O conceito de um novo
equipamento energético chamado Célula a Combustível começa a despertar um
interesse cada vez maior na população em geral, deixando de ser um tema
restrito à comunidade técnico-científica e empresarial. Este conceito vem
sempre associado à crescente preocupação de preservação ambiental, a
automóveis elétricos não poluidores e à geração distribuída de energia com
maior eficiência. Porém, o conceito de células a combustível é bem mais
abrangente, e se insere na chamada “Economia do Hidrogênio”.
O hidrogênio é o
elemento mais abundante do universo. Na Terra o hidrogênio está quase que
completamente na forma de compostos, correspondendo, aproximadamente a
70 % da superfície do planeta. Foi identificado pela primeira vez pelo
cientista britânico Henry Cavendish em 1776, sendo denominado de “ar
inflamável” /RIFKIN 2003/. O gás hidrogênio (H2) não está presente na
natureza em quantidades significativas sendo, portanto, um vetor
energético, ou seja, um armazenador de energia. Para sua utilização,
energética ou não, ele deve ser extraído de uma fonte primária que o
contenha. A energia contida em 1,0 kg de hidrogênio corresponde à energia
de 2,75 kg de gasolina. Entretanto, devido à sua massa específica (0,0899
kgNm-3 a 0°C e 1 atm), a energia de um litro de hidrogênio
equivale à energia de 0,27 litro de gasolina / HOFFMANN 2005/.
A sua obtenção é
bastante flexível, sendo esta uma de suas características mais
interessantes. Pode ser obtido a partir de energia elétrica (via
eletrólise da água), pelas fontes: hidroelétricas, geotérmicas, eólica e
solar fotovoltaica, todas geológicas e também da eletricidade de usinas
nucleares. Pode ainda ser obtido da energia da biomassa (via reforma
catalítica ou gaseificação, seguida de purificação), como: etanol, lixo,
rejeitos da agricultura, etc. As fontes de hidrogênio mais viáveis
economicamente são, entretanto, os combustíveis fósseis (via reforma
catalítica ou gaseificação, seguida de purificação), como: petróleo,
carvão e gás natural. Esta flexibilidade em relação à sua obtenção permite
que cada país escolha a melhor maneira de produzir o hidrogênio, segundo
suas próprias disponibilidades. Assim, para citar alguns exemplos, a
Rússia tem a opção de hidrogênio de origem nuclear /HTEP 2006/; a
Argentina, por sua vez, optou pelo hidrogênio de origem eólica /HYFUSEN
2005/ e o Brasil direciona-se para a produção de hidrogênio a partir do
bioetanol /MCT 2002/.
Atualmente, as
aplicações não energéticas do hidrogênio correspondem a 50%, o refino do
petróleo, 40% e aplicações energéticas, 10% / WINTER 2000/. Portanto, a
utilização energética do hidrogênio não é uma novidade. Quando se ouve
falar em hidrogênio vem à mente, de imediato, a idéia de uma fonte
renovável e limpa de energia. Não é bem assim. Esta idéia somente é
verdadeira se o hidrogênio for obtido de fonte renovável e, neste caso
tem-se o chamado “green hydrogen”. Se a fonte é fóssil, tem-se o chamado
“black hydrogen”, que é produzido com emissões nocivas ao meio ambiente.
Portanto deve-se ter muito cuidado com conclusões precipitadas sobre este
assunto.
A história da humanidade
mostra vários períodos de utilização de diferentes fontes primárias de
energia. Assim, pode-se citar a madeira como a primeira fonte primária de
energia utilizada pelo homem /MARCHETTI 1990/. Segue-se a este período a
era do carvão que, associada a desenvolvimentos tecnológicos, possibilitou
a revolução industrial na Inglaterra. Denomina-se de “Economia do Carvão”
este período da história, onde a grande parte da energia que alimentava a
economia provinha, então, do carvão. Seguiu-se, posteriormente, a
“Economia do Petróleo”, que é a que vivemos hoje, conjuntamente com a
ascensão da “Economia do Gás Natural”. Interessante notar que houve uma
descarbonização progressiva das fontes primárias de energia, sendo o
metano, hoje, o mais limpo ambientalmente /BARBIR 2005/. Vive-se também
uma crescente “Economia Nuclear”, que tem, entretanto, um crescimento
lento devido a fatores de aceitação pública e de não-proliferação /MARCHETTI
1990/. Seu futuro é incerto, embora muitos estudiosos afirmem, com certa
razão que, em grande escala, não há como evitar esta forma de produção de
energia num futuro próximo /SCHNEIDER 2007//MACDONALD 2004/. Outra
observação interessante diz respeito à geografia. Todos os recursos
naturais de fontes de energia primárias estavam ou estão localizados em
certas regiões do planeta, beneficiando, naturalmente, os países destas
regiões. Este fato, inevitável, gerou e gera conflitos político-econômicos
e até guerras.
