Com essa visão, pesquisadores do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), em São Paulo, implantam um projeto que visa ao estudo e o incremento tecnológico de células de combustível para a produção de eletricidade, como forma de buscar fontes alternativas de geração de energia não poluente e que sejam renováveis.

No Ipen são estudadas duas concepções, as de baixas temperaturas - células de membranas poliméricas (PEMFC) e as de alta temperatura - células de eletrólito de óxido sólido (SOFC).
 

Um dos aspectos desse projeto é a investigação do uso da mistura etanol/vapor de água como um combustível alternativo para as células de combustível que operam em altas temperaturas, as chamadas SOFC (solid oxide fuel cell) .“O grande atrativo de se desenvolver essas células de SOFC, está na possibilidade de geração locais de energia elétrica sempre que houver necessidade”, explica a engenheira de materiais Sônia Mello.
 

“Em todo o mundo, as atenções dos centros de pesquisas e de muitas indústrias, estão voltadas a solucionar questões que envolvem tanto os materiais como também os processos de fabricação e projeto das SOFC. Dentro do Ipen, um grupo de pesquisa, do qual participo, desenvolve os materiais que compõe tanto o núcleo (conjuntos de anodos, eletrólitos e cátodos), como os interconectores e selantes utilizados nas células a combustível de SOFC.

Constitui como uma das metas deste projeto, o domínio de tecnologias e processamentos dos materiais voltados para a fabricação destes componentes. Também convém destacar o uso de matérias-primas nacionais nestas tecnologias emergentes”, comenta Sônia Mello.
 

As células a combustíveis de óxidos sólidos operam em maior temperatura (próximo de 1000°C) e são capazes de gerar energia elétrica da ordem de kilo-watts a mega-watts de potência.

Esta alta eficiência na geração de energia faz com que esta concepção apresente grande potencial, para ser utilizada no caso de falha no abastecimento de energia pela rede elétrica, por exemplo, em locais onde a energia é imprescindível, como nos hospitais.
 

Análoga a uma pilha, a energia elétrica de uma célula a combustível é gerada a partir de uma reação eletroquímica, ou seja, a energia liberada pela reação química é convertida diretamente em energia elétrica.

Entretanto, a principal diferença, que constitui numa grande vantagem, já que no caso da célula a combustível, a produção de energia ocorre sempre que está é alimentada com combustível que pode ser o gás hidrogênio, monóxido de oxigênio, metanol, etanol ou até gás natural. “Atualmente, é considerada uma das formas mais limpas de geração de energia elétrica, pois os produtos destas reações são água e calor e, em alguns casos dióxido de carbono”, explica a pesquisadora.

O processo de reação dessa célula é feito por meio do combustível, que é alimentado do lado do anodo - por exemplo o hidrogênio (H²). Do lado do catodo é introduzido o oxidante, no caso o oxigênio (O²). Num eletrólito condutor iônico (ex. zirconia), o oxigênio na forma de íon (O=), se difunde no sentido catodo-eletrólito-anodo.

Ao entrar em contado com o hidrogênio na interface eletrólito/anodo, eles reagem entre si formando água e liberando dois elétrons por cada molécula de água formada: H²+ ½ O² ž H²O + 2 e-. Estes elétrons são recolhidos por um condutor elétrico transformando diretamente parte da energia de reação em eletricidade.

Segunda a engenheira, da mesma forma que a célula de combustível apresenta várias possibilidades de aplicação, que a coloca em uma das concepções mais atrativas ao mercado energético, com particular destaque para a geração de energia distribuída, esta concepção ainda necessita de muitos desenvolvimentos, direcionados principalmente à garantia de longevidade das células às condições extremas (ambiente e temperatura) a que são submetidos os materiais que as constituem.

“Muitas pesquisas têm sido centradas em estocagem e transporte de combustível, principalmente de hidrogênio, que pode ser estocado tanto em cilindros de alta resistência ao impacto quanto em materiais sólidos – hidretos metálicos.

