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AUTARQUIA ASSOCIADA UNIVERSIDADE DE SO PAULO
IMPACTOS DA INTRODUO DA TECNOLOGIA DE CLULAS
A COMBUSTVEL NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA
VISANDO A GERAO DE ENERGIA ELTRICA DISTRIBUDA
MIGUEL LUIZ MIOTTO NEGRO
Dissertao apresentada como parte dos requisitos para obteno do
Grau de Mestre em Cincias na rea de Tecnologia Nuclear -
Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Linardi
So Paulo 2004
-
pen
INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E N U C L E A R E S
A u t a r q u i a a s s o c i a d a Un i ve rs i dade de So Pau
lo
IMPACTOS DA INTRODUO DA T E C N O L O G I A DE C L U L A S A
C O M B U S T V E L NA MATRIZ ENERGTICA BRASILE IRA V ISANDO
A G E R A O DE ENERGIA ELTRICA DISTRIBUDA
/ / , \ \
MIGUEL LUIZ MIOTTO NEGRO \ 3 ^ 5 5 '
. ' . ' ^ . /
. / . , . . /
Disse r tao ap resen tada c o m o parte
d o s r e q u i s i t o s para o b t e n o d o Grau
de Mes t re e m C inc ias na rea de
T e c n o l o g i a Nuc lea r - Mater ia is .
O r ien tado r :
Prof . Dr. Marce lo L i na rd i
SO PAULO
2004
co?^5so nmmi. E Bmm-. MCLB'IR/SP-PE "
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INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARES
Autarquia associada Universidade de So Paulo
IMPACTOS DA INTRODUO DA TECNOLOGIA DE CLULAS A
C O M B U S T V E L NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA V ISANDO
A GERAO DE ENERGIA ELTRICA DISTRIBUDA
MIGUEL LUIZ MIOTTO N E G R O
Dissertao apresentada como parte
dos requisitos para obteno do Grau
de Mestre em Cincias na rea de
Tecnologia Nuclear - Materiais.
Orientador:
Prof. Dr. Marcelo Linardi
SAO PAULO
2004
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Agradecimentos
Agradeo aos amigos pela ajuda,
ao IPEN pela oportunidade,
ao Prof. Robert Garner pela pacincia e contr ibuio
e especialmente ao Prof. Dr. Marcelo Linardi pela
orientao, apoio, colaborao e entusiasmo
que foram fundamentais para a execuo deste trabalho.
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IMPACTOS DA INTRODUO DA TECNOLOGIA DE CLULAS A
COMBUSTVEL NA MATRIZ ENERGTICA BRASILEIRA VISANDO
A G E R A O DE ENERGIA ELTRICA DISTRIBUDA
Miguel Luiz Miotto Negro
R E S U M O
Neste trabalho foram selecionados, estabelecidos e medidos
alguns dos
possveis impactos causados pela introduo da tecnologia de clulas
a
combustvel na gerao distribuda de energia eltrica no Brasil.
Para chegar-se a
valores numricos dos impactos foi necessrio pr imeiramente
estabelecer uma
base de dados e informaes relativas ao tema proposto. Essa base
foi composta
por quatro e lementos, como segue: reviso da literatura sobre o
estado da arte
atual das tecnologias de clulas a combustvel e seus custos;
levantamento da
matriz energtica nacional, v isando a disponibi l idade de
fontes primrias capazes
de suprir a futura demanda de hidrognio; estudo das possibi l
idades de produo
de hidrognio em larga escala no Brasil e seus custos e
levantamento dos
cenrios do setor energt ico no futuro. A partir dessa base foram
estabelecidos,
descri tos e calculados os impactos econmicos, mercadolgicos,
ambientais e
sociais. Cada impacto foi tratado com metodologia prpria. Os
resultados deste
trabalho permitem afirmar que h mercado potencial no Brasil na
atual idade para
determinados s istemas de clulas a combustvel e que alguns deles
j tm preos
prximos competi t iv idade. Por outro lado, as previses para o
futuro so de
fomento gerao distr ibuda e ao emprego de tecnologias
alternativas. Por isso
as perspectivas so bastante favorveis introduo da tecnologia de
clulas a
combustvel para gerao distribuda no Brasil.
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IMPACTS OF THE INTRODUCTION OF FUEL CELL T E C H N O L O G Y
IN THE BRAZILIAN ENERGY MATRIX FOR DISTRIBUTED
GENERATION OF ELECTRICITY
Miguel Luiz Miotto Negro
ABSTRACT
In this study, certain possible impacts brought about by the
introduction of
fuel cell technology in distributed generation of electricity in
Brazil were selected,
establ ished and measured. In order to achieve numerical values
for these im.pacts,
it was necessary to first establish an information and data base
related to the
proposed topic. This base was composed of the fol lowing four e
lements: review of
the literature on the current state of the art of fuel cell
technologies and their costs;
study of the Brazil ian energy matrix, focusing on the
availability of primary sources
capable of supplying future hydrogen demand ; study of the
possibilit ies and costs
of the mass product ion of hydrogen in Brazil; and scenario
building for the future of
the energy sector. Based on these four e lements, economic,
environmental , social
and market impacts were then establ ished and calculated. Each
impact was
analyzed with methodology specif ic to its particular f ield.
The f indings of this study
show that current market potential already exists in Brazil for
certain fuel cel l-
based generat ing systems and that some of these systems already
exist at near
competi t ive prices. On the other hand future tendencies show
that distr ibuted
generat ion as well as the use of alternative technologies will
be encouraged in
such a way that the perspectives are favorable for the
introduction of fuel cell
technology in the distr ibuted generation of electricity in
Brazil.
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SUMARIO
Pgina
1 INTRODUO 8
2 OBJETIVOS 11
3 REVISO DA LITERATURA 12
3.1 Clulas a combustvel 12
3.1.1 Tipos de tecnologias de clulas a combustvel 14
3.1.1.1 Clula a combustvel de membrana trocadora de prtons ...
17
3.1.1.1.1 Clula a combustvel a metanol direto 20
3.1.1.2 Clula a combustvel de cido fosfrico 20
3.1.1.3 Clula a combustvel de carbonatos fundidos 22
3.1.1.4 Clula a combustvel de xidos sl idos 24
3.1.1.5 Clula a combustvel alcalina 28
3.1.2 Desafios 29
3.2 Custos 30
3.2.1 Estimativas de custo de instalao e de reduo de custos
30
4 RESULTADOS E DISCUSSO 38
4.1 Estudo da matriz energtica brasileira 38
4.1.1 Recursos energt icos primrios no Brasil 38
4.1.1.1 Recursos energt icos primrios no renovveis 39
4.1.1.2 Recursos energt icos primrios renovveis 45
4.1.2 Produo de energia total no Brasil 55
4.1.2.1 Produo de energia eltrica estacionria no Brasil 57
4.1.3 Consumo de energia no Brasil 62
4.1.4 Comrcio externo de energia 64
4.1.5 Discusso 65
4.2 Produo de hidrognio no Brasil 67
4.2.1 Produo de hidrognio por eletrlise 69
4.2.1.1 Energia nuclear 70
4.2.1.2 Energia hidreltrica 71
4.2.1.3 Termeltr ica a gs natural 72
-
4.2.1.4 Energia elica 73
4.2.1.5 Energia solar fotovoltaica 74
4.2.2 Produo de hidrognio por reforma de combustveis fsseis ...
74
4.2.2.1 Gs natural 75
4.2.2.2 Gasol ina 79
4.2.2.3 Metanol 80
4.2.3 Produo de hidrognio por reforma de combustveis
renovveis 81
4.2.3.1 Biogs 81
4.2.3.2 Etanol 84
4.2.4 Aval iao dos custos de hidrognio 86
4.3 Cenr ios do setor energtico 89
4.3.1 Hipteses 90
4.3.2 Cenrio otimista (A) 92
4.3.3 Cenr io pessimista (B) 93
4.3.4 Cenr io mais provvel (C) 94
4.3.5 Comparao entre os cenrios 95
4.3.6 Discusso 96
_p 4.4 Impactos econmicos 98
4.4.1 Estimativas de custos de produo de energia eltrica 98
4.4.2 Aval iao de competi t iv idade 102
4.4.3 Cogerao 103
4.4.3.1 Efeitos da cogerao no custo de eletr icidade 105
4.4.4 Sistemas combinados 106
4.4.5 Discusso 107
4.5 Impactos mercadolgicos 108
4.5.1 Segmentos de mercado 108
4.5.1.1 Gerao distribuda 109
4.5.1.2 Segmento de gerao 113
4.5.1.3 Segmento de cogerao e gerao local 113
4.5.2 Apl icaes de clulas a combustvel 115
4.5.3 Oportunidade de mercado 117
4.5.3.1 Disponibi l idade do equipamento e do mercado 119
-
4.5.3.2 Relao mercado-preo 121
4.5.3.3 Potencial de mercado no Brasil 122
4.5.3.4 Penetrao de mercado 123
M.6 Impactos ambientais 126
4.6.1 Impactos com gerao hidreltrica 126
4.6.2 Impactos com gerao termeltr ica 127
4.6.3 Estudo de caso - Aterro sanitrio e clula a combustvel
128
4.6.3.1 Caracterst icas de um aterro sanitrio 128
4.6.3.2 Propr iedades do gs gerado nos aterros 129
4.6.3.3 Si tuao atual de gerao de energia a partir
de gs do lixo 130
4.6.3.4 Aprovei tamento de gs do lixo em clulas a combust ve l .
. . 132
4.6.3.5 Impactos do uso de gs do lixo em clulas a combustvel . .
. 133
4.7 Impactos sociais 137
4.7.1 Impactos com gerao hidreltrica 137
4.7.2 Est imativas de determinadas apl icaes 138
4.7.2.1 Impactos sociais a curto prazo 140
4.7.2.2 Impactos sociais a mdio prazo 142
4.7.2.3 Impactos sociais a longo prazo 145
4.7.3 A poltica e o setor energt ico 146
5 C O N C L U S E S E PERSPECTIVAS 149
5.1 Sugestes de trabalhos futuros 154
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 155
-
1 INTRODUO
A partir da Revoluo Industrial as fontes no renovveis t m
sido
responsveis pela maior parte do consumo mundial de energia. Este
quadro de
consumo s foi alterado eventualmente por acontecimentos polt
icos e
econmicos, que despertaram a humanidade para o problema da
energia. A
fragil idade poltica dos pases exportadores de petrleo, os
problemas
econmicos envolv idos e a questo ambiental tm estabelecido uma
nova
orientao da soc iedade face ao problema energtico. Atualmente
diversas fontes
[BAU 0 1 , FEL 02, GEL 03, W A L 02] assinalam a falta de
adequao do sistema
energtico vigente devido sua dependncia dos combustveis
fsseis,
natureza finita destes combustveis, excessiva poluio do ar
devido
pr incipalmente que ima de tais combustveis e falta de
tecnologia adequada ao
t ratamento dos resduos nucleares, entre outros. A lm da questo
do consumo, o
problema da ef icincia do aprovei tamento das fontes de energia
primria constitui
um grande desaf io da sociedade mundial .