Considerando-se que as
fontes fósseis são finitas e, portanto, os preços aumentam gradativa e
seguramente, que seu consumo é ineficiente sob o ponto de vista
energético, que a localização de suas reservas geram conflitos políticos e
por fim, mas não menos importante, que a queima destes combustíveis geram
emissões nocivas ao meio ambiente (exceto a nuclear), pode-se sonhar com
uma “Economia do Hidrogênio”. Projeta-se para a década de 2080 que 90% da
energia provirá do hidrogênio /MARCHETTI 1990/. Seguramente, o gás natural
fará, como fonte principal de hidrogênio neste período, uma ponte entre o
hidrogênio negro e o verde, de origem não fóssil. Por volta de 2080,
então, as emissões poluidoras do meio ambiente seriam insignificantes; a
eficiência de conversão energética químico/elétrica seria pelo menos o
dobro da atual e os conflitos geopolíticos seriam atenuados. Seria este
cenário futuro apenas um sonho? Todos os fatores listados acima corroboram
a introdução da “Economia do Hidrogênio” na nossa sociedade. Quais seriam
então os pontos críticos para este desenvolvimento? O primeiro que surge é
o fato do hidrogênio ser um vetor energético, ou seja, não está disponível
na natureza, tendo de ser obtido de uma fonte primária que o contenha,
elevando o seu custo, atualmente, a valores não competitivos
comercialmente para fins energéticos em grande escala. Outros pontos
críticos seriam: a segurança em seu manuseio, seu armazenamento e
transporte e, não menos importante, o desenvolvimento e o preço das
células a combustível, equipamento mais adequado para sua conversão em
energia elétrica (e térmica). O debate é amplo, necessário, e às vezes
controverso, mas está aberto à discussão, não só da comunidade científica,
como também dos políticos responsáveis pelas ações estratégicas, e de
empresários do setor.
Entretanto, podem-se
citar alguns consensos sobre a futura economia plena do hidrogênio. A
primeira é que ela já começou não se tratando, portanto, de “assunto do
futuro”, como se ouve, freqüentemente. As tecnologias de células a
combustível, da produção, armazenamento e transporte de hidrogênio já
existem embora ainda não maduras. A degradação do meio ambiente e suas
conseqüências, como o aquecimento global é um fato insustentável a médio e
longo prazo /IPCC 2000/. Portanto, o que falta para acelerar a introdução
desta nova economia no planeta? Resumidamente, redução de custos, tanto da
produção de hidrogênio como de células a combustível; amadurecimento
destas mesmas tecnologias para aplicações automotivas, estacionárias e
portáteis e instalação de infra-estrutura adequada à sua utilização. Neste
ponto uma comparação faz-se útil. Imagine os tempos iniciais da invenção
do automóvel. Não havia infra-estrutura para a rolagem dos automóveis, que
tinha, por sua vez, preços proibitivos. A gasolina não era nem abundante
nem barata e tampouco se encontrava em cada esquina. Pois bem,
aproximadamente cem anos depois o automóvel tornou-se accessível, existem
estradas para sua rolagem e pode-se abastecê-lo em qualquer lugar, ou
seja, aprendemos a lidar com o combustível e, com a produção em massa e o
mercado, os preços caíram. Esta mesma curva de aprendizado aplica-se,
obviamente, à nova “Economia do Hidrogênio”. Entretanto tem-se que começar
com o desenvolvimento tecnológico cedo o suficiente para se colher os
frutos no tempo propício.
Uma outra grande mudança
ocorrerá com a introdução da “Economia do Hidrogênio”. As células a
combustível se prestam à geração distribuída de energia elétrica, com
unidades de relativo pequeno porte (alguns Watts até alguns MW), se
comparadas com as centrais elétricas atuais (de até milhares de MW) /BARBIR
2006/. Entende-se por geração distribuída de energia elétrica a geração in
loco, independente da rede, com a compra, então, de um combustível,
hidrogênio, ou mais adequadamente, um combustível primário rico em
hidrogênio, a ser reformado localmente. Vale aqui outro paralelo: os
grandes computadores do início da década de 80 (main frame),
representando o sistema centralizado atual de produção de energia
elétrica, frente aos computadores pessoais de cada cidadão de hoje,
representando a geração distribuída de energia elétrica, fato que evita
dispendiosas linhas de transmissão, que, conseqüentemente, aumenta a
confiabilidade desta energia produzida localmente, evitando, ou
minimizando apagões.
Uma observação final nos
leva a seguinte reflexão. Como o hidrogênio pode ser obtido de diversas
maneiras, qualquer país ou região do planeta pode obtê-lo (ver item O
Hidrogênio deste artigo). Neste caso, com a introdução da “Economia do
Hidrogênio” tem-se pela primeira vez na história da humanidade uma
democratização das fontes de energia, que seguramente gerará mais
progresso e menos tensões políticas /RIFKIN 2003/.
