico
Protonic Ceramic Fuel Cell Célula a combustível de cerâmica protônica
Proton Exchange Membrane Membrana trocadora de Prótons
Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Célula a combustível com membrana trocadora de prótons
Molten Carbone Fuel Cell Célula a combustível de carbonato
Membrane Electrode Assembly Conjunto de membrana e eletrodo
Regenerative Fuel Cell Célula a combustível regenerativa
$ Dólar ---
Sistema Internacional de Unidades ---
Sólide Oxide Fuel Cell Célula a combustível de óxido
sólido
Tubular Solid Oxide Fuel Cell Célula a combustível de óxido sólido tubular
Zinc-Air Fuel Cell Célula a combustível zinco-ar
Metano (Gás natural)
Monóxido de carbono
Dióxido de carbono (Gás carôonico)
Representação dos elétrons Íons de Hidrogênio Mólecula de gás Hidrogênio
Fórmula empírica da molécula de água
Ácidio Sulfídrico
Átomos de oxigênio carregados negativamente Mólecula de gás oxigênio
Área , Carga elétrica C Densidade Diferencial da energia Diferencial da Entropia Distância, comprimento , , ,
Carga elétrica (Coulomb)
Energia Energia Cinética Carga do elétron C Energia Potencial Freqüência Constante de Farady --- Energia de alimentação do combustível Aceleração da gravidade Entalpia Corrente ,
Constante da relação pressão x
volume de um gás ---
Massa ,
Massa do elétron ,
Massa de Hidrogênio ,
Massa molar do Hidrogênio ,
Número de mols
Número de Avogadro ---
Número de elétrons envolvidos em uma reação
---
Pressão , , , ,
Força peso (Newton)
Potencial elétrico de saída
Quantidade de calor ,
Quantidade de calor recebido ,
Taxa de consumo de combustível
Quantidade de calor rejeitado ,
Quantidade calor revesível
Resistêcia ,
Constante dos gases perfeitos ---
Entropia
Tempo , ,
Temperatura ,
Temperatua inicial ,
Energia interna do sistema
Unidade de massa atômica
Volume , , , Tensão Tensão ideal Tensão de operação Número atômico --- ̇ Potência , ,
Energia
Trabalho elétrico
Energia armazendada
Energia produzida pela CaC
Energia total
Variação da energia de Gibbs
Variação da entalpia
Entalpia de formação ideal
Variação da Entropia
Calor de entrada no sistema
Trabalho de saída do sistema
Rendimento %
Rendimento do eletrolisador %
SUMÁRIO INTRODUÇÃO ... 21 1. OBJETIVOS ... 23 1.1. OBJETIVO PRINCIPAL ... 23 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 23 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 24 2.1. CÉLULA A COMBUSTÍVEL ... 24
2.1.1. O que é uma célula a combustível ... 24
2.1.2. Histórico das células a combustíveis ... 27
2.1.3. Partes principais de uma CaC ... 28
2.1.4. Funcionamento ... 30 2.1.5. Tipos principais ... 34 2.1.6. Principais aplicações ... 36 2.1.7. Benefícios ... 38 2.1.8. Vantagens e desvantagens ... 39 2.2. HIDROGÊNIO ... 42 2.2.1. Um pouco da história ... 42 2.2.2. Acerca do elemento ... 46 2.2.3. Produção de hidrogênio ... 48 2.2.4. Armazenamento do hidrogênio ... 54 2.2.5. Distribuição ... 58 2.3. QUÍMICA GERAL ... 60
2.3.1. Matéria e seus conceitos fundamentais ... 60
2.3.2. Formulações ... 63
2.3.3. Peso atômico e outras massas ... 65
2.3.5. Gases ideais ... 66
2.3.6. Relação pressão x volume: Lei de Boyle... 68
2.3.7. Efeitos da temperatura: Leis de Charles ... 70
2.3.8. Comportamento do gás ideal – Princípio de Avogadro ... 71
2.3.9. O átomo ... 72
2.4. ELETRICIDADE BÁSICA ... 74
2.4.1. A natureza da eletricidade ... 74
2.4.2. A carga elétrica e o Coulomb ... 75
2.4.3. O campo eletrostático ... 76
2.4.4. Diferença de potencial ... 76
2.4.5. A corrente ... 77
2.4.6. Fontes de eletricidade ... 77
2.4.7. Padrões elétricos, símbolos e convenções. ... 78
2.4.8. Lei de Ohm e potência ... 81
2.4.9. Leis de Faraday ... 85
2.5. TERMODINÂMICA BÁSICA ... 86
2.5.1. A primeira lei da termodinâmica ... 87
2.5.2. A segunda lei da termodinâmica ... 90
2.5.3. Características elétricas das células de combustíveis ... 91
2.5.4. Eficiência... 94 3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 98 3.1. MATERIAIS ... 98 3.1.1. Célula a combustível ... 98 3.1.2. Água bi deionizada ... 100 3.1.3. Termômetro ... 101
3.1.4. Placa de aquisição de dados ... 102
3.1.5. Multímetro ... 103
3.1.6. Materiais diversos ... 104
3.2.1. Experimentos da Tensão x Tempo ... 105
3.2.2. Experimento da Corrente x Tempo ... 110
3.2.3. Experimento da Potência fornecida para produzir H2 e O2 ... 114
3.3. EXPERIMENTO DA FUNÇÃO CÉLULA A COMBUSTÍVEL ... 121
3.3.1. Experimento da CaC ... 121
4. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS ... 131
4.1. EXPERIMENTO DO ELETROLISADOR ... 131
4.1.1. Experimento da Tensão x Tempo ... 131
4.1.2. Experimento da Corrente x Tempo ... 131
4.1.3. Experimento da Potência fornecida para produzir H2 e O2 ... 132
4.1.4. Experimento da CaC ... 133
4.1.1. Eficiência da CaC ... 136
5. SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS ESTUDOS ... 137
5.1. ESTUDO TÉRMICO DA CAC ... 137
5.2. ESTUDO DAS CAUSAS DA PERDA DE EFICIÊNCIA ... 138
5.3. ESTUDO DA EFICIÊNCIA EM LABORATÓRIOS ... 138
CONCLUSÃO ... 139
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 141
INTRODUÇÃO
A acentuada degradação ambiental somada ao aumento populacional e ao desenvolvimento das nações têm levantado questionamentos e discussões na comunidade científica sobre o tema produção de energia. Essas discussões são estimuladas ainda pela necessidade de encontrar soluções mais eficientes e menos poluentes para a produção e consumo dessa energia, eliminando em partes com a dependência que existe atualmente pelo petróleo.