Se forem mant idas as tendncias energticas atuais, haver tambm
um
aprofundamento da desigualdade e das tenses entre as naes. Essas
tenses
iniciaram-se com a primeira crise do petrleo em 1973 e, desde
ento, no
pararam de aumentar. A esses problemas acrescenta-se o aumento
da demanda
de energia no mundo nas prximas dcadas, que dever passar dos
atuais
10 Gtoe por ano para aprox imadamente 27 Gtoe anuais no ano de
2050 [BAU 0 1 ,
A N D 02]. Esse aumento da demanda acontecer em sua maior parte
nos grandes
centros urbanos, exigindo alta densidade de gerao de energia.
Essa alta
densidade de gerao geralmente encontra soluo apenas na energia
nuclear,
em grande escala.
Esses fatos fazem com que o mundo como um todo busque novas
formas
de uso e distr ibuio de energia. Podem-se citar duas grandes
correntes de
pensamento que defendem estratgias opostas para enfrentar o
desaf io
energt ico do futuro. Uma delas segue a linha de conduta mais
tradicional, a
-
chamada "trajetria severa" e a outra segue a linha do modelo do
mundo em
"crescimento sustentvel".
A trajetria severa enfatiza o supr imento de combustveis no
renovveis:
petrleo, gs natural, carvo e urnio. A lm disso, defende a
construo de
grandes usinas termeltr icas (a carvo e a f isso nuclear) para
atender a
demanda nos prximos 25 anos. Aps 2020 estar iam em funcionamento
os novos
reatores nucleares rpidos regeneradores, pro longando a durao
das reservas
de urnio [FCP 01]. Aps 2050 haveria uma mudana para as usinas a
fuso
nuclear.
A linha de crescimento sustentvel de fende o aumento da
eficincia do uso
de energia, a diminuio do uso de combustveis fsseis, a reduo das
usinas
nucleares, e o aumento do emprego de recursos energt icos
alternativos. Ser iam
favorecidos, neste modelo, as energias solar, el ica e hidrulica
e t ambm
conversores mais ef icientes, como as clulas a combustvel .
Entretanto o futuro das clulas a combust vel tambm pode ser
favorecido
pela trajetria severa, pois o aumento do nmero de usinas
nucleares, o
desenvolv imento de reatores rpidos regeneradores e da
tecnologia de fuso
nuclear certamente contribuiro para a produo de hidrognio em
larga escala
por meio de energia nuclear.
Independentemente da forma pela qual o setor energtico
desenvolva-se
no futuro, atualmente h um notvel interesse na util izao de
clulas a
combustvel como contr ibuio para a soluo dos problemas citados.
Esse
interesse se concret iza por meio dos muitos invest imentos
pblicos e privados em
pesquisa nessa rea no mundo todo. Portanto, possvel ter-se quase
certeza de
que a clula a combustvel ser um dos conversores energticos
comuns no
futuro [BRO 0 1 , LIN 84, W I L 01].
Por outro lado, as legislaes em muitos pases, e tambm do Brasil,
esto
mudando rapidamente. Este fato est forando a indstria de energia
eltrica a
tambm sofrer mudanas estruturais. Estas mudanas favorecem, entre
outros
fatores, a descentral izao da gerao de energia eltrica e do
nfase ao uso
eficiente da energia no nvel do consumidor f inal, pr
incipalmente em
eletrodomst icos e i luminao.
ro^sso ^ifom- : mmk w JCLEAR/SP-IPEN
-
10
Do ponto de vista social, os pases mais pobres do mundo que tero
o
maior aumento da demanda de energa nas prximas dcadas [GEL 03,
BOA 02].
As nicas possibi l idades reais para esses pases so pequenos
custos de
invest imento, instalaes executadas em etapas e p lanejamento a
curto prazo.
Tais procedimentos geralmente conduzem a s istemas de gerao
descentral izada
de energia. Esse t ipo de gerao diminui os custos de
transmisso,
representando uma vantagem adicional, pr incipalmente para os
pases
emergentes. Pode-se esperar que as tecnologias modernas, como as
clulas a
combust vel , desempenhem um papel importante neste ponto, pois
elas permitem
que as unidades geradoras decentral izadas tenham alta eficincia
energtica e
baixa emisso de poluentes.
Estes fatos despertam o interesse e m pesquisas que revelem
as
possibi l idades reais das clulas a combustvel para a gerao
distribuda. Para
tanto necessrio que sejam realizadas aval iaes comparat ivas
entre todas as
fontes de energia, veri f icando a provvel insero das clulas a
combustvel.
Devem ser planejadas estratgias para o supr imento da demanda,
em especial de
energia eltrica. Essas estratgias devem garantir o supr imento
de eletricidade
necessr ia ao desenvolv imento econmico e melhoria da qual idade
de vida,
especia lmente nos pases mais pobres. A lm disso, vrios pases,
incluindo o
Brasil, necessi tam definir programas de energia para as prximas
dcadas,
aumentando o interesse pela util izao de informaes, ferramentas
e
metodologias bem elaboradas, visando a aval iao comparat iva e
abrangente dos
di ferentes sistemas de gerao de energia eltr ica, onde se
inclui a clula a
combustvel .
-
11
2 OBJETIVOS
Os objet ivos deste trabal l io so descrever e medir os impactos
da
introduo da tecnologia de clulas a combustvel na matriz
energtica brasileira,
centrando-se na gerao de energa eltrica distribuda. Para tanto
devem ser
e laboradas metodologias e ferramentas especf icas para a
realidade brasileira
atual e suas projees para o futuro. Tambm constitu objetivo
deste t rabalho um
estudo da matriz energtica brasileira, a qual possui dados
especf icos
importantes para o estudo em questo.
Os possveis parmetros de medida destes impactos so inmeros.
Neste
trabalho foram selecionados, definidos e medidos alguns
parmetros. Em linhas
gerais os impactos mais importantes so aqueles relacionados aos
custos dos
sistemas de clulas a combustvel, aos mercados para esses
sistemas, ao meio
ambiente e sociedade. Para cada um desses impactos foi dedicado
um estudo,
procurando aproximar-se o mximo possvel das part icularidades de
cada impacto
na real idade brasileira.
As bases para as estimativas dos impactos so as possibi l
idades
energt icas do Brasi l , que foram levantadas por meio do estudo
de sua matriz
energtica; das tecnologias disponveis para as clulas a combust
ive l ; da
capacidade especf ica de produzir hidrognio e do cenrio energt
ico futuro. Todo
o estudo est vol tado gerao distribuda de energia eltrica
estacionria. Por
isso foi necessria uma definio apropriada e completa do conceito
de gerao
distribuda de energia eltrica.
Nos objet ivos do trabalho no se inclui a introduo da tecnologia
de
clulas a combust vel e m aplicaes mveis, nas quais os motores a
combusto
interna ser iam substi tudos por motores eltricos al imentados
pelas clulas a
combustvel . T a m b m no foi considerada a introduo dessa
tecnologia em
apl icaes portteis, nas quais as clulas a combustvel subst i
tuem as baterias e
pilhas convencionais.
-
12
3 REVISO DA LITERATURA
3.1 Clulas a Combustvel
Nesta seo sero apresentados alguns aspectos concernentes a todos
os
t ipos de clulas a combustvel . As clulas a combustvel so clulas
galvnicas,
ou seja, disposit ivos eletroqumicos que convertem energia
qumica diretamente
e m energia eltrica e calor, nas quais os reagentes so
fornecidos de forma
contnua aos eletrodos. Os reagentes so geralmente gases.
O princpio de funcionamento das clulas a combustvel data do
comeo do
sculo XIX. Desde ento essa tecnologia vem sendo aperfeioada at
chegar a
uma apl icao prtica de destaque, como o Projeto Apol lo da NASA,
Estados
Unidos. A clula combustvel a inda no est em fase p lenamente
comercial ,
pr incipalmente devido a seu alto custo [LIN 02],
Os principais componentes de uma clula a combustvel so:
i) anodo - eletrodo onde se d a oxidao do combustvel e que
conduz
eltrons ao circuito externo;
ii) catodo - eletrodo onde se d a reduo do oxidante e que recebe
eltrons
do circuito externo e
iii) eletrl i to - e lemento de l igao dos eletrodos que
transporta uma das
espcies inicas envolvidas nas reaes eletrdicas e previne a
conduo
de eltrons entre os eletrodos.
A s equaes 3 - 1 , 3-2 e 3-3 correspondem, por exemplo, s reaes
que
ocorrem e m uma clula a combustvel cida admit indo-se hidrognio
puro como
combustvel e oxignio puro como oxidante [WEN 00]. Nessas reaes,
tanto o
hidrognio como o oxignio so fornecidos na forma gasosa. Os
eletrodos so
chamados de eletrodos de difuso gasosa (EDG). Isto se deve s
caractersticas
porosas desses eletrodos que so adaptados para trabalhar com
gases.
Em operao, cada clula unitria fornece aprox imadamente entre
0,6V e
0,7V. A soluo tcnica encontrada para se obter potenciais teis de
110 ou 220V
-
13
o empi lhamento (stack) de clulas, isto , conexo em srie de
vrias clulas
unitrias [LIN 02] . Com isto somam-se os potenciais fornecidos
por cada clula
at se conseguir o potencial necessrio.
Anodo: H2 + 2 H2O ^ 2 HaO^ + 2 6 Eoa = O Volts x (RHE) (3-1)
Catodo: 72 02 + 2 HsO^ + 2 e ^ 3 H2O Eoa = + 1,23 Volts x (RHE)
(3-2)
Total : H2 + yz02 -> H2O Eototai= + 1,23 Volts x (RHE)
(3-3)
onde Eo o potencial termodinmico de equilbrio nas condies padro
e RHE
indica o eletrodo de referncia de hidrognio.