Células a combustível
são, em princípio, baterias, ou seja, conversores diretos de energia
química em elétrica e térmica, de funcionamento contínuo (diferentemente
das baterias), que produzem corrente contínua pela combustão eletroquímica
a frio de um combustível, geralmente hidrogênio /VIELSTICH 2003/. Assim,
considerando-se as células de baixa temperatura de operação em meio ácido,
hidrogênio é oxidado a prótons no anodo, liberando elétrons, segundo a
reação:
H2→ 2H+ + 2e-
(1)
No eletrodo oposto, o
catodo, tem-se a reação:
2H+ + 2e- + ½O2→ H2O
(2)
A reação global produz
água e calor (exotérmica):
H2 + ½O2→ H2O
(3)
Os eletrodos são
condutores eletrônicos permeáveis aos gases reagentes e são separados um
do outro por um eletrólito (condutor iônico). O eletrólito pode ser um
líquido, um polímero condutor de cátions (geralmente saturado com um
líquido) ou um sólido.
Células unitárias
apresentam um potencial aberto de 1 a 1,2 V e liberam, sob solicitação de
0,5 a 0,7 V DC. Estes valores são, sob o ponto de vista prático, muito
baixos. A necessidade de empilhamento em série de várias unidades de
células (200 a 300, também chamado módulo) torna-se óbvia, a fim de se
obter potenciais práticos da ordem de 150 a 200 V /WENDT 2000/. Uma das
vantagens inerente às células a combustível é a sua eficiência relativa ao
combustível. A eficiência teórica máxima h de qualquer processo de
produção de energia eletroquímica é obtida pelo quociente entre a energia
livre de Gibbs (DG) e a entalpia total (DH), ou seja, a parte da energia
total dos reagentes que pode ser convertida em energia elétrica:
η = ∆G/∆H(4)
A eficiência teórica
eletroquímica diminui de 86 a 70 % na faixa de temperaturas de 100 a 1000
°C. A eficiência de Carnot, por sua vez, eleva-se de 0 a 70 % na mesma
faixa e somente a temperaturas superiores a 1000 °C é maior que a
eficiência teórica eletroquímica /APPLEBY 1989/. Portanto, células a
combustível a hidrogênio apresentam uma eficiência teórica
significativamente maior que máquinas de Carnot, principalmente a baixas
temperaturas.
As reações eletródicas
das células a combustível envolvem, de uma maneira geral, a ruptura das
ligações químicas entre dois átomos de hidrogênio e de oxigênio. A ruptura
das moléculas diatômicas H2 e O2 requerem uma
energia de ativação da mesma ordem de grandeza de suas energias de
formação, quando as reações são homogêneas e ocorrem em fase gasosa /TICIANELLI
2005/. Em células a combustível, entretanto, ambas as reações são
heterogêneas e ocorrem na interface eletrodo/eletrólito, sendo catalisadas
na superfície do eletrodo.
Geralmente,
classificam-se os vários tipos de células a combustível pelo tipo de
eletrólito utilizado e, conseqüentemente, pela temperatura de operação /VIELSTICH
2003/. Os principais tipos de células de baixa temperatura de operação (de
temperatura ambiente até 200°C) são /LINARDI 2002/:
(a) as células alcalinas
(Alkaline Fuel Cell), ou simplesmente AFC. Este tipo de célula tem,
hoje, um papel importante somente em aplicações restritas como naves
espaciais ou situações onde há disponibilidade de hidrogênio ultrapuro.
Este tipo de célula foi o precursor das células mais modernas;
(b) as células a
membrana polimérica trocadora de prótons (Proton Exchange Membrane Fuel
Cell), ou PEMFC e operam na faixa de temperatura ambiente até 80°C.
São as mais promissoras como alternativa para a eletrotração, em
substituição aos motores a combustão interna. Estas células possuem as
vantagens de serem robustas e de fácil acionamento e desligamento,
possuírem alta eficiência e baixa (ou nenhuma) emissão de poluentes.