Essa carência mundial em produção eficiente de energia está alertando cientistas e as grandes empresas produtoras de energia sobre a necessidade de encontrar outras formas para suprir a demanda que cresce diariamente.
Por outro lado, a sociedade mundial está se voltando cada vez mais para os cuidados com o meio ambiente. Logo, essa tendência também se reflete nas pesquisas de novas fontes de produção de energia. O interesse em produzir energia de fontes renováveis, não poluentes, está cada vez mais próximo de se tornar realidade.
Como sempre, o “produto” energia é algo que representa às nações a possibilidade de supremacia sobre as demais. Para as nações em desenvolvimento, a possibilidade de deter tecnologias de geração de energia renovável, é algo que representa sair de uma posição de submissão para uma possível posição de referência.
Com isso, aproveitando esse panorama mundial, será abordada neste trabalho uma das tecnologias mais eficientes de produção de energia que é a das células a combustível a hidrogênio, com potencial para uso como energia renovável.
Assim, serão abordados alguns dados referentes às células a combustíveis, mais especificamente sobre o tipo de membrana trocadora de prótons, pela qual, serão realizados alguns cálculos, visando a difusão do tema, e o entendimento do funcionamento dessa tecnologia antiga, mas ao mesmo tempo inovadora e que será
em um futuro próximo, possivelmente uma das formas mais empregadas para a geração de energia para o mundo.
1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo principal
Este trabalho tem com objetivo principal realizar uma pesquisa sobre a tecnologia de células a combustível. Essa pesquisa consiste em descrever suas características principais, realizar alguns experimentos, e baseado nestes, desenvolver cálculos para obtenção do rendimento de uma célula a combustível com membrana trocadora de prótons (Proton Exchange Membrane, PEM).
1.2. Objetivos específicos
Tem-se como objetivos específicos:
A aquisição de uma célula a combustível para fins didáticos, servindo como base para cálculos de potência e rendimento.
Apresentar de maneira clara, os cálculos e os resultados obtidos para propiciar discussões sobre a tecnologia em questão.
Apresentar diagramas que representem de maneira gráfica os valores coletados e os resultados obtidos dos cálculos realizados.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Célula a combustível
2.1.1. O que é uma célula a combustível
Uma célula a combustível (CaC) é um “dispositivo” eletroquímico que converte continuamente energia química em energia elétrica enquanto um combustível e algum comburente são fornecidos. [1].
As CaC têm semelhanças comuns com as pilhas, baterias e motores, pois partilham do mesmo princípio de geração de energia (convertendo energia química em trabalho). Entretanto, as CaC não precisam de recargas, e operam com alta eficiência e sem nenhum tipo de ruído. Outra vantagem é que se utilizado o hidrogênio ( ) como combustível, os únicos produtos gerados por essa combustão, são energia elétrica, água e calor.
Tratando da termodinâmica da geração e energia, será visto, que uma das diferenças entre motores térmicos e uma CaC se refere a suas eficiências. Motores térmicos são baseados no ciclo de Carnot, mostrado na figura 1, e as células de combustíveis não. Como as CaC convertem energia química em energia elétrica, não envolvendo a conversão de calor em energia mecânica, a sua eficiência pode superar o limite de Carnot até mesmo em temperaturas relativamente baixas, como por exemplo, a . [2]
Para entender o motivo pelo qual uma CaC alcança uma eficiência maior que outras fontes de energia, é estabelecido um comparativo de um motor térmico e uma CaC. Na figura 2, tem-se um processo de geração de energia elétrica com turbina a vapor e na figura 3, tem-se a geração de eletricidade com uma CaC. Cada processo em função das etapas requeridas. Salienta-se que em cada processo representado por uma caixa nas figuras, há perdas de eficiência, dessa maneira, o sistema de geração de energia que mais processos apresentar, mais perdas terá.
Figura 2 – Geração de energia elétrica por motor e turbina a vapor. [4]
Figura 3 – Geração de energia elétrica por uma CaC. [4]
De maneira resumida, uma CaC é composta por camadas, sendo que cada uma dessas camadas tem uma determinada função. Duas dessas camadas são os eletrodos. Esses são porosos para que ocorra a passagem dos gases até a camada do meio, o eletrólito. Cobrindo o eletrólito, encontram-se os catalisadores. Esses catalisadores servem para acelerar as reações e quebrar as moléculas de . [2]. Como exemplo desses componentes, citam-se a platina e o níquel. Nas figuras 4 e 5,
tem-se a representação do conjunto membrana e eletrodo (Membrane Electrode Assembly, MEA).
Figura 4 – Representação básica de uma CaC. [2]
Figura 5 – Seção transversal de uma CaC do tipo PEM. [5]
2.1.2. Histórico das células a combustíveis
A tecnologia de CaC existe a mais de 150 anos. A primeira CaC foi desenvolvida pelo físico inglês chamado William Grove em 1839. Nessa época, já se tinha o conhecimento que passando eletricidade pela água, era obtido e oxigênio. Entretanto, foi pelo processo reverso que ocorreu a descoberta, pois aproveitando o e do oxigênio produzido por eletrólise, que se obteve eletricidade, calor e vapor de água. A partir dai, vieram diversos estudos, os quais são apresentados na figura 6 em ordem cronológica.
2.1.3. Partes principais de uma CaC
Dentro da família de CaC, existem diversas variações de materiais e estruturas, entretanto, todas partilham basicamente de uma mesma composição, mostradas na figura 7.
Figura 7 – Representação de uma CaC e suas princiapais partes. [2]
2.1.3.1. Eletrodo do
É a camada em que o passa por canais de fluxo desenhados na placa do eletrodo [figura 7]. O objetivo é atingir toda a superfície revestida pelo catalisador. [2]
O eletrodo do gás é o terminal negativo, chamado de ânodo. Por ser o componente que conduz a eletricidade, deve ser bom condutor, o que justifica o uso de grafite misturado à resina, ou de metais como aço inoxidável.
2.1.3.2. Eletrodo do oxigênio ou ar
Essa é a camada em que o oxigênio passa por canais de fluxo desenhados na placa do eletrodo [figura 7]. O objetivo é atingir toda a superfície revestida pelo catalisador. Observe que é exatamente a mesma descrição do eletrodo do , no entanto, o que muda neste lado é gás que adentra nos canais da CaC.
Por ser o terminal positivo, este eletrodo recebe o nome de cátodo.