Uma das principais vantagens deste energt ico sua eficincia
terica
mxima, dada por:
Tleletroqumica terica mxima ~ AGr/AHr (3-4)
onde:
Tieietroquimica terica mxima = efcnca terica mxma da clula
AGr = Var iao de energia livre da reao, que corresponde ao
trabalho eltrico
mximo que a clula pode produzir.
AHr = Var iao total de entalpia da reao.
Levando-se e m conta a lei da termodinmica:
AH = AG + TAS (3-5)
tem-se que o te rmo TAS o responsvel pela gerao de calor
irreversvel no
processo. Teor icamente todo o restante (AG) pode ser t
ransformado em trabalho
eltrico. A eficincia total real das clulas a combustvel est hoje
em torno de
80 %, enquanto que as mquinas de Carnot tm eficincia em torno de
40 %.
A lm da maior eficincia, as clulas a combustvel tm outras
vantagens
sobre os energt icos convencionais, como apresentado a seguir:
alta
-
14
confiabi l idade; baixo ou nen l ium nvel de emisso, isto ,
pouco ou nada
poluente; muito baixo impacto ambiental ; versati l idade de
potncias podendo
variar de alguns k W at MW; possibi l idade de utilizar
reagentes renovveis;
possibi l idade de gerao descentral izada, isto , microgerao;
dependendo do
tipo de clula a combustvel , h possibi l idade de co-gerao;
possibi l idade de
construo modular confer indo grande flexibil idade e so bastante
mais
si lenciosas que os motores a combusto interna.
A lgumas desvantagens so o alto custo, a dif iculdade de gerao
de alta
potncia e a necessidade de reforma de alguns combustveis
primrios para a
obteno de hidrognio.
O parmetro mais usado para a classif icao das clulas a combust
ivel o
t ipo de eletrlito e conseqentemente a temperatura de operao
[LIN 02].
3.1.1 Tipos de tecnologias de clulas a combustvel
Os vrios t ipos de clula a combustvel envolvem materiais
constituintes
distintos e, portanto, tcnicas de construo diversas, impl icando
em tecnologias
diferentes de fabr icao dos eletrodos bem como de operao e
manuteno dos
sistemas. As diferentes tecnologias de clula a combustvel so
usualmente
designadas pelas abreviaturas de seus nomes em ingls. Na TAB. 1
esto
apresentadas essas abreviaturas e seus correspondentes signif
icados conforme o
t ipo de eletrlito.
TABELA 1 - Designaes usuais de clulas a combustvel
Abreviatura Por extenso Eletrlito
A F C Alkaline fuel cell Alcal ino - KOH
SOFC Solid oxid fuel cell xidos slidos
PAFC Phosforic acid fuel cell cido fosfrico
PEMFC Proton exchange membrane fuel cell Membrana trocadora
de
prtons
MCFC Molten carbonate fuel cell Carbonatos fundidos
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14
confiabi l idade; baixo ou nen l ium nvel de emisso, isto ,
pouco ou nada
poluente; muito baixo impacto ambiental ; versati l idade de
potncias podendo
variar de alguns k W at MW; possibi l idade de utilizar
reagentes renovveis;
possibi l idade de gerao descentral izada, isto , microgerao;
dependendo do
tipo de clula a combustvel , h possibi l idade de co-gerao;
possibi l idade de
construo modular confer indo grande flexibil idade e so bastante
mais
si lenciosas que os motores a combusto interna.
A lgumas desvantagens so o alto custo, a dif iculdade de gerao
de alta
potncia e a necessidade de reforma de alguns combustveis
primrios para a
obteno de hidrognio.
O parmetro mais usado para a classif icao das clulas a combust
ivel o
t ipo de eletrlito e conseqentemente a temperatura de operao
[LIN 02].
3.1.1 Tipos de tecnologias de clulas a combustvel
Os vrios t ipos de clula a combustvel envolvem materiais
constituintes
distintos e, portanto, tcnicas de construo diversas, impl icando
em tecnologias
diferentes de fabr icao dos eletrodos bem como de operao e
manuteno dos
sistemas. As diferentes tecnologias de clula a combustvel so
usualmente
designadas pelas abreviaturas de seus nomes em ingls. Na TAB. 1
esto
apresentadas essas abreviaturas e seus correspondentes signif
icados conforme o
t ipo de eletrlito.
TABELA 1 - Designaes usuais de clulas a combustvel
Abreviatura Por extenso Eletrlito
A F C Alkaline fuel cell Alcal ino - KOH
SOFC Solid oxid fuel cell xidos slidos
PAFC Phosforic acid fuel cell cido fosfrico
PEMFC Proton exchange membrane fuel cell Membrana trocadora
de
prtons
MCFC Molten carbonate fuel cell Carbonates fundidos
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15
Na FIG. 1 apresentado um esquema simplificado do funcionamento
das
clulas a combustvel para cada urna das tecnologias existentes.
Na FIG. 1
observa-se que os gases oxidantes so introduzidos no catodo e os
gases
combustveis no anodo. Da mesma forma v-se que o eletrlito
sempre
responsvel pela conduo de ons em qualquer tipo de clula a
combustivel. Na
FIG. 1 esto tambm representados os diferentes ons trocados entre
catodo e
anodo para cada um dos tipos de clulas a combustvel.
Sada dos gases de exausto
Combustvel
Sada dos gases de exausto
Oxidante
Anodo Eletrlito Catodo
FIGURA 1 - Esquema geral de funcionamento dos diversos t
ipos
de clulas a combustvel
Na TAB. 2 so mostrados os vrios tipos de clulas segundo suas
denominaes, vantagens e desvantagens [LIN 84, WEN 02, WEN 00]. A
TAB. 2
um resumo das caractersticas operacionais e aplicaes
preferenciais com
nfase na temperatura requerida pelo eletrlito.
Na FIG. 2 est apresentado um esquema da montagem tpica de um
empilhamento (mdulo) de unidades de clulas a combustivel. Na
FIG. 2 a placa
-
16
TABELA 2 - Tipos e caractersticas de clulas a combustvel
Tipo Eletrlito Temp. Vantagens Desvantagens Aplicaes (espcie (C)
t ransportada)
Alcalina KOH (0H-) 60 a - Alta eficincia - Sensvel a CO2 -
Espaonaves (AFC) Alcal ine Fuel Cell 90 (83% terica) - Gases ultra
puros, sem - Apl icaes militares
reforma do combustvel Membrana (PEMFC)
Polmero: Nat ion (HsO^) Proton Exchange Membrane Fuel Cell
70 a - Altas densidades de 90 potncia e eficincias
- Operao flexvel - Mobil idade
- Custo da membrana e catalisador - Contaminao do catalisador
com CO
- Veculos automotores - Espaonaves - Unidades estacionrias de at
1 M W
cido fosfrico (PAFC)
H3PO3 (H3O") Phosphoric Acid Fuel Cell
160 a - M a i o r 200 desenvolvimento
tecnolgico
- Controle da porosidade do eletrodo - Sensibi l idade a CO -
Eficincia limitada pela corroso
- Unidades estacionrias (100 k W a alguns MW) - Cogerao
Carbonatos Carbonatos fundidos Fundidos
2-(MCFC) (COs^-) Molten Carbonate Fuel Cell Zr02 (O^-) Solid
Oxide Fuel Cell
650 a - Tolerncia a CO/CO2 700 - Eletrodos base de
Ni
- Problemas de materiais - Necessidade da reciclagem de CO2 -
Interface trifsica de difcil controle
- Unidades estacionrias de algumas centenas de kW - Cogerao
Cermica (SOFC)
800 a - Alta eficincia 1000 - A reforma do
combustvel pode ser feita na clula
- Problemas de materiais - Expanso trmica - Necessidade de
pr-reforma
- Unidades estacionrias de 10 a a lgumas centenas de kW;
Cogerao
-
17
bipolar a responsvel pela l igao em srie das clulas unitrias e
as molduras
so necessrias para garantir a vedao do sistema.
Na FIG. 2 est mostrado um esquema de montagem de um empi
lhamento
ou pilha (stack) de clula a combust ivel , t ambm chamado de
mdulo de clula a
combustvel .
Legenda: 1 - Placa bipolar 2 - Catodo 3 - Moldura do catodo 4 -
Eletrlito 5 - Moldura do anodo 6 - Anodo.
FIGURA 2 - Montagem de um empi lhamento de unidades de clulas
a
combustvel
3.1.1.1 Clula a combustvel de membrana trocadora de prtons
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) a referncia s clulas
a
combust ivel cujo eletrlito uma membrana trocadora de prtons
[LIN 02,
V IE 03]. Essa membrana constituda pelo pol mero Nation. Este
polmero
capaz de conduzir apenas os prtons HsO"^ quando hidratado e
apresenta boa
resistncia qumica.
Para a confeco final do MEA (Membrane Electrolyte Assembly)
deposita-
se sobre a membrana de Nation um material condutor eletrnico,
geralmente
negro de fumo (ou Carbon Black), contendo nanopart culas de
platina dispersas.
-
18
A platina o eletrocatal isador de escolha das reaes, enquanto o
negro de fumo
fornece o meio condutor eletrnico. Os eletrodos so porosos e
portanto tambm
chamados de eletrodos de difuso gasosa.
Um avano tecnolgico importante foi a impregnao da camada
cataltica
com soluo de Nafion. Isto possibil i tou a reduo da carga de Pt
necessria
para o mesmo desempenho, diminuindo-a de vrios gramas para fraes
de mg
por cm^. O custo da clula deixou ento de ser determinado pela
quant idade de
Pt.
As principais caracterst icas deste tipo de clula a combust ivel
so:
i) a clula que tem maiores densidades de potncia e a menor
relao
peso/volume, o que a habilita para aplicaes mveis.
ii) o gerenciamento do eletrlito mais simples, porm o da gua
mais
compl icado;
iii) fcil l iga/desliga;
iv) robustas;
v) t rabalham a baixa temperatura (de 80 a 90C).
vi) sensveis a 0 0 .
Na prtica o hidrognio normalmente est contaminado com CO,
proveniente da reforma de combustveis primrios como gasol ina,
gs natural ou
um lcool. Durante a operao da clula, o CO entra e m contato com
a Pt e ali se
adsorve qumicamente devido alta entalpia de adsoro do CO em
platina. A
reao a seguinte [LIN 02]:
y P t + C O ^ Pty-CO (3-6)
onde y pode valer 1 ou 2
Esse procedimento leva a um recobrimento quase total da superf
icie
catalt ica da Pt, d iminuindo ou anulando o rendimento da clula.