Também se aplicam às unidades estacionárias geradoras de energia local e
também para geradores portáteis de energia, como telefones celulares e
laptops. O fator determinante para a sua entrada no mercado é, ainda, o
seu custo. Como eletrólito polimérico utiliza-se a membrana de Nafion®,
composta por um polímero perfluorado de tetrafluorpolietileno, onde, num
de seus lados, um éter faz a ligação com um ácido etil-sulfônico
perfluorado (grupo ionogênico). As pontas das cadeias, onde se encontra o
grupo sulfônico, formam uma espécie de bolha na estrutura, que se incha em
contato com a água ou vapor d'água. Estas bolhas, que são interligadas,
são responsáveis pela condução de prótons e água pela membrana, sob o
efeito de um campo elétrico /VIELSTICH 2003/. O uso comercial deste tipo
de célula era inimaginável, inicialmente, devido à grande quantidade de
platina, como eletrocatalisador, necessária na constituição do eletrodo. A
mudança de cenário veio com a utilização de negro de fumo como suporte da
platina. Além disso, seguindo a idéia introduzida por Raistrick e
Gottesfeld /RAISTRICK 1986//GOTTESFELD 1992/, constatou-se, no inicio dos
anos 90, que se podia utilizar, de forma mais eficiente, a superfície da
platina, quando se contatava a superfície interna do suporte com o
ionômero da membrana. Este processo resulta em nanocristais de platina,
dispersos no suporte em contato com o eletrólito (Nafion®, DuPont). Este
fato reduziu a quantidade necessária de platina, tornando viável a
comercialização deste tipo de célula. As áreas de P&D mais estudadas em
células PEMFC envolvem, de um lado, o desenvolvimento de
eletrocatalisadores mais ativos e específicos tanto para a oxidação direta
de álcoois (metanol e etanol) como hidrogênio contaminado com CO, e de
outro lado o desenvolvimento de novos eletrólitos, que permitam a operação
destas células acima de 100°C, aumentando a eficiência das células e a sua
longevidade;
(c) as células a ácido
fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell), ou PAFC. Desenvolvidas no
final dos anos 60, este tipo de célula representou um significativo
progresso tecnológico na área. Esta célula não é sensível ao dióxido de
carbono e é pouco sensível ao monóxido de carbono, que envenena o
catalisador em células PEMFC, permitindo um teor de até 1 % de CO no gás
de alimentação a 200°C, sua temperatura de operação. O desenvolvimento
desta célula teve, desde o início, o objetivo de conquistar o importante
mercado das usinas queimadoras de metano /WENDT 2000/, reações (5) e (6):
CH4 + H2O → CO + 3H2
(5)
CO + H2O → CO2 + H2
(6)
Nas células PAFC
utiliza-se carbeto de silício, com diâmetro médio de 0,1 µm,
como material para suporte (matriz) para abrigar o eletrólito (ácido
fosfórico). Embora seja o tipo de célula de maior comercialização no mundo
hoje, as células PAFC não têm demonstrado muito progresso tecnológico nos
últimos anos, tampouco uma significativa redução de custos, dos atuais US$
4.000 por kW instalado.
Nas células de baixa
temperatura de operação as reações se processam nos chamados eletrodos de
difusão gasosa, que são uma estrutura porosa condutora de elétrons do
sistema eletrodo/eletrocatalisador a base de platina. A construção deste
eletrodo tem como função a maximização da interface trifásica
gás-líquido-sólido, aumentando consideravelmente a velocidade dos
processos eletródicos. Os desenvolvimentos atuais em P&D nestes tipos de
células se resumem em novos eletrocatalisadores seletivos, materiais,
componentes e processos mais econômicos, além de otimização da engenharia
de sistemas.
Para células a
combustível de alta temperatura de operação não há a necessidade da
utilização de metais nobres como catalisadores, já que nesta faixa de
temperaturas, o próprio metal do eletrodo torna-se suficientemente ativo.
Os principais tipos de células de alta temperatura de operação (de 200°C
até 1000°C) são /LINARDI 2002/:
(a) as células a
carbonato fundido (Molten Carbonate Fuel Cell), ou MCFC. Para as
células a carbonato fundido, que operam a 600°C, utiliza-se como material
de eletrodo níquel para o ânodo e óxido de níquel com incrustações de
lítio para o cátodo, que é um semicondutor do tipo p. Nas células a
carbonato fundido utiliza-se uma matriz de partículas de LiAlO2
para acomodar o eletrólito, uma mistura de carbonatos fundidos. Neste tipo
de célula, a reforma endotérmica do gás natural para gerar hidrogênio pode
ser realizada na própria coluna de unidades de células, eliminando-se o
reformador e, ao mesmo tempo, resfriando as células, otimizando a
engenharia do sistema e reduzindo custos;
(b) as células de óxido
sólido (Solid Oxide Fuel Cell), ou SOFC operam na faixa de 800°C a
1000°C. No caso destas células cerâmicas, utiliza-se um cermet de Ni/ZrO2
como material do ânodo, ou seja, uma matriz de óxido de zircônio
estabilizado com níquel finamente distribuído. Como material do cátodo
utiliza-se um composto a base de manganês e lantânio dopado com estrôncio,
La(Sr)MnO3. Um material utilizado como interconector para o
empilhamento (módulo de potência) é o LaCrO3. Este tipo de
células apresenta algumas vantagens em relação a outros tipos, como
facilidade de gerenciamento do eletrólito (por ser sólido) e a não
necessidade do uso de metais nobres como catalisadores. Além disso,
possuem maiores valores de eficiência teórica de conversão, e têm uma alta
capacidade de co-geração eletricidade/calor. A elevada temperatura de
operação favorece a cinética das reações eletródicas e permite a reforma
do combustível primário para produção de hidrogênio no próprio corpo da
célula. A principal aplicação desse tipo de célula é a geração de energia
em unidades estacionárias. Entretanto, a alta temperatura de operação traz
limitações tecnológicas, como o favorecimento de processos de degradação e
fadiga dos distintos componentes, tensões térmicas, entre outros.
