Fontes Alternativas de Energia: Energia de Célula Combustível

Um candidato provável é a célula combustível. As células combustíveis convertem continuamente substâncias químicas em água, por meio de uma série de reações químicas. As vantagens são muitas. As células combustíveis são silenciosas e mais eficientes para a obtenção de energia que a queima de combustíveis fósseis. Atualmente, muitas têm uma 

eficiência de até 60% e, com algumas adaptações tecnológicas, poderiam se aproximar de 100%. Para fins de comparação, as turbinas têm uma eficiência de cerca de 40-50%, e motores de combustão interna, de 10-20%.Parece não haver uma tecnologia de energia limpa e renovável que se adapte a todos os lugares do mundo, pelo menos não atualmente. Mas, e no futuro? Existe um médoto para produção de água que seja mais limpo e que não utilize tanto carvão, petróleo e gás natural?

Foto gentilmente cedida por DOE. Uma pilha de células combustíveis.

A maioria das células combustíveis utiliza hidrogênio como combustível, no lugar de petróleo. Com isso, produzem emissões que poluem pouco ou nada, dependendo do tipo de célula. Os principais subprodutos das operações de células combustíveis são água e, para alguns tipos de células, calor. Se a célula puder usar combustível não purificado, é produzido um pouco de dióxido de carbono (CO2). Contudo, o volume dessas emissões é muito inferior ao produzido pela queima de carvão ou gasolina.

Porém, isso não significa que os combustíveis fósseis são completamente eliminados. O hidrogênio necessário para abastecer as células combustíveis deve vir de algum lugar. Mas o hidrogênio não existe de forma independente no meio ambiente. Uma fonte de hidrogênio de rápida disponibilidade são os combustíveis fósseis. Isso significa que algumas emissões serão geradas no processo de obtenção do hidrogênio. Assim, as células combustíveis não são uma fonte de energia completamente limpa, pelo menos ainda não.

Células combustíveis atualmente fornecem eletricidade e água para veículos espaciais tripulados dos Estados Unidos. Carros movidos a hidrogênio estão sendo desenvolvidos em todo o mundo, especialmente na China, Japão e Europa. Mas as células combustíveis ainda precisam superar alguns obstáculos antes de terem seu uso difundido. Um estoque de combustível hidrogênio precisa ser desenvolvido. Isso significa que continuaremos usando petróleo, gás natural e carvão, não para obter energia, mas para criar o hidrogênio necessário para alimentar as células combustíveis. Outras questões relacionadas às células combustíveis incluem tamanho, peso, durabilidade e custo. Uma observação mais atenta dos diferentes tipos de células combustíveis nos ajudará a ver se células combustíveis irão abastecer o futuro.

Partes Principais

Uma célula combustível é um dispositivo relativamente simples. Ela contém dois eletrodos: o ânodo (eletrodo negativo) e o cátodo (eletrodo positivo). Todas as reações químicas ocorrem nos eletrodos. Para acelerar a reação química, um catalisador é usado para revestir os dois eletrodos. A célula combustível também contém um eletrólito para transportar as partículas carregadas de um eletrodo a outro. Para que a reação ocorra, outras duas coisas são necessárias: oxigênio e, obviamente, combustível. A maioria das células combustíveis em desenvolvimento utiliza hidrogênio como combustível.

As células combustíveis movidas a hidrogênio usam reações químicas para criar eletricidade. O hidrogênio entra na célula e, por meio de uma série de reações químicas, combina-se com o oxigênio para produzir água e eletricidade.   Clique aqui para ver uma animação.

Na célula combustível de membrana de troca de prótons, ou membrana de eletrólito de polímeros (PEM), o hidrogênio entra no ânodo, onde se divide em íons hidrogênio e elétrons. Os elétrons transportam a carga para fora da célula, enquanto os íons se movem dentro dela. No cátodo, os íons reagem com o oxigênio e com os elétrons, formando água.