Este fato
chamado de envenenamento do catalisador. H outro problema
associado a este,
que o fato de a dessoro do CO da superf icie da platina ocorrer
muito
lentamente. Por isso necessrio remov-lo por oxidao, dado que CO2
se
-
19
desprende faci lmente da platina, l iberando-a para a oxidao do
t i idrognio. H
basicamente trs maneiras de se obter essa oxidao [WEN 00]:
i - Pela at ivao da gua
A ativao da gua dada pela reao 3-7, cujos produtos reagem com
o
CO adsorvido segundo a reao 3-8.
Pt + H2O ^ Pt-OH + H * + e " E = 7 0 0 m V v s . NHE (3-7)
Pt-OH + Pty-CO ^ ( y+1 )P t + C O 2 + H ^ + e (3-8)
O CO2 libera a platina para a oxidao de hidrognio. Entretanto a
at ivao
da gua ocorre em propores considerveis somente a potenciais
acima de
700 mV vs. NHE. Por isso necessrio um potencial de anodo da
mesma
grandeza para se conseguir a ltima reao acima (8). Este fato
reduziria
drast icamente o potencial oferecido pela clula e, portanto, o
seu rendimento.
ii - Pela introduo direta de oxignio
Adiciona-se um pouco de oxignio ao gs do anodo, processo
tambm
chamado de "air-bleed". Este procedimento gera um envenenamento
bastante
menor do catal isador. Porm gera tambm uma oxidao cataltica
heterognea
de parte de hidrognio no anodo. A oxidao heterognea causa uma
perda de
parte do combustvel (indesejvel) e conseqente reduo do potencial
da clula.
iii - Pela introduo de co-catal isadores
Os co-catal isadores na vizinhana da platina reagem com a gua
formando
espcies contendo oxignio que por sua vez reagiro com o CO
adsorvido na
platina (Pty-CO) produzindo CO2, a potenciais abaixo de 700 mV
vs. NHE. Um
exemplo de um bom co-catal isador o rutnio, segundo as
reaes:
Ru + H2O RuOH + H^ + e" (3-9)
Ru + H2O RuO + 2H^ + 2 e " (3-10)
Pt-CO + RuO Pt + R u + CO2 (3-11)
-
20
3.1.1.1.1 Clula a combustvel a metanol direto
DMFC (Direct l\/lethanol Fuel Cell) a clula que oxida
metanol
d i re tamente no nodo [LIN 02, VIE 03]. A construo da clula
similar PEMFC
e o metanol pode ser al imentado nas formas lquida ou vapor. O
metanol
adsorvido na superfcie cataltica e segue-se uma srie de reaes
de
de idrogenao do metanol , que leva adsoro dissociativa do
metanol formando
Pty-CO. Ou seja, medida que a DMFC opera, ocorre tambm um
envenenamento do catalisador. Este processo faz com que o
potencial disponvel
d iminua rapidamente e que a clula pare de funcionar.
Para resolver este problema so sugeridas a lgumas alternativas
como
elevar a temperatura de operao da clula, o que excluiria o
Nafion como
eletrlito; uso de novos sistemas de catal isadores e reforma
externa do metanol.
Em relao PEMFC a DMFC tem ainda como desvantagens o
potencial
de equilbrio inicial de 0,7 V que mais baixo que na al imentao
com hidrognio
(1,23 V) e a membrana de Nafion permevel ao metanol . Uma outra
alternativa
para o caso de reforma externa do metanol seria o uso de etanol
como
combust vel pr imrio, pois em relao ao metanol o etanol menos
txico, mais
barato e uma fonte renovvel. Porm o etanol requer mais energia
para sua
reforma [ W E N 02].
3.1.1.2 Clula a combustvel de cido fosfrico
PAFC (Phosforic Acid Fuel Cell) a clula que usa cido fosfrico
como
eletrlito [LIN 02, VIE 03]. Os eletrodos so de di fuso gasosa da
mesma forma
como na PEMFC. Nas FIG. 3 e 4 esto mostrados um esquema de
construo e
medidas de urna unidade geradora de 200 k W baseada em PAFC.
Na FIG. 3 tem-se que o conversor (1) responsvel pela t
ransformao da
corrente contnua produzida pelas clulas a combustvel em corrente
alternada. O
reformador de combustvel (2) fornece uma mistura gasosa rica em
hidrognio
para o empi lhamento (3) de clulas a combustvel . Note-se na
FIG. 3 que o gs
natural no fornecido diretamente ao mdulo, mas sim ao
reformador.
As principais caractersticas das clulas PAFC so a eficincia
eltrica real
de aprox imadamente 42 %, apl icao pr imordialmente
estacionaria, maior
desenvolv imento tecnolgico, potncia eltrica de aprox imadamente
200 kW,
-
21
Energia eletnca
G natural
FIGURA 3 - Esquema da montagem de um sistema de clulas a
combustvel tipo PAFC a gs natural.
Fonte: [LIN 02]
P C 2 5 C PC25A 1 8 t 27 t
3,5 m
F IGURA 4 - Medidas usuais de uma unidade de PAFC de 200kW
Fonte: [LIN 02]
-
22
potncia trmica de aprox imadamente 200 kW, operao simples,
sem
interferncia humana (possvel a distncia), o combustvel
geralmente o gs
natural reformado, t rabalham a mdia temperatura
(aproximadamente 200C),
so insensveis a CO at 1 %, foram o primeiro t ipo de clula a
combustvel a ser
comercial izado e algumas empresas fabncantes so Fuji no Japo e
UTC Fuel
Celi (antiga IFC) nos EUA [WEN 02]. Na FIG 4. pode ser observado
o progresso
tecnolgico conseguido entre o modelo antigo (A) e o atual (C) da
unidade PC25
da UTC. Observa-se, para uma mesma potncia, reduo do peso total
de 27 t
para 18 t e reduo de todas as medidas. Este modelo j tem mais de
200
unidades vendidas no mundo todo.
3.1.1.3 Clula a combustvel de carbonatos fundidos
MCFC {Molten Carbonates Fuel Celi) a clula cujo eletrlito
utiliza
carbonatos fundidos [LIN 02, V IE 03]. Seu eletrlito composto
por uma matriz de
LAIO2 em p e uma mistura de carbonatos fundidos no estado
lquido. Procura-se
operar a clula no ponto eutt ico da mistura de carbonatos. As
misturas de
carbonatos mais comuns so L2O3 ou K2CO3 que tem o ponto euttico
entre
488C e 498C e L2CO3 ou Na2C03 que menos voltil e mais condutora,
porm
com ponto euttico mais alto [ W E N 00]. Quanto aos materiais de
eletrodo tem-se:
i) Anodo : Ni com Al de 5% a 15% em massa e tambm Ni com Cr de
5% a 10%
em massa, sinterizados e endurecidos.
ii) Catodo: Atmosfera oxidante de NiO dopado com Li - NiO(Li) -
, em porosidades
de 7 0 % a 7 5 % e espessuras de 0,6 a 0,9 m m . Nessas condies,
esse material
se aproxima a um semi condutor de 10 Q.cm"^ de condut iv idade
especf ica. A
reao inicial no catodo a seguinte:
Ni + I/2O2 ^ NiO(Li) (3-12)
O produto se forma, ento, e m part iculas de 100 nm, gerando
aglomerados com
dimetros de 3 a 5 i^m.
Na FIG. 5 est mostrado um esquema de conjunto gerador baseado
em
empi lhamento de MCFC. Outras caracterst icas das clulas tipo
MCFC so a
e levada eficincia terica mx ima, apl icao exclusivamente
estacionria, a
-
23
polarizao por ativao tende a zero, pois o processo ativado
termicamente,
tendncia de unidades de 200 a 300 kW de potncia, o ion trocado o
COs^" ,
possibilidade de utilizao de gs natural como combustvel direto,
trabalham a
alta temperatura (aprox. 600C), so insensveis a CO, possuem
testes de campo
j realizados com sucesso, tm capacidade de co-gerao,
produzindo
eletricidade e calor de processo e seus eletrodos so base de Ni
ou Cu,
dispensando o uso de metais nobres.
Ven t i l ado res
C a m a r a d e mistura p a r a ar e g s do a n o d o e c a t o
d o
Estante e l t r ica p a r a cont ro le e inverso de corrente
Ven t i l ao
Reg is t rador e ltr ico para iniciar o p r o c e s s o
Combust ve l l impo
En t rada d e ar
Ent rada d e ar
S a i d a de ar
Sa da de ar
Combust ve l A g u o
FIGURA 5 - Esquema de unidade geradora baseada em MCFC
Fonte: [LIN 02]
As principais desvantagens deste tipo de clula a combustvel so
os
problemas de materiais a altas temperaturas, tais como
compatibilidade entre os
mesmos, corroso e expanso trmica. Uma forma de reduzir esses
problemas
a introduo de Al ou Cr no anodo para inibir a ps-sinterizao do
Ni, que reduz
a rea ativa do eletrodo. Adiciona-se AI2O3 ou Cr203 em
particulas da ordem de
|im [WEN 02]. Outra desvantagem a necessidade de recirculao de
CO2 para
manter a concentrao de ons carbonato no eletrlito.
-
24
3.1.1.4 Clula a combustvel de xidos slidos
SOFC (Solid Oxid Fuel Celi) a clula combustvel que usa um
eletrlito
cermico slido [LIN 02, V IE 03]. O eletrlito da SOFC formado por
Zircnia
(xido de zircnio) estabil izada com tria - em ingls: Ytrium
Stabilized Zirconia, ou
YSZ - numa membrana de 50 a 150 ^ m de espessura. Essa
membrana
fabr icada, entre outros processos, por Slurry Casting ou Slip
Casting, mas a
tcnica mais comum ECVD - Electrochemical Vapor Deposition.
Os eletrodos das SOFC tambm so sl idos. Os materiais que se util
izam
para sua confeco no estado da arte atual so:
i) Anodo : Cermet f inamente disperso de YSZ (de 0,1 a 1,0 jxm)
e Ni (de 5 a
10 \xm). A reao andica ocorre na superfcie l imitante de NiA'SZ.
A espessura
total do nodo de aproximadamente 10 \xm.
ii) Catodo: fabricado geralmente por Slurry Cast ing e posterior
sinterizao de
xidos mistos do tipo La(Sr)xMn03+x Deve ser poroso, ter
espessura de 200 \xm
e boa mobi l idade para O^" associada a condut iv idade
eletrnica moderada. Esta
lt ima limita a espessura de fi lmes f inos, min imizando a
resistividade lateral.