Desenvolvimentos de P&D recentes tentam, neste tipo de célula, desenvolver
materiais para permitir sua operação a temperaturas inferiores a 800°C e
redução de custos.
Esses dois tipos de
células, MCFC e SOFC, encontram-se, atualmente, em uma fase de
desenvolvimento tecnológico e comprovação técnico-econômica /FCSEMINAR
2007/.
Sob o comando do
Ministério de Minas e Energia (MME) foi elaborado, com a colaboração de
muitos especialistas da área, um documento preliminar, que deve nortear as
ações do governo brasileiro para a entrada do Brasil na “Economia do
Hidrogênio” e se intitula “Roteiro para Estruturação da Economia do
Hidrogênio no Brasil”, disponível em /HTTP 1/.
Os tópicos mais
relevantes deste documento são:
(a) No ano de 2020 o
hidrogênio fará parte da matriz energética do país;
(b) O etanol foi
escolhido como a fonte principal de hidrogênio. Considera-se também a sua
utilização direta (oxidação direta em células a combustível);
(c) A produção de
hidrogênio via eletrólise da água é considerada, utilizando-se
eletricidade secundária de usinas hidroelétricas;
(d) Outras biomassas,
além da cana de açúcar, devem ser utilizadas para a produção de
hidrogênio, incluindo-se o biogás;
(e) A utilização de gás
natural como fonte de hidrogênio deve fazer a transição para um futuro com
apenas green hydrogen;
(f) As aplicações deste
energético incluem, na ordem de importância: a geração distribuída de
energia; a produção de energia em regiões isoladas e os ônibus urbanos.
No cenário mundial, foi
criado em 2003 pelos Estados Unidos um programa de cooperação
internacional, denominado “International Partnership for the Hydrogen
Economy”, (IPHE), com a participação de 17 países, com o objetivo
principal de implementar, facilitar e estabelecer, entre seus membros,
atividades de P&D&I e de desenvolvimento de mercado em relação ao
hidrogênio e às tecnologias de células a combustível.
Os países membros são:
Austrália, Brasil, Canadá, China, Comunidade Européia, França, Alemanha,
Islândia, Índia, Itália, Japão, Coréia do Sul, Nova Zelândia, Noruega,
Rússia, Reino Unido e Estados Unidos. O Brasil é o único membro da América
Latina. Estes países representam 85% do PIB mundial, com 3,5 bilhões de
pessoas e mais de 75% do consumo mundial de eletricidade, além de mais de
2/3 das emissões de CO2 /HTTP 2/. Analisando os membros deste
fórum e os dados relevantes mostrados acima, percebe-se a importância do
assunto, que demanda uma mudança de paradigma no conceito da matriz
energética mundial nas próximas décadas.
As atribuições do IPHE
podem ser resumidas como: implementar áreas de cooperação técnica; apoiar
e escolher projetos envolvendo hidrogênio e células a combustível; criar
forças-tarefas para desenvolver estratégias para desenvolver e disseminar
a economia do hidrogênio; criar e expandir roteiros nacionais (roadmaps)
com o “IPHE Priority Scorecard and Activities Matrix”.
Este fórum é composto
por dois comitês, que se reúnem anualmente: Comitê de Controle, “Steering
Committee” (SC), e o Comitê de Implementação e Ligação, “Implementation
and Liaison Committee” (ILC).
Exatamente devido a esta
mudança de paradigma, que pressupõe mudanças radicais em setores bem
estabelecidos da economia e da sociedade, o IPHE decidiu realizar no
Brasil, São Paulo, de 23 a 26 de abril de 2007, a 7ª reunião do
comitê de controle, “Steering Committee”, para ter conhecimento da
experiência brasileira no setor de combustíveis automotivos, onde, de 1975
até os dias atuais houve uma mudança drástica, com a introdução em grande
escala de um combustível renovável, no caso o etanol. A introdução do
biodiesel também foi considerada neste aprendizado. Ou seja, a comunidade
internacional quis saber como o Brasil venceu barreiras para uma mudança
em sua matriz energética de transportes /HERALD 2005/. Este aprendizado
pode ser útil para uma transição para a “Economia do Hidrogênio”. Os
principais destaques deste aprendizado foram apresentados por
especialistas do MME e MCT e alguns cientistas brasileiros. As ações
criadas em 1975 com o PROALCCOL são listadas a seguir:
(a) manutenção inicial
do preço do álcool abaixo do da gasolina;
(b) garantia da
remuneração do produtor de álcool;
(c) redução de taxas e
impostos para automóveis movidos a álcool;
(d) incentivos aos
produtores de álcool para aumentar capacidade de produção;
(e) obrigatoriedade do
fornecimento de álcool em postos de todo o território nacional;
(f) manutenção de
estoques reguladores de álcool.
Salientou-se aos
integrantes do Steering Committee que as medidas acima foram importantes
numa fase inicial e que somente com o desenvolvimento da tecnologia de
automóveis do tipo FLEX e a volta do mercado livre de combustíveis
é que se logrou o sucesso do programa. Apenas o item (c) foi mantido até
hoje, ou seja, a redução de impostos para os carros FLEX. Todas as
outras medidas foram suprimidas.