Como Funciona

Todas as células combustíveis a hidrogênio funcionam sob os mesmos princípios, com variações dependendo do tipo de célula. O combustível hidrogênio entra na célula pelo ânodo. Ocorre oxidação no ânodo, quando os íons positivos (prótons) são removidos de átomos de hidrogênio por uma reação química auxiliada pelo catalisador. O ânodo é poroso, então o hidrogênio consegue atravessá-lo. O cátodo também é poroso, então o oxigênio consegue atravessá-lo.

O eletrólito transporta os íons carregados do ânodo para o cátodo. Contudo, os elétrons são obrigados a passar para um circuito externo. Lá, eles criam uma corrente elétrica que pode ser usada como energia.

Ilustração gentilmente cedida pela NASA. Este é um diagrama simplificado de célula combustível. Esse tipo de célula é usado em voos espaciais.

Ocorre redução no cátodo, quando os elétrons se combinam com os íons hidrogênio positivos e o oxigênio para formar água. A água escoa para fora da célula combustível. Se usamos hidrogênio puro como combustível, nenhuma outra emissão é criada. Se o hidrogênio não é puro, pequenos volumes de outros gases também são produzidos. Algumas células combustíveis operam a temperaturas bastante altas, portanto geram muito calor.

Sistemas de Células Combustíveis

Uma única célula combustível não produz eletricidade suficiente para a maioria das necessidades. Para produzir um volume de energia adequado, as células combustíveis são dispostas em pilhas. O tamanho da pilha depende do volume de eletricidade necessário para o uso pretendido, o tipo de célula combustível, o tamanho da célula combustível, a temperatura operacional e a pressão dos gases envolvidos.

Alguns sistemas de célula combustível utilizam hidrogênio puro como combustível. Contudo, muitos utilizam hidrogênio não purificado, ou hidrocarbonetos como metanol, gasolina ou diesel. O problema desses combustíveis é que eles contêm moléculas como sulfeto de hidrogênio e sulfeto de carbonila. Essas moléculas podem “envenenar” a célula combustível, reduzindo consideravelmente sua eficácia. As células que utilizam esses combustíveis com hidrocarboneto ou hidrogênio não purificado exigem um processador de combustível. O processador converte um combustível rico em hidrogênio em uma forma que possa ser usada pela célula combustível. O tipo de processamento depende do combustível. O hidrogênio levemente impuro precisa apenas ser filtado. Os hidrocarbonetos precisam ser convertidos em gás hidrogênio e compostos de carbono, uma mistura chamada de reformado. Em alguns casos o reformado também precisa ser processado para remover impurezas antes que possa ser usado na célula combustível. Células combustíveis operadas a temperaturas muito altas também podem fazer a reforma dentro da célula. A reforma cria um pouco de CO2, mas menos do que um motor de combustão típico.

A eletricidade criada pelas células combustíveis é corrente direta, que flui em uma direção. Contudo, a maior parte da eletricidade fornecida a residências e empresas é de corrente alternada, que flui em ambas as direções, em ciclos que se alternam. O fluxo, voltagem e frequência da corrente elétrica também devem ser controlados. Portanto, uma célula combustível precisa de condicionadores e inversores de corrente para se adaptar à eletricidade produzida.

A parte final de um sistema de célula combustível é o sistema de recuperação de calor. Dependendo do tipo de célula, as células combustíveis geram pouco ou muito calor durante a operação. Esse calor pode ser usado para criar vapor para operar um turbina e um gerador, e assim gerar mais eletricidade. Isso aumenta a eficiência energética de uma célula combustível.

Foto gentilmente cedida pela INSTITUIÇÃO SMITHSONIAN. Célula combustível álcali Pratt & Whitney sendo montada para uma nave espacial Apollo em 1964.

Tipos de Células Combustíveis

Existem várias células combustíveis sendo desenvolvidas em laboratórios de todo o mundo. Cada uma utiliza diferentes eletrólitos e catalisadores, e opera a diferentes temperaturas operacionais. Outras variações incluem eficiência energética e durabilidade de material. Algumas células combustíveis devem operar com hidrogênio puro, enquanto outras podem obter o hidrogênio de combustíveis fósseis. Essas variações tornam algumas células combustíveis mais adequadas para uso em carros ou ônibus, enquanto outros tipos de células funcionam melhor para usos não veiculares, como geração de energia.