2.1.3.3. Catalisador
Durante o fluxo pelos canais dos eletrodos, os gases entram em contato com micro partículas de catalisadores (2ª camada). Nas figuras 4, 5 é possível ver essas partículas. Esses catalisadores [figura 7], além de acelerar as reações químicas, são também responsáveis pela quebra da molécula de em íons positivos e elétrons ( ). O catalisador mais utilizado é o de platina-carbono, entretanto nos últimos cinco anos, estudos concentrados tem mostrado que o catalisador de platina-níquel se sobressai em termos de eficiência e funcionalidade, logo, está ganhando espaço nessa área.
2.1.3.4. Eletrólito
Juntamente com o catalizador, o eletrólito é a lógica de todo o funcionamento da CaC. Ele pode ser líquido ou sólido, e tem a propriedade de permitir movimento somente dos prótons ( ), fazendo com que o fluxo de elétrons seja direcionado a um circuito externo. Com isso, aproveitando-se esse fluxo de elétrons que passa por fora do eletrólito, se torna possível acender uma lâmpada, ligar e dar movimento ao um automóvel por exemplo.
A membrana que comumente é usada atualmente recebe o nome comercial de Nafion® a qual é marca registrada da Dupont. O polímero apresenta sua fórmula molecular conforme mostrado na figura 8.
Figura 8 – Estrutura molecular da membrana polimérica Nafion®. [2]
2.1.4. Funcionamento
A seguir é apresentado um descritivo de como ocorre o processo de geração de energia com uma CaC. Salienta-se que o processo apresentado abaixo é semelhante para todos os tipos de células, diferenciando-se basicamente no produto resultante das reações.
As etapas do funcionamento são:
I. A CaC simples é constituída de dois lados. Em um desses lados, onde se encontra o ânodo, o gás é bombeado pelos canais de fluxo até que atinja o catalisador, como mostra a figura 9.
II. No momento em que ocorre o contato do com o catalisador, é realizada a separação entre íons de e elétrons. Dessa forma, surgem dois íons de hidrogênio ( ) e dois elétrons ( ).
III. Como visto anteriormente, o eletrólito só permite a passagem dos íons de , sendo que os elétrons são direcionados pelos eletrodos a um circuito externo no sentido do cátodo. Esse fluxo de elétrons que ocorre pelo circuito externo é utilizado para o uso nas mais variadas aplicações. As moléculas de que não são quebradas são realimentadas até que o processo seja feito por completo. A reação química que ocorre nessa etapa é mostrada na equação 1 e representada na figura 10:
(1)
A figura 11 representa o efeito que é descrito nas etapas II e III.
Figura 11 – Quebra das moléculas de H2 e fluxo de elétrons. [2]
IV. No mesmo instante em que o é bombeado para dentro da CaC, o gás oxigênio ( ) também é bombeado no outro lado da célula. Nesse lado, encontra-se o terminal positivo do eletrodo. A figura 12 representa o passando pelos canais de fluxo e entrando em contato com o catalisador, porém no lado inverso .
V. No instante em que a molécula de oxigênio entra em contato com o catalizador, essa recebe os íons de que passaram pelo eletrólito e também recebe os elétrons que vem pelo circuito externo. Nesse momento, ocorre a liberação de calor e a formação da molécula de água ( ), o que resulta em vapor de água. A reação química que ocorre é apresentada na equação 2:
(2)
A figura 13 representa o processo descrito na etapa V.
2.1.5. Tipos principais
Atualmente existe uma família de CaC que pode ser caracterizada pelo eletrólito usado, ou ainda pelas siglas mostradas na tabela 1. A base funcional de todas essas células segue o mesmo princípio. No ânodo, um combustível que geralmente é o , é oxidado em elétrons e prótons. No cátodo o oxigênio é reduzido e forma água com o que se transfere de um lado oposto CaC.
Tabela 1 – Principais tipos de CaC e algumas características. [1]
TIPO ELETRÓLITO ESPÉCIE TRASNPORT. TEMP. DE OPERAÇÃO °C COMBUSTÍVEL EFICIÊNCIA ELÉTRICA POTÊNCIA ALCANÇADA / APLICAÇÃO AFC Concentrado / militar e espacial PEMF C Polímero condutor de prótons (Ex.: Nafion¹) puro, mas tolerante a 5 – 250 kW (CHP) / Ramo automotivo e de equipamentos portáteis PAFC Ácido Fosfórico puro, mas tolera até 1% de 200 kW (CHP) MCFC Carbonato de lítio e potássio , outros hidrocarboneto s (Tolera ) Alcance de 200 kW - MW (CHP e somente célula) SOFC Eletrólito de óxido Sólido (yttria, zirconia) , outros hidrocarboneto s (Tolera ) Alcance de 2 kW - MW (CHP e somente célula)
AFC (Alkaline Fuel Cell) – CaC alcalina.
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – CaC com membrana trocadora de prótons.
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – CaC de ácido fosfórico.
SOFC (Sólide Oxide Fuel Cell) – CaC de óxido sólido. Possui algumas derivações que são chamadas de PSOFC (Planar Solid Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido na forma planar; TSOFC (Tubular Solid Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido na forma tubular; ITSOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido de temperatura intermediária (600° C a 800° C). [1,7]
Existem ainda outras tecnologias que seguem a base das células apresentadas acima. Dessas citam-se:
DMFC (Direct Metanol Fuel Cell) - CaC com uso de metanol direto. DEFC (Direct Etanol Fuel Cell) - CaC com uso de etanol direto. RFC (Regenerative Fuel Cell) CaC regenerativa.
ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – CaC de zinco - ar.
PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cell) – CaC de cerâmica protônica.
Outra classificação das células a combustíveis é regida pela temperatura de trabalho dessas. Assim, tem-se o subgrupo das que trabalham sob regime de alta temperatura e as de baixa temperatura.
Estão no subgrupo de alta temperatura de operação a SOFC e MCFC (800° C a 1000° C). Já no de baixa temperatura de operação estão a PEMFC, DEFC, DMFC, PAFC e AFC (80° C a 600° C).
As ITSOFC surgiram a fins de baratear e estabilizar estruturalmente os componentes das CaC, pois possibilitam assim empregar componentes mais acessíveis com uma estabilidade dimensional melhorada. [8]
Entretanto, as SOFC e MCFC possuem papel importante na geração de energia estacionária. Estas duas CaC têm duas grandes vantagens sobre as do tipo de baixa temperatura. [1].
A primeira grande vantagem está relacionada às altas eficiências elétricas alcançadas. Protótipos construídos em laboratórios têm alcançado mais de 45%. Isso as torna particularmente atraentes para a eficiência no setor de energia estacionária.