Um paralelo à “Economia
do Hidrogênio” pode ser estabelecido, como por exemplo, incentivos à
produção inicial de hidrogênio, garantia de preços competitivos e
obrigatoriedade do fornecimento para aplicações práticas. Associado a
estas ações segue-se o desenvolvimento intensivo da tecnologia de células
a combustível, visando sempre a redução de custos para aplicações
diversas. As metas de custos a serem atingidas são de aproximadamente
US$ 2.000 por kW instalado, para aplicações estacionárias de energia
elétrica e de US$ 200 por kW instalado, para aplicações móveis.
Salienta-se aqui apenas o caráter econômico da tecnologia e não os
ambientais, que podem, num futuro próximo, ser tão importantes na nossa
sociedade como o financeiro.
O Programa Brasileiro
de Hidrogênio e Sistemas Células a Combustível (inicialmente
denominado PROCAC) foi elaborado em 2002 pelo MCT, com a participação de
universidades, centros de pesquisa e empresas brasileiras com o objetivo
de promover ações integradas e cooperadas, que viabilizem o
desenvolvimento nacional da tecnologia de hidrogênio e de sistemas célula
a combustível, habilitando o país a se tornar um produtor
internacionalmente competitivo nesta área. Com ele, pretende-se ainda
apoiar o estabelecimento de indústria nacional para produção e
fornecimento de sistemas energéticos com células a combustível. Entre os
vários desafios identificados, além do desenvolvimento da tecnologia das
células, estão a produção, o armazenamento e a distribuição do hidrogênio,
a capacitação de recursos humanos, regulação quanto à segurança e
padronização e necessidade de parcerias entre instituições do governo,
setor industrial, setor de serviços, ONGs, etc. Em 2005 o PROCAC passou a
ter nova denominação, passando a se chamar Programa de Ciência, Tecnologia
e Inovação para a Economia do Hidrogênio, com a sigla PROH2.
O programa é estruturado
por meio da formação de redes de pesquisa e desenvolvimento abrangendo
todo o território nacional. Nesse sentido, o programa garante o uso mais
racional dos recursos investidos e antecipa o alcance dos objetivos.
As principais premissas
do PROH2 são:
(a) desenvolver ações
integradas e cooperadas, que viabilizem a criação de uma tecnologia
nacional em sistemas energéticos baseados em células a combustível,
visando produção de energia elétrica de maneira mais limpa e eficiente.
Inclui as áreas: eletroquímica e catalisadores, materiais de células a
combustível, células a combustível tipo PEM, células a combustível tipo
SOFC, reforma de etanol, reforma de gás natural, sistemas ligados a
células a combustível, etc;
(b) criar as condições
para o estabelecimento de uma indústria nacional para a produção de
sistemas energéticos baseados em células a combustível que inclua
produtores de células, integradores de sistema e fornecedores de serviço,
habilitando o país a se tornar internacionalmente competitivo nessa área
tecnológica;
(c) incentivar a
instalação de sistemas energéticos baseados em células a combustível;
(d) estabelecer
condições para que as instituições participantes colaborem ativamente
entre si nos diversos aspectos envolvidos nas áreas de pesquisa,
desenvolvimento e aplicação dessa tecnologia;
(e) atuar com eficiência
na transferência de tecnologia das universidades e centros de pesquisa
para as empresas, com o intuito de aumentar a competitividade da economia
brasileira, inclusive através de mecanismos de cooperação internacional;
(f) instituir e
aperfeiçoar a infra-estrutura de pesquisa; formar e capacitar recursos
humanos na área;
(g) estabelecer normas e
padrões técnicos para certificação dos processos, tecnologias e produtos
de interesse na área para as várias aplicações estacionárias, móveis e
portáteis;
(h) financiar e utilizar
o poder de compra de vários agentes governamentais para viabilizar
projetos de demonstração relacionados a nova tecnologia de modo a aumentar
a sua visibilidade, atrair novos investimentos, possibilitar treinamento
de pessoal, realizar estudos de viabilidade técnica e econômica, etc.
O programa utiliza
recursos dos Fundos Setoriais (CTPetro; CTEnerg e Verde-Amarelo) e dispõe,
numa primeira fase, de R$ 7 milhões, disponíveis à pesquisa a partir de
dezembro de 2006, gerenciados pela FINEP. O programa também contempla
algumas ações isoladas de interesse, segundo a modalidade de Encomenda,
como, por exemplo, o projeto “Geração de Hidrogênio a partir de Reforma do
Etanol”, coordenado pelo Instituto Nacional de Tecnologia, INT, e tendo
como co-executores o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN,
e o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobrás, CEPEL, no valor
de R$ 5,8 milhões que, além do desenvolvimento do processo de reforma,
prevê a construção de um módulo de célula do tipo PEM de 5kW de potência
elétrica nominal, com tecnologia nacional.