A seguir esto expostas as principais caracterst icas do
interconector de
uma SOFC. Geralmente composto por cromito de lantnio (LaCrOs)
disposto em
plasma spray. Este material estvel contra ataque oxidativo e
redutivo no
potencial da clula e elevada temperatura de operao. O problema
centra-se
na alta volati l idade do Cr, que contamina a Zircnia. A
Siemens-West inghouse
min imizou este problema, construindo a clula em forma tubular e
fazendo a
l igao de corrente em Ni.
Outras caractersticas deste t ipo de clula a combustvel so a
alta
temperatura de trabalho (de 800 a 1000C), a alta eficincia
terica mxima,
apl icao exclusivamente estacionria, a polar izao por at ivao
tende a zero,
pois o processo ativado termicamente, o Ion conduzido no
eletrlito o O^", h
possibi l idade de uso de vrios combustveis pr imrios, so
insensveis a CO e
CO2, a reforma do combustvel pnmrio ocorre parcialmente na
prpria clula e
tem considervel capacidade de co-gerao de eletr icidade e de
calor de
processo [WEN 02].
Ass im como a MCFC, a SOFC tem como principal desvantagem os
prob lemas de materiais. Esses problemas so a compat ibi l idade
entre os diversos
cowss
-
25
materiais e a resistncia dos materiais alta temperatura de
trabalho e em
atmosferas oxidantes e redutoras. A tendncia atual a de
desenvolver novos
materiais para abaixar a temperatura de operao, sem comprometer
o
desempenho. Da mesma forma esto em estudo atualmente trs
diferentes
conf iguraes, conforme segue:
i - Planar quadrada
composta de 4 janelas de 20 x 20 cm de ao inox especial como
suporte
de 4 e lementos de eletrodo, com uma vedao de vidro especial ,
cuja
compos io segredo. Usam-se placas bipolares de ao inox de alto
cromo e
terras raras, que a judam no coeficiente de expanso [LIN
02].
H problemas de vedao e de interconectores e a S iemens era a
empresa
que estava mais avanada neste desenvolvimento, com unidades de
10 k W at
1996. Hoje a Siemens faz scaling-up at algumas centenas de k W
[LIN 02].
ii - Planar circular
simples e eficiente pois sua forma a de um trocador de calor. O
ar
a l imentado radialmente sendo aquecido pela troca de calor com
o gs do nodo
que sai radialmente.
O combustvel al imentado pelo centro e flui para fora tambm
radialmente, que imando com o ar residual. Isso gera calor
residual que usado
para pr-aquecer o ar fresco. H 8 anos a empresa Sua Suizer
fabrica unidades
de 1 k W ao custo de US$ 5.000,00 por kW. Na FIG. 6 est i
lustrada a
conf igurao planar circular da clula tipo SOFC.
iii - Tubular
Foi concebida na dcada de 1970 pela West inghouse, que mais
tarde uniu-
se Siemens. Hoje essa empresa chama-se S iemens-West inghouse. A
clula
montada sobre o manto externo de um tubo poroso de suporte, onde
deposi tada
uma camada porosa delgada do catodo de La,Sr-Mn03. Um dos
extremos do tubo
fechado. Sobre a citada camada forma-se uma membrana f ina de
zircnia e
deposi tada uma camada de uma mistura composta de xido de nquel
e zircnia
f inamente dispersa, que reduzida pelo gs do anodo durante a
operao a
-
26
Cermet de Ni/Zr02 no anodo. Na FIG. 7 est mostrado um esquema
de
construo e funcionamento de um tubo deste tipo de SOFC.
Disco bipolar
Catodo
Eletrlito
Anodo
Disco bipolar
FIGURA 6 - Configurao planar circular unitria de SOFC
Fonte: [LIN 02]
O anodo e a membrana so interrompidos ao longo do comprimento
dos
tubos numa faixa para a introduo do interconector de cromito de
lantnio
sinterizado e no poroso, que se sobrepe ao catodo nessa faixa.
Esse material
do interconector um bom condutor eletrnico e estvel tanto sob a
atmosfera
redutora do anodo como a oxidante do catodo. Esse interconector
tem a funo
da placa bipolar nas outras configuraes, efetuando a ligao
eltrica do catodo
de uma clula tubular com o anodo da clula seguinte atravs de um
filme de
nquel deformvel plasticamente. A conexo das clulas tubulares
pelo contato de
niquel pode dar-se em srie ou em paralelo.
Os tubos possuem dimetro de 3 cm e comprimento de 1 m.
Espera-se
poder ctiegar a uma eficincia total de 70% acoplando a clula a
uma turbina a
gs, para aproveitamento dos gases de saida, alm da cogerao de
calor. Na
FIG. 8 est mostrado um esquema da construo e funcionamento de
um
conjunto de SOFC tubular.
-
27
Interconector do catodo
Eletrlito
Catodo
Fluxo de ar
Exausto 850"C
Ar de processo 630"C
Anodo
Gs natural
Cmara de combusto
Recirculao do combustvel
Mdulo a 1000"C
Ejetor de combustvel
Reformador
Pr-reformador
FIGURA 7 - Construo e funcionamento de um tubo de SOFC
tubular
Fonte: [LIN 02]
FIGURA 8 - Construo e funcionamento de um conjunto de SOFC
tubular Fonte: [LIN 02]
-
28
Os principais problemas deste tipo de clulas tambm se relacionam
com
materiais devido elevada temperatura de operao: degradao do
interconector, reaes interfaciais, sinterizao dos dois eletrodos
e segregao
de impurezas na superfcie.
3.1.1.5 - Clula a combustvel alcalina
AFC {Alcaline Fuel Celf) a clula combustvel cujo eletrlito
composto
de KOH em fase aquosa e o ion transportado o OH" [LIN 02, VIE
03], Os
eletrodos so de difuso gasosa e os gases de al imentao devem ser
puros. Foi
desenvolvida por Bacon em 1932. Em 1952 ele construiu uma clula
de 5 kW
usando Ni no eletrlito com 30 % de KOH presso de 50 atm e
temperatura de
200C.
Hoje usam-se metais nobres, 30 % a 45 % de KOH e opera-se a
60-80C e
1-2 atm. Esta clula havia sido abandonada no f im da dcada de
70, porm hoje
h uma retomada de seu desenvolvimento visando a gerao distribuda
[LIN 02].
Caratersticas principais:
i) Operao em meio bsico sendo que CO e CO2 tem carter cido,
portanto a
presena destes elementos, mesmo em pequenas quant idades (quando
da
reforma de combustveis primrios), provoca sua reao com os ons OH
'
transportados pelo eletrlito, segundo a reao 3-13.
CO2 + 2 0 H - ^ COs^" + H2O (3-13)
O COa^" deposita-se nos eletrodos porosos inutil izando a clula.
Ou seja,
este tipo de clula muito sensvel a CO e CO2, fato que exige a al
imentao de
gases puros. Uma alternativa reforma de hidrocarbonetos como
combustveis
primrios a reforma da amnia (NH3) ou da hidrazina (N2H2), pois
estas no
geram CO e CO2 residuais.
ii) Outro problema desta clula a formao de gua no eletrlito
devido reao
dos gases de al imentao com os ons OH' . Este fato requer que se
remova a
gua excedente do eletrlito, porm mantendo o KOH. H duas formas
mais
comuns de se conseguir essa remoo: eletrlito circulante e
eletrlito esttico.
-
29
Uma apl icao interessante da clula a combustvel alcalina deu-se
no
programa espacial americano (Projeto Apol lo), que usava gases
ultra puros.
Outras apl icaes incluem gerao estacionria, usando gases ultra
puros ou
NH3, uti l izao mvel, devido alta eficincia e densidade de
potncia de
100 kW/kg, caso em que a General Motors j tem projetos de
automveis com
AFC, a lm de apl icaes portteis. Seus custos aproximados na
atual idade so
da ordem de US$ 500,00 por kW para apl icaes portteis e de US$
2.000,00 a
US$ 3.000,00 por k W em apl icaes estacionrias [LIN 02].
3.1.2 Desafios
Atualmente existem alguns campos onde h possibi l idade de
melhorias
para todos os t ipos de clulas a combust ivel . A lguns exemplos
so a reduo de
sua relao peso por kW, o desenvolvimento de materiais
alternativos, a
melhoria de seu desempenho e estabil idade ao longo do tempo, a
simplif icao
de perifricos, a produo em srie e o aumento da confiabi l
idade.
-
3.2 Custos
As clulas a combustvel tm um potencial de mercado bastante
grande.
Este fato est demonstrado em vrios estudos onde se destacam sua
alta
eficincia energtica, construo modular, resposta de carga rpida,
baixa
emisso e capacidade de cogerao. Entretanto a extenso da penetrao
de
mercado pelos sistemas de clulas a combustvel depende muito de
seu custo.
Dado que a tecnologia de clulas a combustvel ainda objeto de
intensa
pesquisa e desenvolvimento, os custos iniciais ainda so altos.
Este um
fenmeno natural em novas tecnologias. Mas devem ser esperadas
redues de
custo de capital signif icativas quando forem levados em
considerao as
amort izaes, o aumento do nmero de pedidos, as redues de gasto
com mo
de obra e de custo de materiais como tambm os efeitos de
aprendizado da
produo em massa. A lm disso a tecnologia de clulas a combustvel
j
despertou o interesse de muitos pesquisadores e de usurios
potenciais no
mercado de energia, como as distribuidoras de energia eltrica e
de gs, o que
indica ser possvel que a reduo do custo de capital produza
custos aceitveis
de energia eltrica.
Conforme exposto na seo 3 .1 , so necessrios pelo menos dois
equipamentos adicionais - o reformador do combustvel e o
inversor de corrente -
para que os sistemas baseados em clulas a combustvel possam usar
a maioria
dos combustveis existentes e integrar-se ao sistema eltrico
atual. Portanto
apenas a anlise do custo do empi lhamento (mdulo) de clulas a
combust ivel
no suficiente para comparar esses sistemas com seus
concorrentes. Por isso
foram levantados na literatura os custos de unidades geradoras
completas
baseadas em PEMFC, PAFC, MCFC e SOFC [MUG 93].