Em segundo lugar, as altas temperaturas de operação permitem de maneira direta o processamento interno de combustíveis, tais como gás natural. Isto reduz a complexidade do sistema em comparação as centrais elétricas de baixa temperatura, as quais requerem a geração de hidrogênio em etapas adicionais no processo. [9]
2.1.6. Principais aplicações
Foram nos programas espaciais Gemini e Apollo que surgiram as primeiras aplicações para as CaC. Na figura 14 é possível ver o modelo utilizado pelos programas [2]. Além de gerar energia elétrica, também servia para a produção de água para o sistema da nave. Era exatamente o que a NASA – National Administration Space Aereo (Administração Nacional da Aeronáutica e do Espaço) precisava, pois se tratava de um equipamento que gerava energia com eficiência e que utilizava um combustível leve e com grande densidade de energia como o . Nessa época, devido a ser uma tecnologia cara e de certa forma inovadora, suas aplicações limitava-se a programas espaciais. [1,2]
Pesquisas extensivas estão sendo realizadas sobre CaC e seus componentes, na tentativa de viabilizar o uso comercial desse equipamento. Atualmente, essas são aplicadas em diversas áreas, mas estão recebendo destaques nas áreas de transporte, geração de energia para residências, centros comerciais, hotéis e hospitais, estações de energia e em equipamentos portáteis. Assim, gradativamente, as células de combustíveis estão ganhando espaço no cenário de geração de energia.
2.1.6.1. Transporte
O setor de transportes é o que mais apresenta vantagens para o uso das CaC. É bem provável que essa tecnologia se torne a mais séria candidata a competir com os motores de combustão interna. Isso se dá devido ao comparativo de eficiência, onde as células de combustíveis por gerarem energia por um processo eletroquímico (transformação química em energia elétrica sem processos intermediários) possuem uma eficiência elevada em relação aos motores térmicos.
Outro quesito que torna essa tecnologia mais atraente do que os motores de combustão interna é o fato da emissão zero. Com a tendência mundial em seguir na redução de poluentes, o fato de produzir energia elétrica sem poluir, é algo que sustenta a ideia de que as células são sim uma maneira de caminhar para um futuro mais limpo.
Entretanto, uma das principais barreiras nessa aplicação, está em relação ao armazenamento do combustível, ou seja, do . Atualmente existe um número pequeno de veículos movidos a CaC, isso se comparando-se com veículos de motores de combustão interna. A aplicação em ônibus já se tornou realidade, visto que o problema de armazenamento já está resolvido pelo fato de ser um veículo de porte maior.
2.1.6.2. Energia estacionária
Com o avanço de pesquisas referentes à aplicação no setor automobilístico, outras aplicações, incluindo a energia estacionária, estão sendo beneficiadas com
esse desenvolvimento. A geração de energia estacionária é vista como o segundo principal setor para a tecnologia de CaC. [1]. A redução das emissões de é um argumento importante para a utilização de CaC em pequenos sistemas de energia estacionária, particularmente na produção combinada de calor e geração de energia.
2.1.6.3. Energia portátil
Este mercado é o menos definido dos outros, mas com grande potencial para o ingresso dessa tecnologia. O termo CaC portáteis, muitas vezes inclui várias aplicações. Essas aplicações variam de acordo com a necessidade e com o combustível a ser utilizado. Apenas como curiosidade, já existem alguns notebooks que utilizam dessa tecnologia para seu funcionamento.
2.1.7. Benefícios
O possível uso futuro de células a combustíveis pode trazer muitos benefícios ao planeta. São eles: [1,2,9].
Redução da emissão de poluentes no ar e melhora na qualidade da saúde respiratória, especialmente em áreas urbanas que já apresentam problemas de baixa qualidade do ar;
Redução da emissão de partículas na atmosfera, como cinzas da fumaça; As células a combustível praticamente não emitem poluentes;
Redução da emissão de gases causadores do efeito estufa;
Redução da poluição sonora, pois as CaC não têm partes móveis e operam silenciosamente.
Redução da contaminação do lençol freático a partir dos automóveis. Hoje, praticamente todos os veículos utilizam óleo para lubrificação dos motores, ocorrendo muitos vazamentos que contaminam a superfície e provocam acidentes nas estradas.
Redução de prejuízos na agricultura através da redução da chuva ácida e níveis de concentrações de ozônio próximo à superfície;
Diminui a quantidade de baterias convencionais e nocivas ao meio ambiente jogadas em aterros sanitários;
Redução da sobrecarga nas linhas de transmissão, possibilitando direcionar os investimentos para outras áreas, como a geração distribuída, melhorando a eficiência energética;
Aumento da segurança de energia;
Crescimento econômico, desenvolvimento e criação de empregos.
2.1.8. Vantagens e desvantagens
Os tipos de células abordadas nesse trabalho possuem regimes operacionais significativamente diferentes. Isso se dá devido à diferença entre os materiais de construção, as técnicas de fabricação e outros requisitos pertinentes de cada tipo. Devido a essas diferenças cada tipo de célula tem suas peculiaridades, sendo algumas apresentadas como vantagens e outras como desvantagens em relação ao potencial desses dispositivos.
AFC - Trata-se de uma das mais recentes células desenvolvida. Sua criação se deu em meados de 1960, onde teve como principal uso a geração e fornecimento de energia elétrica para a nave espacial Apollo. [1]. Possui como grande vantagem seu excelente desempenho com e oxigênio ( ), isso comparado com os outros tipos de combustíveis. Seu eletrólito é composto por uma solução aquosa de hidróxido de potássio ( ) concentrado. Opera em temperaturas entre 50° e 200° C sendo que nesses casos usa-se somente puro e oxigênio como combustível. Por esse motivo, tem seu aproveitamento limitado em transportes e na geração de energia estacionária.