Associado ao programa de
desenvolvimento científico e tecnológico, pode-se citar um projeto de
apoio à infra-estrutura de laboratórios dos componentes das redes,
gerenciado pelo Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, LACTEC, já
finalizado, e bolsas de mestrado, doutorado e DTI, gerenciados pelo CNPq,
específicas para a formação de recursos humanos do programa.
Na área de aplicação em
eletrotração, dois projetos podem ser destacados no país, embora não
pertençam ao programa brasileiro PROH2:
(a) o primeiro
denomina-se “Estratégia Ambiental para Energia: Ônibus com Célula a
Combustível a Hidrogênio para o Brasil” e prevê a construção e testes de 8
ônibus movidos a células a combustível (Tipo PEM da empresa Ballard) com
hidrogênio produzido por eletrólise. A Petrobrás deve construir os postos
de fornecimento de hidrogênio. Este projeto é conduzido pelo Global
Environment Facility/PNUD da ONU (US$ 12,5 milhões), pelo MME (R$ 4
milhões) e gerenciado pela Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos de
São Paulo EMTU.
(b) projeto de um
protótipo de ônibus urbano, com hidrogênio produzido por reforma de gás
natural, coordenado pelo consórcio COPPE/LACTEC/Petrobras/ELEBRA.
A opção brasileira pelo
hidrogênio obtido principalmente do etanol deveu-se a vários fatores, que
tornam esta escolha interessante. O etanol é um combustível líquido, de
fácil armazenamento e transporte, já havendo no Brasil toda a
infra-estrutura para a sua produção, armazenamento e distribuição em todo
o território nacional. Além disso, o etanol possui outras características
muito importantes, como ser pouco tóxico e ser um biocombustível,
portanto, renovável. É um insumo rico em hidrogênio. A participação do
etanol na matriz energética nacional tem crescido muito nos últimos anos
(em 2006 corresponde a 14% /MME 2006/), principalmente devido a dois
fatores: a sua mistura à gasolina (de 20 a até 25%) e o grande
desenvolvimento e sucesso comercial dos carros chamados FLEX.
O etanol brasileiro,
produzido a partir da cana de açucar, é o biocombustível mais produtivo do
mundo hoje, com 6.000 litros/hectare/ano, a um custo de US$ 0,22 por litro
(anidro). Esta produtividade pode crescer até 14.000 litros/hectare.ano,
com o desenvolvimento de novas tecnologias. Apenas por comparação, o
etanol do milho nos EUA tem uma produtividade de 3.000 litros/hectare.ano.
Outro ponto interessante é o seu excelente balanço energético. Cada Joule
não renovável usado na produção de etanol, resulta em 9 Joules renováveis.
Outra vez, a título de comparação, esta relação para o álcool dos EUA é de
1.5 e para o biodiesel na Alemanha é de 3,0 /IEA 2005/.
A produção atual no
Brasil é de aproximadamente vinte bilhões de litros por ano, que
corresponde a uma área ocupada para plantação de 3 milhões de hectares
(0,35 % do território nacional). A área apta a esta cultura é de 12 % do
território nacional. A cobertura vegetal do Brasil é de 851 milhões
hectares, dos quais 464 milhões hectares (54%) são florestas; 297 milhões
hectares (35%) são para agricultura e pastagem; 73 milhões hectares (9%)
são campos e savanas e 17 milhões hectares (2%) são cidades, rios e
outros. Principalmente as áreas de pastagem degradadas são previstas para
o aumento da demanda desta plantação, sem, então, prejudicar nossos
recursos naturais ou a produção de alimentos /MME 2006/.
Para a utilização
indireta de etanol para a produção de hidrogênio têm-se três processos
possíveis: reforma por oxidação parcial, reforma a vapor e reforma
autotérmica. Cada processo possui características próprias, vantagens e
desvantagens. Entretanto a reforma autotérmica, que consiste numa
combinação dos dois processos anteriores, provê um ótimo balanço térmico,
com uma temperatura de reação de aproximadamente 700°C, reação (7). As
vantagens deste processo são: o alto rendimento de hidrogênio e o melhor
balanço térmico. A principal desvantagem é a diluição do hidrogênio com
nitrogênio, que pode ser contornada por reatores envolvidos por membranas
de paládio, purificando o gás final.
Podem-se salientar,
ainda, outros motivos para a utilização do etanol como armazenador
renovável de hidrogênio, além da grande produção e distribuição em todo o
país. A experiência prévia em normas e comercialização; o fato de ser
menos tóxico que o metanol; questões ambientais, (efeitos de emissões da
queima do etanol ainda não estão bem estudados) /MACEDO 2004/ e de
eficiência em relação à sua combustão direta, e, finalmente, ser viável
para distribuição em regiões isoladas do país.