Alguns hidretos têm potencial para armazenar inclusive maior volume de gás que o próprio cilindro de mesmo volume aparente. Por outro lado a co-geração permite se utilizar o combustível como o gás natural, o etanol ou metanol diretamente na célula a combustível, produzindo o hidrogênio ou o monóxido de carbono necessário para a reação com o oxigênio e formar a água”, diz Sônia.
 

Como a célula de alta temperatura apresenta possibilidade de produzir um potencial elétrico bastante elevado, é particularmente indicada para ser utilizada em lugares afastados dos grandes centros, como o sertão nordestino ou pequenas comunidades da Amazônia, aonde é difícil o acesso a rede elétrica, já que ela não depende de nenhum outro sistema de abastecimento elétrico. “Mas para isso acontecer, tudo dependerá da concepção de fornecimento.

Acredito que o mais econômico seria a produção próxima ao local de consumo, por exemplo, na atividade agrícola, a partir da biomassa. Ou utilizar outros meios de transporte como contêiners por via fluvial ou rodoviária, sem as perdas de energia como ocorrem hoje pelos cabos de transmissão”, acrescenta.
 

“Numa utilização mais ampla, os grandes centros poderão se beneficiar desse projeto, gerando energia elétrica local, ou seja, em suas casas, fábricas, escolas.

Economizando os custos de transporte e perdas de energia trazidas de grandes distâncias e ainda disponibilizarão em rede, o excedente de energia não utilizado”, complementa a pesquisadora. Sônia Mello diz que a possibilidade da instalação desta tecnologia na geração de energia nas cidades, ainda está um tanto longe. “Mas se houver, acredito que a instalação se dará no caso de energia distribuída, em conjunto com as distribuidoras de energia elétrica”.

De acordo com ela, até o momento, todas as previsões de comercialização em termos mundiais desta célula não foram cumpridas, confirmando que muitas questões tecnológicas ainda aguardam respostas. Numa posição mais conservadora o relatório anual do National Laboratory (Riso), da Dinamarca, prevê mais oito anos de pesquisa até a total comercialização deste tipo de célula a combustível.

As células a combustível podem ser definidas como dispositivos eletroquímicos em que a energia química de um combustível é convertida diretamente em eletricidade.

O princípio de funcionamento de uma célula de combustível é semelhante ao de uma bateria. Estas células utilizam o hidrogênio e oxigênio para produzir energia elétrica, e têm como sub produto apenas calor e água.
 

As células de baixa temperatura são ideais para aplicações móveis, como os automóveis, e as de alta temperatura, responsáveis pelo abastecimento de energia em residência, hospitais e indústrias. “A diferença entre baixa e alta temperatura está, como o nome diz, na temperatura de operação e, conseqüentemente, no potencial de geração de energia de cada unidade. A de baixa temperatura utiliza como eletrólito uma membrana polimérica (PEMFC – polymeric electrolyte membrane fuel cell) que opera entre 80 a 100ºC, gerando, a veicular, cerca de 50 KW.

A de alta temperatura, constituída de materiais cerâmicos, opera entre a temperatura de 800 a 1000ºC, permitindo a geração de energia até da ordem de KW a MW de potência. O calor gerado permite a co-geração de energia integrando a reforma do combustível acoplado à célula”, explica Sônia.
 

O conceito de célula a combustível existe há mais de 150 anos e sua paternidade é atribuída William Grove. Ele teve a idéia durante seus experimentos sobre eletrólise da água, quando imaginou como seria o processo inverso, ou seja, reagir hidrogênio com oxigênio para gerar eletricidade. Mas só em 1839, que o termo célula a combustível, foi criado por Ludwing Mond e Charles Langer.

A primeira célula bem sucedida foi desenvolvida pelo engenheiro Francis Bacon, em 1932. Problemas técnicos adiaram sua concretização até 1959, quando Hary Karl Ihrig obteve sucesso com seu experimento. No final dos anos 50, a agência espacial norte-americana, Nasa, precisou trabalhar com geradores de eletricidade para missões espaciais. O projeto Apollo e as missões espaciais Shuttle fizeram uso das células.

Camila Cotta

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