Uma das primeiras células combustíveis a ser desenvolvida foi a célula combustível alcalina. Esse tipo de célula tem produzido eletricidade e água no espaço para o programa espacial norte-americano desde as missões Apollo, na década de 1960. Outro tipo antigo de célula combustível ainda em uso é a célula combustível de ácido fosfórico. Mais de 200 unidades dessa célula combustível de primeira geração ainda estão em operação. A maioria produz eletricidade para edifícios, mas algumas abastecem veículos, como ônibus municipais.

Originalmente desenvolvidas em meados da década de 1960, as células combustíveis de carbonato fundido agora estão sendo desenvolvidas para uso industrial, público e militar. Motivo principal: elas operam em altas temperaturas, cerca de 650°C. Pesquisadores trabalham com células de óxido sólido há muitos anos, desde a década de 1950. As células de óxido sólido também são células de alta temperatura. Em função das altas temperaturas operacionais, esse tipo de célula combustível provavelmente será usado para gerar energia para edifícios e serviços públicos.

A célula combustível de membrana de eletrólito de polímeros, ou membrana de troca de prótons (PEM), é a que está sendo desenvolvida para substituir motores a gasolina e diesel. Essas células, assim como algumas das outras, fornecem eletricidade para naves espaciais. As células PEM voaram com as naves americanas Gemini na década de 1960. Essas células operam a uma temperatura relativamente baixa, de 100°C. Assim, elas atingem a capacidade operacional total relativamente rápido, uma vantagem extra para uso em transportes.

Células combustíveis de metanol direto estão em fase inicial de desenvolvimento, com cerca de três ou quatro anos de atraso em relação às outras tecnologias de célula combustível. Pequenos aplicativos, incluindo notebooks e telefones celulares, podem um dia vir a ser alimentados por células de metanol direto. Outro tipo em desenvolvimento é a célula combustível zinco-ar. A célula combustível zinco-ar é um tipo híbrido de bateria tradicional e célula combustível. O ânodo, feito de zinco, se esgota com o passar do tempo e precisa ser substituído. Essa célula já está sendo usada em veículos elétricos.

Foto gentilmente cedida pelaINSTITUIÇÃO SMITHSONIAN. Essa célula combustível de carbonato fundido é usada em Miramar, San Diego, Calif., no Laboratório Nacional de Tecnologia Energética, U.S. DOE.

A maioria das células combustíveis utiliza hidrogênio derivado de combustíveis fósseis. Mas, e se pudéssemos substituir os combustíveis fósseis por um combustível de hidrogênio renovável? Essa é a ideia por trás das células combustíveis regenerativas. O combustível hidrogênio seria produzido pela divisão da água. A água produzida pela célula combustível seria transformada novamente em hidrogênio por meio de eletrólise. A eletricidade para esses processos viria de fontes renováveis, como energia solar ou eólica. Essa abordagem poderia ser usada com qualquer tipo de célula combustível a hidrogênio. Embora isso elimine combustíveis fósseis e poluentes, atualmente não há infraestrutura para esse tipo de energia à base de hidrogênio. Contudo, a NASA, agência espacial norte-americana, está desenvolvendo um sistema regenerativo de pequena escala abastecido por painéis solares, para ser usado no espaço.

História

As células combustíveis existem há muito tempo. As primeiras experiências são de 1838. William Robert Grove, um advogado/cientista do País de Gales, criou a “célula Grove”. O dispositivo tinha um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico, e um eletrodo de zinco em sulfato de zinco. Gerava 12 ampères de corrente a 8 volts. Grove o chamou de bateria de célula úmida. Então, ele criou uma célula combustível usando dois eletrodos de platina. Uma extremidade de cada eletrodo ficava em ácido sulfúrico, enquanto as outras extremidades eram seladas em recipientes contendo hidrogênio e oxigênio. O dispositivo produzia uma corrente estável entre os dois eletrodos, e um volume crescente de água nos recipientes selados. Grove conseguiu decompor e reformar a água com esse dispositivo. Ele combinou vários desses conjuntos de eletrodos em uma “bateria a gás”.