PEMFC: A PEMFC, como a SOFC, possui um eletrólito sólido, o que se torna uma vantagem, pois apresentam uma excelente resistência à passagem de
gás, visto que este necessariamente precisa ser jogado para dentro da célula sob determinada pressão. A principal diferença entre a PEMFC e a SOFC, diz respeito à temperatura de trabalho, pois como visto anteriormente a PEMFC faz parte da família das células de baixa temperatura chegando aos . Por um lado, essa característica se torna uma vantagem, pois é possível trazer a célula a sua temperatura ideal de trabalho mais rapidamente. Por outro, uma desvantagem, pois não é possível o uso do calor gerado para a cogeração de energia adicional, o que representaria uma eficiência maior. Outra vantagem importante, é que esse tipo de célula pode operar com densidades de correntes mais elevadas às outras células. Ainda como vantagem, cita-se a possibilidade de usar o próprio ar como substituto para o oxigênio. Várias particularidades fazem da célula do tipo PEM uma candidata em potencial para aplicações automotivas e emprego doméstico. [10]
PAFC: Utilizam ácido fosfórico concentrado ( ) como eletrólito e operam com temperaturas superiores às das células do tipo PEM e AFC (entre e ). O princípio de funcionamento segue o mesmo que nas células de membrana polimérica, entretanto, apresentam como vantagem sobre essas, a velocidade em que as reações ocorrem devido à alta temperatura de trabalho. As PAFC podem chegar a uma eficiência de devido à cogeração de energia utilizando o calor gerado pela célula. Com isso, se torna atraente o uso comercial dessa CaC, sendo utilizada em escolas e hospitais. [10]
MCFC: Obedece ao mesmo princípio de funcionamento das demais. Entretanto, atinge uma temperatura de operação de aproximadamente . Com isso, a possibilidade de uso para cogeração de energia também se torna viável. Pode ser feita de materiais mais comuns, sem a necessidade de empregar materiais caros como platina, visto que seus catalisadores são feitos de níquel. O eletrólito das células do tipo MCFC é formado por uma
solução líquida de carbonatos (Lítio, Potássio e/ou Sódio) imersa em uma matriz. [10]. Sua elevada temperatura de operação é utilizada para alcançar um nível ideal de condutividade do eletrólito. Com isso, a velocidade em que ocorrem as reações também são maiores. Como desvantagem, a instabilidade dimensional dos componentes da célula se torna algo que prejudica seu desempenho.
ITSOFC: Apresentam os melhores atributos disponíveis no mercado de desenvolvimento de tecnologia celular. Devido ao emprego de componentes cerâmicos para eletrodos e eletrólitos, se faz possível o uso de hidrocarbonetos e monóxido de carbono como combustível, pois o carbono não consegue ficar depositado sobre as partes internas da célula. Como desvantagem, a velocidade em que as reações ocorrem é reduzida, haja vista a sua temperatura intermediária de operação. [1]
TSOFC: Esse tipo de célula antecede a AFC. Seu desenvolvimento começou a partir de 1950. A construção sólida de cerâmica do eletrólito se apresenta com uma das principais vantagens desse tipo, pois apresenta maior resistência aos problemas de corrosão que são característicos das células de eletrólito líquido. Devido à temperatura de operação ser s alta ( ), a cinética da célula também se torna rápida. Ainda como vantagem, tem-se a possibilidade de uso de ar comum com combustível, entretanto, para que se possa ter uma elevada eficiência, esse necessariamente precisa ser pré-aquecido o que geralmente é feito através do próprio calor gerado pela célula. O restante do calor que não é utilizado pra pré-aquecimento de ar, pode ser usado para a cogeração de energia. Outra desvantagem relacionada à temperatura de operação desse tipo de célula diz respeito a sua fabricação. Como a temperatura é elevada, não se podem utilizar materiais comuns, ou ainda materiais que apresentam elevada dilatação térmica, pois isso afetaria tanto o seu desenvolvimento como também a própria vedação entre componentes da célula.
2.2. Hidrogênio
Será abordado nesta seção acerca do elemento químico Hidrogênio. Será definido primeiramente esse elemento por se tratar do combustível das CaC do tipo PEM e será a partir deste tipo de célula, todo o estudo realizado neste trabalho.
Pode-se dizer que esse gás não é uma fonte de energia primária, pois não é tão fácil encontra-lo livre na natureza. Diz-se que uma fonte primária é aquela que não necessita de nenhuma transformação para se tornar energia. Por ser um elemento que dificilmente é encontrado sozinho, necessariamente precisa-se extraí-lo de outros componentes encontrados na natureza.
Será visto neste capítulo algumas curiosidades, propriedades, formas de obtenção e métodos de armazenamento desse combustível que apresenta grande potencial energético.
2.2.1. Um pouco da história
Para o melhor entendimento, inicia-se pelo histórico desse precioso e abundante elemento químico, o Hidrogênio. Apesar da importância que esse elemento está apresentando no panorama mundial de energia, sua descoberta não é algo recente. Ele existe de desde a formação do universo. Em verdade, sua origem se deu a mais de 15 bilhões de anos atrás, segundo o que algumas teorias estabelecidas pela física (como a de Freidmann) tentam explicar através da grande explosão chamada de Big Bang (suposta explosão que originou o universo).
Entretanto, olhando para tempos mais próximos, há aproximadamente 500 anos, alguns cientistas já realizavam experimentos onde o resultado das reações químicas realizadas era o hidrogênio. Logicamente que com os recursos utilizados na época, a identificação do hidrogênio se tornou uma algo extremamente difícil.
O primeiro registro histórico deu-se com o alquimista suíço Paracelsus (1493– 1591) mostrado na figura 15, o qual misturou metais com ácidos e produziu um “ar
explosivo” [11]. Nota-se que até então, não se tinha conhecimento de que esse gás fosse o .
Figura 15 – Paracelsus – Não sabia o que se tratava sua descoberta [11].
Alguns anos mais tarde, um cientista conhecido com Robert Boyle (1627– 1691), mostrado na figura 16, mais conhecido pela Lei de Boyle para um gás ideal, realizou o mesmo experimento que Paracelsus, e resolveu publicar suas descobertas em um artigo, onde chamou o de “Solução inflamável de Marte”. [11].
Somente então em 1766, Henry Cavendish, mostrado na figura 17, reconheceu este gás como uma substância química única. Esse reconhecimento se deu do resultado de uma reação entre metais e ácidos, o que originou um gás inflamável e que quando queimado na presença de ar, produzia água. [11]
Figura 17 – Henry Cavendish [11].
Foi Antoine Lavoisier, mostrado na figura 18, que em 1783, deu nome de hidrogênio ao elemento químico e provou que a água é composta desse elemento e de oxigênio. Também observou que quando o era queimado na presença de oxigênio, havia a formação de orvalho. [12]
Antes mesmo de receber o nome de hidrogênio, esse gás teve uma grande aplicação que foi o uso em balões. Em 1783, Jacques Charles, mostrado na figura 19, empregou o pela primeira vez no transporte. Usou o gás como forma de subir um balão a uma altura de 550 metros. O balão mostrado na figura 20 recebeu o nome de "La Charlière". [11]. Ele também descobriu a Lei de Charles, que se refere aos gases perfeitos. Essa lei enuncia que sob pressão constante, o volume de uma dada massa de gás varia proporcionalmente com o valor da sua temperatura absoluta.
Figura 19 – Jacques Charles – Subiu um balão com hidrogênio. [11].