O IPEN possui um
histórico de realizações importantes na área nuclear do país. A
experiência de gestão de P&D, inovação e coordenação de atividades
multidisciplinares se caracteriza por realizações tais como o domínio do
ciclo do combustível nuclear, engenharia, construção e operação de
reatores de pesquisa, produção de radiofármicos, etc. Na área de ensino, a
associação com a Universidade de São Paulo permitiu o estabelecimento de
um programa de pós-graduação na área nuclear com alto conceito nacional.
Seguindo uma tendência
mundial, iniciou-se no IPEN, em 2000, uma nova frente de estudos na área
de fontes energéticas eficientes e de baixo impacto ambiental,
escolhendo-se o estudo e desenvolvimento de sistemas associados à
tecnologia de células a combustível. Os estudos iniciais foram realizados
na área de materiais valendo-se da experiência anterior do desenvolvimento
da área nuclear.
Os principais objetivos
deste programa institucional incluem a geração de conhecimento
científico-tecnológico, inovação, e formação de recursos humanos na área
de células a combustível. O programa prevê uma atuação institucional,
salvaguardando a propriedade intelectual em todo desenvolvimento
tecnológico e de inovação. O foco do programa é a geração distribuída de
energia elétrica. São também atribuições do programa a participação no
grupo de definição da política brasileira para o hidrogênio (MME) e a
participação intensiva na organização e operação do PROH2 (MCT).
O organograma do
programa está dividido em 4 grupos de desenvolvimento
científico-tecnológico, a saber: PEMFC, SOFC, PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO e
SISTEMA. Além disso, o IPEN possui um curso de pós-graduação estruturado
na área com oito disciplinas oferecidas.
As tecnologias do
binômio hidrogênio e células a combustível têm-se desenvolvido bastante
nos últimos anos, encontrando aplicações diversas como geradores de
energia para a eletrotração, para unidades estacionárias e para fins
portáteis. O grande diferencial é o baixo (ou nenhum) impacto ambiental e
a alta eficiência. As células a combustível são os dispositivos mais
apropriados para a utilização do hidrogênio como vetor energético.
Os obstáculos à
introdução da chamada “Economia do Hidrogênio” não configuram dificuldades
intransponíveis. Ao contrário, apontam um elenco de oportunidades para o
surgimento no país de novas empresas de bens e serviços, como demonstrado
pelas tecnologias emergente do setor.
O desenvolvimento da
tecnologia de células a combustível tem crescido nos últimos 40 anos
devido a vários fatores, como o desenvolvimento na área de novos materiais
e a crescente demanda por fontes de energias limpas e eficientes. Como
tecnologia já estabelecida e comerciável, pode-se citar os sistemas de
células a ácido fosfórico (PAFC) da empresa UTC. Mas poder-se-á falar de
um sucesso econômico real somente quando outros concorrentes oferecerem
sistemas semelhantes no mercado. As perspectivas das células de alta
temperatura de operação certamente são promissoras, mas ainda não existe
nenhuma oferta deste tipo de sistema no mercado em grande escala. A
tecnologia de células do tipo PEMFC tem como mercado não apenas aplicações
veiculares, como também unidades estacionárias de pequeno e médio porte
(residências, hospitais, etc.), além das aplicações portáteis (laptops
e celulares).
Embora a tecnologia de
células a combustível não esteja ainda completamente estabelecida,
verifica-se que a sua implementação no mercado não deve tardar, pois já
está assegurada em nichos onde o fator meio ambiente é preponderante. Além
disso, este energético pode, num médio prazo, dependendo de seu
desenvolvimento tecnológico, representar um papel importante no cenário
mundial de energia.
As pesquisas em células
de energia no Brasil vêm sendo desenvolvidas desde o final da década de 70
em várias instituições /TICIANELLI 1989/. O governo brasileiro iniciou
suas ações importantes e concretas na área apenas tardiamente em relação a
outros países, em 2002, mas já integra o IPHE, que trabalha para o
estabelecimento da “Economia do Hidrogênio” em nossa sociedade.
O Brasil está elaborando
seu Roteiro para a “Economia do Hidrogênio” e possui um programa nacional
de pesquisa e desenvolvimento para a tecnologia de célula a combustível e
hidrogênio. Atualmente, várias instituições brasileiras estão atuando em
áreas de pesquisa e desenvolvimento neste setor com vários projetos em
andamento. Novas empresas já apresentam produtos para esta nova tecnologia
(Electrocell, Unitech e Novocell, entre outras). O IPEN tem desempenhado
um importante papel no cenário nacional para o desenvolvimento desta
tecnologia.
A cidade de São Paulo
não precisa esperar muito para ver ônibus movidos a células de energia
circulando em suas ruas. Um ambicioso projeto de caráter ambiental foi
firmado entre a ONU e o governo brasileiro, por intermédio do Ministério
de Minas e Energia. Este projeto visa a utilização de vários ônibus
movidos a hidrogênio, com eletrotração a PEMFC no transporte coletivo, na
cidade de São Paulo.
Todas estas observações
levam a afirmação de que a “Economia do Hidrogênio” já foi iniciada,
também no Brasil, e não é meramente assunto do futuro.
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[1]
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/CNEN-SP