Em 1889, os químicos britânicos Ludwig Mond e Charles Langer usaram ar e gás de carvão industrial na tentativa de construir uma versão prática da bateria a gás de Grove. Eles chamaram o dispositivo de “célula combustível”.

Ilustração gentilmente cedida pela Royal Society, Museu Nacional de História Natural. Este é um diagrama da célula combustível de William Robert Grove.

O engenheiro britânico Francis Thomas Bacon modificou o projeto da célula combustível de Mond e Langer em 1932. Ele substituiu a platina por gaze de níquel nos eletrodos, e trocou o eletrólito de ácido sulfúrico por potássio alcalino, que é menos corrosivo. Ele deu a isso o nome de “célula de Bacon”; o dispositivo era uma versão preliminar da célula combustível alcalina. Apenas em 1959 Bacon finalmente conseguiu construir uma máquina que produzisse uma quantidade significativa de energia. Sua máquina produzia 5 kilowatts, e alimentava uma máquina de soldagem.

Naquele mesmo ano, Harry Karl Ihrig, engenheiro que trabalhava na fabricante de implementos agrícolas Allis-Chalmers, nos EUA, construiu o primeiro trator movido a célula combustível. Ihrig criou uma pilha de células combustíveis com 1.008 células, que abastecia um trator de 20 cavalos.

A próxima campeã de energia de células combustíveis foi a agência espacial norte-americana, a NASA. No início da década de 1960, a NASA precisava de uma forma de fornecer energia a naves espaciais tripuladas. As células combustíveis eram a resposta. Elas eram mais seguras que a energia nuclear, mais baratas que a energia solar, e mais leves que baterias. O interesse pelo uso de células combustíveis na Terra aumentou nos Estados Unidos com os problemas de importação de petróleo na década de 1970. Pesquisas continuam tentando encontrar a melhor combinação de combustíveis, eletrodos e eletrólitos para todos os tipos de aplicações.

Foto gentilmente cedida pelo Acervo de Imagens Históricas do Serviço de Ciências. Esse trator experimental da Allis-Chambers, aqui em uma foto de 1959, usava 1.008 células combustíveis para obter energia. O combustível era uma mistura de gases, principalmente propano, e oxigênio.

Questões a Serem Consideradas

As células combustíveis a hidrogênio ainda precisam percorrer um longo caminho antes de fornecerem uma energia que atenda a todas as necessidaes. O principal problema é o custo: atualmente, as células combustíveis são consideravelmente mais caras do que os motores de combustão interna que alimentam os automóveis. Elas também são muito mais caras do que qualquer uma das fontes de energia que produzem eletricidade. As células combustíveis de uso mais comum custam cerca de US$4.500 por kilowatt; um gerador movido a diesel custa entre US$800 e US$1.500 por kilowatt, e uma turbina movida a gás natural custa US$400 por kilowatt, ou menos. Os motores de automóveis custam ainda menos, entre US$25 e US$30 por kilowatt. Portanto, os custos operacionais das células combustíveis precisam cair significativamente antes que elas sequer sejam consideradas para uso cotidiano na produção de energia.

E custo não é o único problema. No momento, as células combustíveis ainda dependem de combustíveis fósseis para obter hidrogênio. Se outra fonte de hidrogênio for desenvolvida, as células combustíveis poderiam se tornar uma fonte verdadeiramente limpa de energia.

Além disso, há pouco conhecimento sobre a durabilidade e confiabilidade do equipamento no longo prazo, principalmente nas condições de temperatura enfrentadas pelos veículos. O tamanho e peso do sistema completo constituem outro problema para aplicações de transportes. Além da pilha de células combustíveis, as células de temperatura mais baixa exigem um processador, tanques de combustível, compressores e expansores de ar, e sensores. Os motores de combustão interna atuais são mais compactos.  

O calor produzido por células de temperaturas ainda mais baixas deve ser recuperado para reutilização ou, então, resfriado e liberado. Por fim, não existe um sistema de abastecimento de hidrogênio disponível.

Todos esses problemas um dia serão resolvidos, mas, por ora, as células combustíveis são úteis apenas em aplicações limitadas.

Fonte: www.planetseed.com