2.2.2. Acerca do elemento
O hidrogênio é o elemento químico mais abundante, mais simples e mais comum de todo o universo. Ele compõe da massa do universo, e das moléculas do corpo humano. No planeta Terra, compõe aproximadamente da superfície terrestre [2].
Em seu estado natural e sob condição ambiente, o é um gás inodoro, insípido e incolor, e se apresenta muito mais leve que o ar. Pode ser encontrado no estado líquido, ocupando um volume 700 vezes menor do que se estivesse em forma de gás. [2]. Entretanto, neste caso ele necessariamente tem que estar a uma temperatura de – e à pressão atmosférica, em sistema de armazenamento conhecidos com sistemas criogênicos. Acima dessa temperatura, se transforma em gás o qual pode ser armazenado em cilindros de alta pressão.
Como é quimicamente ativo, o está sempre à procura de outro elemento para se combinar. Dependendo da concentração, as misturas de gás com oxigênio são inflamáveis e até mesmo explosivas. Quando queimado com oxigênio puro, os únicos subprodutos são calor e água. Quando queimados com ar, constituído por de nitrogênio e de oxigênio, alguns óxidos de nitrogênio ( ) são formados, entretanto, ainda assim é menos poluente que os combustíveis fósseis. [2]. Se tratando de tabela periódica, é o elemento químico que ocupa a primeira casa e é representado pela letra . Trata-se de um elemento extremante simples, visto que tem um número atômico de e uma massa atómica próxima de , dado que o seu isótopo mais abundante tem um núcleo unicamente constituído por um próton.
O possui aproximadamente 2,4 vezes mais energia que o gás natural por unidade de massa, e cerca de 1100 vezes mais que uma bateria ácida. Sabendo que 1 kWh equivale a 3600 joules, na tabela 2 tem-se a representação desse potencial em relação a outras substâncias. [9]
Tabela 2 – Comparativo do potencial energético. [9] PORTADOR DE ENERGIA FORMA DE ARMAZENAMENTO DENSIDADE DE ENERGIA POR MASSA ( ) DENSIDADE DE ENERGIA POR VOLUME ( ) Hidrogênio Gás ( ) 33,3 0,53 Gás ( ) 33,3 0,75 Gás ( ) 33,3 2,92 Líquido ( ) 33,3 2,36 Hidretos metálicos 0,58 3,18 Gás natural Gás ( ) 13,9 2,58 Gás ( ) 13,9 3,38 Líquido ( ) 13,9 5,8 GLP Líquido 12,9 7,6 Metanol Líquido 5,6 4,42 Gasolina Líquido 12,7 8,76 Gasóleo Líquido 11,7 9,7
Eletricidade Bateria (Ácido - Chumbo) 0,05 0,1
Bateria (Íons de Lítio) 0,25 0,05
Se tratando de segurança, haja vista que é um gás explosivo, abaixo são relacionadas em itens as principais características desse elemento.
Não entra em detonação ao ar livre;
Não é tóxico (mas pode ser asfixiante se consumir todo o oxigênio de um ambiente fechado);
Não é radioativo; Não é corrosivo;
Não contamina a água; Não é cancerígeno;
Não entra em autoignição na temperatura ambiente;
Tem alto coeficiente de difusão e por isso dilui rapidamente no ar;
Quando sofre ignição ao ar livre, geralmente queima antes de atingir o valor limite para ocorrer a explosão;
Não produz produtos perigosos de decomposição;
Na tabela 3 são apresentadas algumas informações técnicas do .
Tabela 3 – Informações técnicas do hidrogênio. [2]
INFORMAÇÕES SOBRE O HIDROGÊNIO
Símbolo químico
Cor Incolor
Estado físico a temperatura e pressão
ambiente Gás
Temperatura de autoignição 584°C
Poder Calorífico Inferior ( )
Poder Calorífico Cuperior ( )
Poder calorífico superior
( )
Densidade (0°C e 1 atm) ( )
Ponto de ebulição (na pressão de )
Limite de inflamabilidade no ar Inflamável entre as concentrações de a de por volume
Coeficiente de difusão
A energia contida em de equivale a 0,34 litros de gasolina A energia contida em 1 litro de hidrogênio líquido equivale a 0,26 litros de gasolina A energia contida em de equivale a de gasolina (baseado em valor calorífica)
Massa atômica do = =
2.2.3. Produção de hidrogênio
A utilização do como base para a produção de energia através de biomassas e combustíveis (como o etanol) ou utilizando a energia elétrica produzida a partir de fontes renováveis (hidráulica, eólica e solar fotovoltaica), transformando
eletricidade em energia transportável e armazenável, vem sendo alvo de grandes estudos e consequentemente cada vez mais vem mostrando que é uma das formas mais eficientes e ambientalmente corretas, principalmente quando associada à utilização de CaC para conversão do em energia elétrica.
Estas características do , que é a possibilidade de sua produção através de diversos insumos e processos, colocam esse elemento na posição chave de integração entre diversas tecnologias, como pode ser visto na figura 21.
Figura 21 – Meios possíveis para produção de hidrogênio. [13]
Entretanto, mesmo com tantas formas de produção, essa tarefa se torna um desafio a ser vencido, pela necessidade de se produzir em grande escala.
Atualmente é produzida cerca de 500 bilhões de metros cúbicos por ano, a pressão ambiente. [2].
A principal utilização nos dias atuais é para a produção de produtos químicos como plásticos e amônia, na indústria de eletrônicos e em áreas de refrigeração. Além do mais, uma grande fatia dessa produção se dá de fontes não renováveis, ou seja, de fontes convencionais que geram poluentes, tais como o gás de carvão gaseificado (produção anual média de 90 bilhões) gás natural (produção anual média
de 240 bilhões) e pela reforma de petróleo (produção anual média de 150 bilhões). [2].
Visto assim, para que este combustível se torne realmente sustentável, necessariamente precisa-se promover a produção de de fontes renováveis tais como eletrólise da água em hidrelétricas, por energia solar e eólica. Outra forma de obtenção de coloca o Brasil em posição de vantagem em relação aos outros países. Esta solução está no seu agronegócio, que pelo álcool da cana de açúcar, pelo biodiesel a partir da soja, girassol e outras plantas, pode-se ter um elevado volume de produção anual de .
Dentre essas possibilidades, uma que desponta é a gaseificação da biomassa e do lixo urbano (biogás) que torna a produção de uma grande oportunidade para o país, especialmente em aterros sanitários e estações de esgotos.
2.2.3.1. Produção de hidrogênio por eletrólise
A produção de por eletrolise é um processo relativamente simples. Este processo utiliza-se a energia elétrica para quebrar a molécula da água ( ) e obter seus constituintes, o e o oxigênio.