3.2.1 - Estimativas de custo de instalao e de reduo de
custos
Os trs principais equipamentos dos sistemas de gerao baseados
em
clulas a combustvel so o empi lhamento de clulas, o processador
do
combustvel e o conversor de corrente. Supondo que tais
equipamentos faam
parte de projetos ot imizados e integrados de gerao ou cogerao
de energia,
seus custos podem ser levantados por meio da combinao de cotaes
dos
-
31
fabr icantes, tcnicas de estimativa de custos usadas em empresas
de engenl iar ia
e informaes de bases de dados. Os custos da tubulao,
instrumentao e
outros e lementos construtivos podem ser obtidos por meio dos
prprios projetos.
A sistemtica de levantamento de custos considerada no estudo
de
Mugerwa est ima o custo dos sistemas de clulas a combustvel em
funo do
aumento do nmero de unidades produzidas [MUG 93]. Essa
sistemtica tambm
admite a hiptese de que quanto maior a potncia de um sistema de
clulas a
combustvel , menor o nmero de unidades produzidas. O nmero de
unidades
fabr icadas , obviamente, uma funo do tamanho do sistema. Dessa
formia, por
exemplo, para os sistemas de 25 kW, considera-se que o volume de
produo
poder atingir at 2.000 unidades num cenrio de fabr icao
robotizado.
Entretanto na faixa de potncia de 100 M W , o volume de fabricao
vai apenas
at 20 unidades.
Na TAB. 3 est detalhado o nmero est imado de unidades a
serem
produzidas para diferentes capacidades dos sistemas de clulas a
combustvel,
segundo Mugerwa [MUG 93]. Na TAB. 3 est refletida a expectativa
de que o
mercado de gerao local (25 e 250 kW) ser pelo menos 50 M W por
ano durante
os estgios avanados de comercial izao, bem como a de que o
mercado
correspondente para os sistemas industriais ser de aprox
imadamente 2000 M W
ao ano [HOO 93].
TABELA 3 - Nmero de unidades produzidas
Capacidade (kW) PU PS PPV PGV PR
5 - 50 100 1.000 10.000
25 - 5 20 200 2.000
250 - 5 20 200 -
3.250 - 5 20 100
100.000 1 5 20 - -Notas: 1) Primeira unidade - PU 2) Primeiras
produes em srie - PS 3) Produo de pequeno volume - PPV 4) Produo de
grande volume - PGV 5) Produo robotizada - PR
-
Do ponto de vista de urna empresa de engenharia de projetos, os
sistemas
de clulas a combustvel podem ser considerados como plantas de
produo de
hidrognio (ou gs de sntese) integradas com sistemas de clulas a
combustvel
e de inversor de corrente eltrica, com equipamentos
suplementares que incluem,
entre outros, estao de tratamento de gua, unidades de gs inerte
e de ar
instrumental [MUG 03].
A estao de produo de hidrognio constituda por componentes
bem
conhecidos e uma tecnologia muito madura quanto confiabi l idade
e
segurana, devido sua util izao em larga escala nas refinarias e
na indstria
petroqumica. O empi lhamento (mdulo) de clulas a combustvel o
elemento do
sistema que mais precisa de desenvolv imento tcnico
atualmente.
Conseqentemente, os preos do empi lhamento de clulas a
combustvel so
muito dependentes da reduo de custo indicada pela curva de
aprendizado, fato
que ter grande impacto no preo total do sistema durante os
estgios iniciais de
comercial izao. A lm disso os diversos t ipos de clulas a
combustvel
encontram-se em diferentes etapas de pesquisa, desenvolv imento,
pr-produo
e produo, o que dificulta a comparao razovel de preos. Por isso
adotaram-
se os seguintes procedimentos para simplif icar o estudo [MUG
93]:
A) Os preos do empi lhamento de clulas a combustvel e do
inversor esto
baseados na literatura e em informaes dos fabricantes sobre
objetivos de preo
para diferentes sries e representam valores consensuais para
tais objetivos de
preos. Eles tendem a ser otimistas no que se refere aos preos
atuais e s
expectat ivas de curto prazo.
B) O restante dos sistemas foi custeado usando-se mtodos
comprovados e
largamente uti l izados em engenharia e que tem um razovel grau
de preciso,
com 30 % sobre base absoluta ou 5 % a 10 % sobre base relativa,
quando
comparando projetos diferentes de sistemas de gerao baseados em
clulas a
combustvel .
As est imativas de custos do empi lhamento de clulas a
combustvel para
os diferentes vo lumes de produo esto mostrados na TAB. 4. Nessa
tabela est
implcita a hiptese de que os fabricantes de clulas a combustvel
produziro
var iadas gamas de potncia. O custo do empi lhamento para clulas
em fase de
-
desenvolv imento geralmente mais alto que o indicado, mas
espera-se
considervel reduo desses valores com a produo em larga escala
[MUG 93].
TABELA 4 - Estimativas de custos do empi lhamento {US$ por
kW)
Tipo Capacidade
(kW)
PU PS PPV PGV PR
PEMFC 25 - 1.800 1.000 600 250
100 - 1.500 800 400 -
PAFC 25 - 1.000 500 350 200
250 - 750 350 250 -
SOFC 5 - 2.500 1.800 1.000 420
250 3.600 2800 1.700 900 -
MCFC 25 - 900 400 250 150
250 - 650 250 150 -
1.000 350 150 100
Fontes: [COL 03, COS 03, GRI 02, MUG 93, PEH 03, SIS 03]
Na TAB. 5 esto detalhadas as estimativas de custos dos sistemas
de
inverso de corrente para uso nos diferentes sistemas de clulas a
combustvel
segundo o nmero de unidades produzidas, onde se percebe que
podem ser
esperadas redues de custo signif icativas [MUG 93].
TABELA 5 - Estimativas de custos do inversor AC/DC (US$/kW)
Quant idade Capacidade (kW)
(unidades) 25 250 3.200 10.000
5 850 450 175 100
50 500 325 125 85
500 400 250 100
Fonte: [MUG 93]
Na TAB. 6 esto expostas estimativas do nmero de horas de
engenharia
gera lmente necessrias para o projeto, construo e partida dos
diferentes
s is temas baseados em clulas a combustvel , de acordo com a
potncia instalada
e a escala de produo [MUG 93].
-
34
TABELA 6 - Estimativas de horas de engenharia
Capacidade
(l
-
35
custos so apl icados a cada s istema em questo e geram tabelas
de custo desde
a primeira unidade at a produo robotizada, conforme o caso. Na
TAB. 7 esto
expostos os resultados correspondentes a um sistema de clulas
tipo PAFC. Este
tipo foi escoi lhido por ser o que tem maior penetrao comercial
na atual idade.
T A B E L A 7 - Detalhamento dos custos de uma unidade geradora
baseada
em PAFC de 250 kW em US$
PS PPV PGV
Material Constr. Material Constr. Material Constr.
Reformador 184.750 13.000 140.400 11.700 98.350 10.400
CC stack 187.500 13.000 87.500 11.700 62.500 10.400
Tubulao 52.500 75.000 42.000 54.190 31.500 31.500
Instrumentos 149.750 38.500 89.775 27.800 55.800 16.150
Inversor 112.500 7.875 81.250 5.690 62.500 4.375
Isolamento 40.000 44.500 36.000 32.150 30.000 18.700
eltrico
Engenharia - 227.500 - 32.150 - 5.200
Subtotal 727.000 419.375 476.925 175.730 340.650 96.725
Soma de 1.146.375 652.655 437.375
subtotals
Lucro e 114.640 32.635 8.750
comisses
TOTAL 1.261.015 685.290 446.125
Custo por k W 4.490 2.440 1.590
instalado
Fonte: [MUG 93] Nota: A categoria "Engenharia" corresponde ao
valor que as empresas de engenharia geralmente cobram para projetar
e instalar s istemas de gerao de energia eltrica do porte de que
trata esta seo.
Na TAB . 7 est indicado um exemplo dos clculos propostos por
Mugerwa
[MUG 93] para a estimativa dos custos de unidades geradoras
baseadas em
clulas a combustvel . Nessa tabela percebe-se que os custos de
instalao
decrescem acentuadamente com o aumento do volume de produo. No
modelo
-
36
de custos considerado, a TAB. 7 foi gerada com abstraes e
interpolaes de
est imativas de custos mais detalhadas dentro de cada categoria
indicada.
Na TAB. 8 esto mostrados os valores est imados dos custos finais
de
instalao para alguns dos sistemas indicados na TAB. 4 , conforme
o volume de
produo [MUG 93]. Os valores expostos na TAB. 8 foram est imados
pela
repetio dos clculos exempli f icados na TAB. 7. Na TAB. 8
pode-se perceber
que a potncia e o tipo de clula a combustvel determinam em
grande medida o
custo final do sistema. Na sistemtica de clculo proposta todos
os projetos foram
ot imizados e portanto tem diferentes vazes, presses,
temperaturas e processos
de controle [MUG 93].
TABELA 8 - Estimativas de custos de instalao de unidades
geradoras
baseadas em clulas a combustvel (US$ por kW)
Tipo Capacidade
(kW)
PU PS PPV PGV PR
PEMFC 25 14.108 8.720 5.330 3.100 1.815
100 16.554 10.900 4.590 2.370 -
PAFC 25 - 22.415 9.095 3.295 1.300
250 8.860 4.550 2.435 1.580 -
SOFC 5 - 32.390 15.840 6.780 2.505
250 18.380 8.860 3.720 1.900 -
MCFC 25 - 23.460 9.696 3.465 1.355
250 - 4.820 2.670 1.740 -
Fonte: [MUG 93]
importante notar que o empi lhamento de clulas a combustvel no
o
pnncipal componente de custo pois, e m vrios casos, seu
valor
aprox imadamente um tero do custo total (Vide TAB. 7). Os
principais
componentes de custo dos sistemas de gerao de energia eltrica
baseados em
clulas a combustvel so o reformador de combustvel , o inversor
de corrente e
os demais equipamentos para equilbrio e operao da unidade. Este
fato est
comprovado na literatura [MUG 93, PEH 03].
-
37
interessante notar que os custos dos sistemas de gerao baseados
em clulas
a combustvel so favorveis tambm aos aspectos ambientais. Isto ,
a
tecnologia das clulas a combustvel provoca descargas pequenas no
meio
ambiente e mantm a eficincia de converso energtica se comparada
s suas
tecnologias concorrentes.
-
^8
4 RESULTADOS E DISCUSSO
4.1 Estudo da matriz energtica brasileira
O Brasil um pas com grandes possibil idades energt icas.