O processo mais conhecido comercialmente é chamado de “eletrólise alcalina”. Este tipo de eletrólise é indicado para grandes produções de . Para ocorrer a quebra da molécula de água (ligação entre e oxigênio), a tensão deve ser maior que . [2].
Geralmente se utiliza um valor de aplicado entre dois eletrodos que estão submersos a uma solução que conduz íons. Esta solução recebe o nome de eletrólito. A reação ocorre da seguinte maneira. No eletrodo positivo, chamado de ânodo, ocorre a produção de oxigênio. Opostamente, no eletrodo negativo, conhecido como cátodo, ocorre a produção do . Salienta-se aqui, que a tensão necessária pra quebrar a molécula da água, varia de acordo com a pressão e a temperatura.
Entretanto, existem outros métodos que estão em fase de pesquisa. Um deles são os “eletrolisadores PEM” que utilizam uma membrana plástica capaz de conduzir cargas positivas (próton), como ocorre com as células de combustíveis.
Para fins informativos, somente da produção mundial é gerada a partir da eletrólise da água. Isto se deve ao custo da eletricidade que equivale a dois terços do custo operacional da produção do , se tornando mais caro que os outros métodos como o gás natural. [2].
2.2.3.2. Produção de hidrogênio a partir de fontes fósseis
Cerca de da produção total de é proveniente de processos químicos em indústrias e refinarias em que o é obtido como subproduto de combustíveis fósseis. Destes, destacam-se o petróleo, o gás natural e o carvão. [2].
A três formas mais comuns de se obter a partir desses combustíveis são: Reforma a vapor: É o processo mais eficiente pra a produção de
atualmente (cerca de a ) [2]. Seu princípio consiste em misturar vapor superaquecido ( ) ao gás natural ( ), por exemplo, e convertê-lo numa mistura rica em e monóxido de carbono ( ). Depois se combina esse monóxido de carbono com água ( ) para formar mais e dióxido de carbono ( ). Atualmente, as grandes unidades de produção de que utilizam desse método, tem capacidade de produção de .
Oxidação parcial: É um processo parecido com o anterior, sendo que a principal diferença está na adição de oxigênio ou ar nas reações. Com isso, torna-se possível utilizar combustíveis mais pesados com mais átomos de carbono, como o petróleo e o carvão gaseificado.
Pirólise a plasma: Consiste na aplicação de um arco elétrico em um hidrocarboneto gasoso como o gás natural. Quando a conversão ocorre, obtém-se hidrogênio e carbono. Esse processo ocorre a uma temperatura
de , e tem como vantagem a não emissão de gases, como o ( ), um dos responsáveis pelo efeito estufa.
2.2.3.3. Produção de hidrogênio a partir dos biocombustíveis
A produção de a partir dos biocombustíveis é algo que o Brasil pode tirar proveito, pois apresenta diversas possibilidades para tal.
É possível produzir biocombustíveis a partir dos aterros sanitários, da gaseificação da biomassa, do uso do álcool obtido da cana de açúcar (Brasil). Até mesmo pode-se produzir de excrementos de animais nas fazendas e do lixo orgânico de casa. Abaixo é apresentado um breve descritivo de algumas formas de obter de biocombustíveis.
Lixo urbano: O gás produzido nos aterros sanitários é proveniente da ação de micro-organismos anaeróbico no lixo orgânico gerado nas cidades. Esse gás, geralmente contém mais de de metano ( ), sendo o restante, dióxido de carbono ( ), nitrogênio, uma menor parte de hidrogênio e oxigênio e por fim “ácido sulfídrico” ( ). [2]. Este último por sua vez é nocivo a alguns componentes da CaC, e necessariamente precisa ser “filtrado” para níveis mais baixos. Um dos grandes problemas diz respeito ao uso do metano gerado nesses lugares, pois este se não utilizado para produção de energia, acarreta problemas como o efeito estufa.
Biomassa: A biomassa (bagaço de cana de açúcar, bambu, lenha e outros resíduos agrícolas) é uma fonte de energia renovável. Essa biomassa pode ser convertida em combustível líquido ou em gás. Para a produção de , tem-se que convertê-la em gás como o biogás. Este por sua vez não é obtido somente da biomassa, mas como visto anteriormente pode vir de restos do lixo orgânico e de esgotos. Embora o biogás proveniente da biomassa seja pobre em metano, tem-se com ele a possibilidade de produção de .
Biogás: O biogás pode ser utilizado diretamente em algumas tecnologias de células de combustíveis que funcionam em alta temperatura ( C a ). Essas células são mais resistentes a alguns compostos presentes no biogás como o ácido sulfídrico dito anteriormente e o monóxido de carbono. [2]. Isto se dá, devido a usarem catalizadores de níqueis, pois as reações químicas a altas temperaturas ocorrem de maneira mais rápida, não necessitando um catalisador como a platina, utilizada em células de baixa temperatura. O biogás pode ser convertido em puro, através de purificadores, e utilizado em células de combustíveis de baixa temperatura. Quanto mais puro o hidrogênio, melhor para a CaC.
2.2.3.4. Produção de hidrogênio a partir da energia solar
O sol é uma fonte de energia abundante, renovável e que não polui o ecossistema. Quantificando o aproveitamento dessa energia, pode-se afirmar aproximadamente que dessa energia é refletida de volta para o espaço. O restante, é absorvida pela atmosfera e pela superfície da Terra, sendo ainda, que parte dessa energia é utilizada para evaporação da água e aproximadamente de a é aproveitado para a fotossíntese de plantas e algas. [2].
Pensando em aproveitar essa energia que chega a terra, utiliza-se um dispositivo chamado de painel solar fotovoltaico. Este produz eletricidade a partir da energia do sol. Sendo assim, torna-se possível a eletrólise da água sem a formação de produtos poluentes, e com uma fonte de energia inesgotável e gratuita, como o sol.
Esses painéis abrem a possibilidade de produção de em casas, e em postos de combustíveis, evitando as perdas e os custos decorrentes da distribuição.
Entretanto, como todo processo tem suas vantagens e desvantagens, os painéis fotovoltaicos têm como principais críticas o custo elevado e a eficiência reduzida. Painéis utilizados pela NASA, atualmente estão próximos dos de eficiência, porém, os comerciais estão somente entre a de eficiência. [2]
Para efeitos informativos, pesquisas realizadas afirmam que desde a década de 1970, o custo desse equipamento caiu mais de 50 vezes e sua eficiência triplicou.