Alguns
exemplos disso so: grande parte de toda a gua doce do mundo est
em
territrio brasileiro consti tuindo um importante potencial
hidrulico; h reservas de
petrleo, urnio, trio e gs natural; o cl ima favorece as energias
solar, el ica e a
produo de b iomassa. Entretanto necessrio medir e parametr izar
essas
possibi l idades para viabilizar o desenvolv imento sustentvel,
pois este impe
restries ambientais severas que podem afetar o uso de
determinados tipos de
energia.
Este captulo faz uma abordagem da matriz energtica brasileira
levando
em considerao as fontes primrias, o grau de dependncia externa e
as
reservas de diferentes energt icos. Inicialmente apresentada
uma
caracterizao dos diferentes energt icos e suas relaes dentro da
matriz. Em
seguida apresentada a matriz completa, onde se incluem as fontes
capazes de
produzir gs hidrognio para ser usado como combustvel em sistemas
de clulas
a combustvel .
4.1.1 Recursos energticos primrios no Brasil
Entende-se por fonte primria de energia, ou energtico primrio,
um
material em seu estado natural ou a lguma propriedade encontrada
na natureza
capaz de fornecer energia. A lgumas fontes primrias precisam
passar por
processos de t ransformao, como o petrleo que precisa ser ref
inado ou a
energia hidrulica cujo aprovei tamento requer a instalao de
turbinas em cursos
d'gua. Tambm h fontes pr imrias que podem ser usadas sem
qualquer
t ransformao, como o gs natural.
As fontes primrias podem ser divididas em renovveis ou no
renovveis.
As renovveis so aquelas que podem ser obtidas cont inuamente ao
longo do
tempo. Um exemplo so os produtos da cana de acar, que podem ser
sempre
-
39
produzidos, enquanto haja esse cultivo. Os energt icos no
renovveis so
aqueles cujo uso depende das reservas existentes. Um exemplo de
energt ico
no renovvel o petrleo.
4.1.1.1 Recursos energticos primrios no renovveis
i) Petrleo
O petrleo uma substncia oleosa, inf lamvel, menos densa que a
gua,
com cheiro caracterstico e de cor variando entre o negro e o
castanho escuro.
Embora objeto de muitas discusses no passado, hoje tem-se como
certa a sua
or igem orgnica [PET 03], sendo uma combinao de molculas de
carbono e
hidrognio. Admite-se que esta or igem esteja l igada decomposio
dos seres
que compem o plancton. Estes seres decompostos foram, ao longo
de milhes
de anos, acumulando-se no fundo dos mares e dos lagos, sendo
pressionados
pelos movimentos da crosta terrestre e t ransformaram-se na
substncia oleosa
que o petrleo.
A histria do petrleo no Brasil pode ser resumida da seguinte
forma: at
1938 as exploraes exist iam exclusivamente sob o regime da livre
iniciativa.
Neste perodo, a primeira sondagem profunda foi realizada entre
1892 e 1896, no
Municpio de Bofete, Estado de So Paulo, por Eugnio Ferreira
Camargo
[PET 03]. Em 1938 o Governo promoveu a nacional izao das
riquezas do nosso
subsolo e criou o Conselho Nacional do Petrleo. O Governo do
Presidente
Getl io Vargas estabeleceu o monopl io estatal e, a 3 de outubro
de 1953,
promulgou a Lei 2004, criando a Petrobrs.
A produo brasileira de petrleo foi de cerca de um milho e 300
mil barris
por dia no ano 2000 [APB 03]. Aprox imadamente 61 % desse total
so produzidos
por meio de plataformas mart imas fixas e f lutuantes. No mar, a
Petrobrs extrai
petrleo no litoral dos estados do Cear, Rio Grande do Norte,
Alagoas, Sergipe,
Bahia, Esprito Santo, Rio de Janeiro, So Paulo e Paran. Em
terra, os estados
produtores so Amazonas, Cear, Rio Grande do Norte, Alagoas,
Sergipe, Bahia
e Esprito Santo [APB 03]. A regio de maior produo de petrleo no
Brasil a
Bacia de Campos no litoral do Estado do Rio de Janeiro. Setenta
e oito por cento
da produo brasileira de petrleo extrada hoje de seus 38 campos
em
-
40
atividade de um total de 44 campos j descobertos, que somam
reservas totais de
cerca de 12 bi lhes de barris de petrleo [APB 03].
i) Gs natural
O gs natural um combust ivel fssil, encontrado e m rochas
porosas no
subsolo, podendo estar associado ou no ao petrleo. As maiores
reservas de
gs natural do mundo esto localizadas na Rssia, Arbia Saudita e
Estados
Unidos [AND 02].
Sua formao resulta de matrias orgnicas soterradas em grandes
profundidades devido ao processo de acomodao da crosta
terrestre.
composto por gases inorgnicos e hidrocarbonetos saturados,
predominando o
metano e, e m menores quant idades, o propano e o butano, entre
outros
[GNO 03]. No estado bruto, apresenta tambm baixos teores de
contaminantes,
como o nitrognio, o dixido de carbono, a gua e compostos de
enxofre. Existem
duas formas mais comuns de apresentao do gs natural, como
segue:
a) Gs Associado: aquele que, no reservatrio, est dissolvido no
leo ou
sob a forma de capa de gs, isto , uma camada de pequena
espessura de gs
natural sobre um reservatrio de petrleo. Neste caso, a produo de
gs
determinada diretamente pela produo de petrleo. Caso no haja
condies
econmicas para a extrao, o gs natural reinjetado na jaz ida ou
queimado, a
f im de evitar o acmulo de gases combustveis prximos aos poos de
petrleo.
b) Gs no Associado (Sigla GNA): aquele que, no reservatrio, est
livre
ou e m presena de quant idades muito pequenas de petrleo. Neste
caso, s se
justif ica comercia lmente produzir o gs e no o petrleo. As
maiores ocorrncias
de gs natural no mundo so de GNA [GNO 03].
A produo de gs natural semelhante do petrleo, tendo que ser
extrado de poos subterrneos. Com base nos mapas do reservatrio,
definida
a curva de produo, a infra-estrutura necessria para a extrao e
os processos
de purif icao dependendo do grau de contaminantes de cada jazida
[GNC 03].
At abril de 2003, as reservas comprovadas nacionais eram da
ordem de
219,8 bi lhes de metros cbicos, nas quais se destacavam os
Estados do Rio de
Janeiro, Rio Grande do Norte e Amazonas. A maior parte do gs
existente no pas
(80 %) estava associada a jazidas de petrleo, l imitando a
extrao do produto.
-
41
Alm disso, as reservas da Amaznia s podero ser uti l izadas aps
a construo
dos gasodutos Urucu-Porto Velho e Coar i -Manaus, ambos em
estudo pela
Petrobrs [GNR 03].
Para complementar a produo nacional, viabil izou-se a importao
da
Bolvia e Argent ina. Os gasodutos Bolvia-Brasil e
Uruguaiana-Porto Alegre
devero abastecer mais de 150 municpios brasileiros, atravessando
os estados
do Mato Grosso do Sul, So Paulo, Santa Catarina e Rio Grande do
Sul, a lm de
tambm beneficiar indiretamente Rio de Janeiro e Minas Gerais
[GNR 03].
Entretanto as reservas de gs natural descobertas em abril de
2003 na
Bacia de Santos no litoral do Estado de So Paulo ul t rapassam
os 400 bilhes de
metros cbicos [PAM 03]. Essa descoberta pode alterar
profundamente a histria
deste produto no Brasil e tem reflexos importantes da matriz
energtica total num
futuro prximo. Isto porque o acordo com a Bolvia prev a importao
de 30
milhes de metros cbicos por dia. Mas o gs descoberto em Santos
est a
apenas 130 qui lmetros do principal ent roncamento brasileiro,
que o mercado
paulista, de onde saem gasodutos para a Regio Sul, Rio de
Janeiro e Minas
Gerais.
Com essa descoberta, So Paulo torna-se a maior reserva de gs
natural
brasileira, enquanto o Rio de Janeiro mantm o posto de maior
produtor de
petrleo. As reservas de gs da Bacia de Campos, no litoral f
luminense, eram
pouco superiores a 100 bilhes de metros cbicos no f inal de
2002. Mas se trata
de gs associado ao petrleo, que depende diretamente da produo do
leo
para ser extrado. Isso impede que a vazo dos poos seja regulada
de acordo
com as necessidades do mercado [PAM 03].
iii) Carvo mineral
O carvo mineral - ou s implesmente carvo - um combustvel
fssil
slido formado a partir de matria orgnica de vegetais deposi
tados em bacias
sedimentares. Por ao de presso e temperatura em ambiente sem
contato com
o ar, em decorrncia de soterramento e de atividade orognica, os
restos vegetais
ao longo do tempo geolgico se sol idif icam, perdem oxignio e
hidrognio e se
enr iquecem em carbono, em um processo chamado de carbonf icao
[CAR 03].
Os diversos estgios de carbonf icao, da menor para a maior
concentrao de
-
42
carbono, so: turfa -> sapropelito -> linhito carvo
sub-betuminoso -> carvo
betuminoso -> antracito. O estgio mnimo para a util izao
industrial do carvo
o do linhito.
O carvo empregado no mundo todo em larga escala na gerao de
energa e na produo de ao. No uso como energtico o carvo admite,
a partir
do linhito, toda gama possvel de qual idade. Para tanto
necessrio adaptar os
equipamentos ao carvo disponvel. Entre os recursos energticos
no
renovveis, o carvo ocupa a primeira colocao em abundancia e
perspectiva de
vida til, sendo, em longo prazo, a mais importante reserva
energtica mundial ,
conforme mostrado na TAB. 9.
TABELA 9 - Comparao de reservas mundiais de energticos no
renovveis
Recurso Reservas mundiais Vida til
(IVItce) estimada (anos)
Carvo 726.000 219
Petrleo 202.000 41
Gs natural 186.000 65
Fonte: [CAR 03] Nota: Mtce = milhes de toneladas em carvo
equivalente
O Brasil pobre em carvo mineral. H ocorrncias de linhito e carvo
sub-
betuminoso em vrios estados brasileiros, mas elas no tem
relevncia
econmica. Apenas as camadas de carvo sub-betuminoso e betuminoso
do leste
da bacia do rio Paran, nas Regies Sul e Sudeste, so
significativas. A regio
sul do estado do Rio Grande do Sul concentra as maiores reservas
de carvo do
Brasil, com 5 1 % das reservas oficiais provadas e provveis. Mas
um carvo
energt ico pobre, que no admite benef ic iamento nem transporte,
tendo que ser
util izado no estado bruto e nas proximidades da mina.