2.2.3.5. Produção de hidrogênio a partir de hidrelétricas
As grandes e pequenas hidrelétricas apresentam um grande potencial para a produção de “verde”, ou seja, sem a emissão de poluentes e gases do efeito estufa. Quando comparado com o produzido através de outros processos como a reforma de gás natura e biogás, o retirado a partir da água (eletrólise) é mais fácil de purificar. [2].
Em períodos de chuva, o excesso de água normalmente é desperdiçado. Com essa quantidade desperdiçada seria possível produzir e oxigênio para CaC.
Para tornar o custo menor do processo de eletrólise, o poderia ser produzido em horários que não fossem de grande consumo, quando o preço da energia elétrica é menos oneroso.
2.2.4. Armazenamento do hidrogênio
A questão de armazenamento do produzido é um dos fatores determinantes para o emprego das CaC em veículos. O objetivo principal é o desenvolvimento de tanques que armazenem a maior quantidade possível de energia com o mínimo peso, volume e custo.
Devido ao ser um dos elementos mais leves da natureza e apresentar uma molécula extremamente pequena, este gás pode escapar facilmente de tanques de armazenamento. Por sua vez, esses tanques precisam ser completamente vedados, o que somente é possível com processos produtivos de alta tecnologia.
Dentre as diversas propriedades do , se este for utilizado como combustível surge a necessidade de procurar meios de armazená-lo de maneira efetiva e segura, avaliando desde o local em que é produzido até o local onde é realizado o seu consumo.
Outro quisto a ser avaliado e que atualmente é considerado desafiador, é a questão de capacidade de armazenagem, visto que isso define a autonomia tanto de veículos como em aplicações portáteis, estacionárias e espaciais.
2.2.4.1. Armazenamento de hidrogênio comprimido
O armazenamento do e tubos de alta pressão é um dos sistemas mais comuns e também mais desenvolvidos atualmente. Entretanto, o desafio está em atender de forma adequada as necessidades do mercado. Se forem grandes, além do espaço que irão ocupar, resulta em aumento do peso. Por outro lado, se for de tamanhos reduzidos, menor o volume de gás contido neles. Ou ainda, pode-se ter um volume de gás elevado, entretanto a pressão mais alta, fazendo com que o cilindro tenha que ser de elevada resistência.
Atualmente, nesses reservatórios utilizados em veículos, possuem pressão que vão de a . Entanto, utilizando cilindros de , o estado da arte da tecnologia já superou o teste padrão de explosão para . [2].
Outro fator preocupante, diz respeito ao aumento de pressão devido ao aumento da temperatura. Em avaliações feitas notou-se que a pressão dentro desses cilindros se eleva em media . Obviamente que estudos estão sendo realizados em cima desses reservatórios, onde os mais modernos já estão usando plásticos e fibras de carbono.
2.2.4.2. Armazenamento de hidrogênio líquido
Em frente à complexidade de armazenar hidrogênio em gás, devida a altas pressões pode-se pensar em outra forma de armazenamento. Essa forma é no estado líquido. Em verdade, atualmente já se utiliza esta forma de armazenamento, entretanto, não se torna viável devido ao se liquefazer somente a temperatura de (temperatura criogênica).
Para mantê-lo no estado líquido, se gasta em torno de a da energia do para tal. [2]. Entretanto, desponta uma vantagem vista na tabela 4, onde nota-se que a densidade de energia do líquido é maior que a da gasolina.
Outra vantagem do líquido diz respeito ao transporte. Como este possui maior densidade de energia do que o estado gasoso visto isto em volumes iguais, resultaria em ganhos no transporte desse combustível, pois o carregamento seria de um potencial energético maior do que um carregamento de gás.
2.2.4.3. Armazenamento de hidrogênio em hidretos metálicos
É um dos métodos mais seguros de armazenar , visto pelo fato de que depois que ligado quimicamente, o hidrogênio fica armazenado sob pressão ambiente ou em pressões bem baixas.
Esse método só é possível graças a existir ligas metálicas que possuem a propriedade de absorver o tal como uma esponja absorve a água. Quando o sob pressão entra em contato com a superfície do material, este penetra no mesmo, formando uma mistura sólida de metal e conhecido como hidreto metálico.
Quando ocorre a ligação química entre o e essas ligas, também ocorre a liberação de calor. Portanto, para que ocorra esse quebra de ligações, é necessário apenas aquecer o hidreto metálico.
Existem centenas de tipos de hidretos metálicos e cada qual funciona em diferentes temperaturas e pressões. Esses modelos podem ser usados em aplicações estacionárias, portáteis e até mesmo móveis.
2.2.4.4. Armazenamento de hidrogênio em nano fibras de carbono
As nano fibras de carbono são construídas na forma de várias camadas de placas de grafite. Em algumas publicações atuais, relatam que nesse processo já é possível o armazenamento dos em relação ao peso total. Portanto para atingir essa capacidade, a pressão deve estar em aproximadamente .
Para extrair o dessas fibras, bastaria reduzir a pressão para , o que faria com que o combustível saísse das fibras para o uso como gás.
Com isso, a possibilidade da aplicação de em veículos estaria resolvida, sendo também extinta a necessidade de postos de combustíveis para abastecimento.
2.2.4.5. Armazenamento de hidrogênio em micro esferas de vidro
Esta forma consiste em armazenar hidrogênio em micro esferas de vidro menores que de diâmetro. Essas esferas são capazes de resistir a pressões de . Só para fins comparativos, os cilindros de maior pressão utilizados para armazenar hidrogênio e veículos, atingem .
Para que o hidrogênio se infiltre nesses grãos de vidro, é necessário aquecer essas esferas a uma faixa de temperatura entre a . Na temperatura ambiente, o hidrogênio permanece aprisionado.
2.2.4.6. Armazenamento de hidrogênio em plásticos
Apesar de essa tecnologia ser recente e ainda estar sobre foco de intensos estudos, a armazenagem de hidrogênio em plásticos é algo que não surtiu grandes rendimentos. Alguns cientistas já conseguiram armazenar com sucesso somente de hidrogênio em relação ao seu peso total. [2].
2.2.4.7. Armazenamento de hidrogênio tetraborohidreto de sódio
É uma das formas mais promissoras de armazenar hidrogênio, com especial foco em aplicações portáteis e móveis. O teraborohidreto de sódio ( ) é um sal branco e seco com alto teor de . Quando dissolvido em água torna-se um combustível liquido que pode ser transportado com facilidade e segurança. Para a extração do hidrogênio, utiliza-se um catalisador apropriado. [2].
Após as reações químicas, tem-se como produto o próprio e o “bórax”, o qual é um sal branco sólido.