As demais ocorrncias de carvo no Brasil so quase todas de
teor
energt ico de pobre a mdio, esto e m jazidas de camadas
carbonferas f inas e
irregulares, localizadas em sua maior parte no subsolo. Este
fato demanda altos
invest imentos em minerao, que no ser iam compensados pelo baixo
poder
energt ico do carvo obtido [CAR 03].
-
43
Histor icamente o governo brasileiro sempre subsidiou e
incentivou a
produo e uso do carvo nacional. Entretanto, a partir de 1990, a
abertura do
nosso mercado para o exterior e a l iberalizao da economia
brasileira levaram
ao f im do protecionismo estatal ao setor carbonfero. Em 1990
foi suspensa a
obrigatoriedade de as siderrgicas brasileiras comprarem uma
parte do carvo de
coque (nome dado ao carvo usado para produo de ao) de Santa
Catarina.
Aps um breve perodo de transio, esse t ipo de carvo deixou de
ser produzido
no pas. Hoje h uma produo muito pequena de carvo de coque para
fundio.
Quanto ao carvo energtico, o governo brasileiro incentivou sua
produo
at meados da dcada de 1980, ainda inf luenciado pela crise
mundial do petrleo.
Mas a partir da dcada de 1990 o setor carbonfero foi totalmente
l iberado, o que
exps sua falta de competit ividade frente ao carvo importado.
Como resultado, a
produo brasileira de carvo energt ico estabi l izou-se no
patamar de consumo
do parque termeltr ico j instalado e de indstrias petroqumicas e
de celulose
prximas s minas [CAR 03].
A nova alta nos preos do petrleo e do gs natural nos ltimos anos
criou
uma perspectiva favorvel ao mercado carbonfero internacional e
tambm, em
menor escala, ao brasileiro. Apesar de a presso ambiental ista
contra o carvo
ser cada vez mais intensa, este energt ico mantm-se inabalvel no
cenrio
mundia l . A resistncia do carvo se deve, em parte, ao grande
progresso na
tecnologia de preveno e recuperao de danos ambientais em sua
minerao e
queima e, e m parte, dif iculdade tecnolgica de os recursos
limpos aumentarem
sua part icipao na matriz energtica mundia l .
iv) Urnio
O elemento qumico Urnio encontra-se na natureza em rochas da
crosta
terrestre sob a forma de minrio de urnio. O minrio de urnio
uma
concentrao natural de mineral ou minerais na qual o urnio ocorre
em
propores e condies tais que permitam sua explorao econmica. A
principal
apl icao comercial do urnio a gerao de energia eltrica, na qual
idade de
combustvel para reatores nucleares de potncia. tambm utilizado
na produo
de material radioativo para uso na medicina e na
agricultura.
-
44
Entretanto os minrios de urnio no podem ser util izados
diretamente
como combustvel nos reatores nucleares. Eles precisam ser t
ransformados no
chamado Ciclo do Combustvel Nuclear, cujas etapas so:
minerao
converso -> enr iquecimento reconverso produo de pasti
lhas
fabr icao de elementos combustveis. O produto final um composto
de urnio
capaz de ativar os reatores de potncia em usinas de gerao de
energa eltrica.
Todas as etapas do Ciclo do Combustvel Nuclear foram
desenvolvidas no
Brasil em escala laboratorial. Em julho de 2000, foi feito um
acordo para
processar no Pas o enr iquecimento industrial de urnio a mdio
prazo [CCN 03].
Em 2004 iniciam-se os primeiros testes de enr iquecimento
industrial de urnio no
Brasi l .
Na etapa de minerao, o minrio de urnio retirado da mina e passa
por
processos de extrao. O produto obtido nesta etapa um concentrado
de
diuranato de amnia, que um composto de cor amarela, conhecido
como
"yel lowcake" [MUR 03]. Neste estudo, o concentrado de U3O8 ser
considerado
como a fonte primria de urnio, devido grande var iedade na
composio dos
minrios de urnio e tambm por ser este o material enviado ao
exterior para fins
de exportao ou de enr iquecimento.
O Brasil possui uma das maiores reservas mundiais de urnio, o
que
permite o suprimento das necessidades domst icas em longo prazo
e a oferta do
excedente para o mercado externo [BEN 03]. Em junho de 2001 o
Pas registrou a
sexta maior reserva geolgica de urnio do mundo, contando com
cerca de
309.000 t de urnio nos Estados da Bahia, Cear, Paran e Minas
Gerais, entre
outras ocorrncias [RUB 03]. O Pas possui tambm ocorrncias
uranferas
associadas a outros minerais, como aqueles encontrados nos
depsitos de
Pit inga no Estado do Amazonas e rea de Carajs, no Estado do
Par, com um
potencial adicional est imado de 150.000 t. Entretanto os
estudos de prospeco e
pesquisas geolgicas foram realizadas em apenas 25 % do territrio
nacional, o
que coloca o Brasil numa posio vantajosa na produo de
concentrado de U3O8
[RUB 03].
-
45
4.1.1.2 Recursos energticos primrios renovveis
i) Energia hidrulica
Esta fonte primria de energia eltrica baseia-se na construo
de
barragens ou desvios de cursos d'gua, provocando (ou aumentando)
a diferena
de altura no curso natural da gua dos rios. A diferena de
energia potencial
destes desnveis pode ser convert ida e m energia eltrica. A o
descer a altura
causada pela barragem, a gua aciona turbinas acopladas a
geradores de
energia eltr ica. A barragem gera um lago artificial que
funciona como um
"resen/atrio" de energia.
A distr ibuio de gua no mundo est na proporo de 97,5 % de
gua
salgada e 2,5 % de gua doce. Da gua doce, 76,7 % esto em
geleiras, 22,1 %
e m lenis subterrneos e apenas 1,2 % na superfcie. A energia
hidrulica no
mundo representa apenas 2,3 % do total [AND 02].
O Brasil possui quase 20 % da gua doce do planeta e 11,1 %
da
produo hidreltr ica do mundo, com tendncia de ser o maior
produtor nos
prximos 10 anos, caso mantenha o crescimento anual de 4,41 %,
superior ao
dos Estados Unidos e Canad, maiores produtores atuais. O
potencial hidrulico
brasileiro de 260 GW, mas apenas 24 % so aproveitados. Dos 76 %
no
aproveitados, 52 % correspondem regio amaznica [TID 03].
O baixo aprovei tamento do potencial hidrulico brasileiro (24 %)
faz pensar
em aumentar os investimentos nessa rea. Mas a energia hidrulica
supre 79 %
do consumo nacional de eletr icidade [CAP 03], sugerindo uma
maior
diversif icao da matriz energtica por questes estratgicas.
Entretanto essa
diversif icao no dever diminuir signif icativamente a importncia
da
hidreletr icidade no Brasil em mdio prazo.
Um dado relevante sobre nossas hidreltricas o vert imento. Vert
imento
a denominao dada parte da gua do reservatrio que no usada
para
gerao de energia eltrica [RAM 03]. Essa parte da gua desviada
das
turbinas da usina hidreltrica e passa diretamente pelas
comportas rio abaixo. H
vrias causas para o vert imento, mas as mais importantes so a
gerao fora do
horrio de pico e a quant idade de gua af luente ao reservatrio
da usina.
-
46
Fora do horrio de pico a gerao tem que ser menor, pois no
possvel
armazenar energia eltrica. Caso a gua no util izada nesse horrio
faa o nvel
do reservatrio aproximar-se do nvel mximo de segurana da
barragem, o
vert imento obrigatrio. Analogamente, mesmo em horrio de pico,
caso a gua
af luente ao reservatrio da usina tenha um volume tal que
aproxime o nvel do
resen/atrio do nvel mx imo de segurana da barragem, outra vez o
vert imento
obrigatrio. Essas e outras razes f izeram com que houvesse vert
imento da
ordem de 95 % do tempo em quase todas as hidroeltricas
brasileiras no ano de
2003 [RAM 03].
O vert imento pode ser aproveitado para a gerao de eletricidade
adicional
com o f im especf ico de gerao de hidrognio por eletrlise, sem
prejudicar a
operao regular da usina e a custo muito baixo. Um exemplo de
vert imento est
mostrado na TAB . 10.
TABELA 10 - Exemplo de vert imento
SUL SUDESTE/C. OESTE
Perodo ENA ENA ENA ENA MLT MLT
(2003) TOTAL Controlada TOTAL Controlada (2003) (%) (%)
(MWmed) (%)
(%) (MWmed) (%)
(%)
24/05 a 30/05 2.303 40 39 21.707 82 81
31/05 a 06/06 3.570 53 53 20.738 89 89
31/05 a 06/06 3.186 47 - 20.527 89 -
07/06 a 13/06 3.674 53 _ 19.368 86 _
Notas: ENA TOTAL: ENA Controlada: MLT: Fonte: Operador
Energia Natural Af luente Total ; ENA excluda a Energia Vert
ida; Percentual da ENA Mdia de Longo Termo
Nacional do Sistema Eltrico (ONS), 2003.
Na TAB. 10 so mostrados vrios valores das afluncias na Regio
Sudeste-Centro Oeste do Operador Nacional do Sistema Eltrico
(ONS) na
semana de 31/05/2003 at 06/06/2003. V-se que 89 % da afluncia
foram
aproveitadas para gerao eltrica, isto , 11 % foram vert idas
[SIH 03]. Dado que
a af luncia total naquela semana foi de 20.738 MW, tem-se que o
vert imento
-
47
correspondeu a 2.281 MW em mdia durante aquela semana. Esta
energia seria
suficiente para produzir 4,845 10^ kmol de H2 por eletrlise da
gua.
Os dados apresentados na TAB. 10 no incluem a usina hidreltrica
de
Itaip, pois o ONS d tratamento di ferenciado a essa usina por
sua condio
exclusiva de no pertencer 100 % ao Brasil, como as demais usinas
[SIH 03]. Os
dados da TAB. 10 correspondem Regio Sudeste-Centro Oeste do ONS,
a qual
abrange as usinas hidreltricas expostas na TAB. 1 1 . Pela TAB.
11 pode-se
perceber a grande densidade do aprovei tamento do potencial
hidreltrico na
Regio Sudeste do Brasil.
TABELA 11 - Usinas hidreltricas da Regio Sudeste-Centro Oeste do
ONS
Bacias dos rios Usinas hidreltricas
Grande Furnas
M. Moraes
Mar imbondo
gua Vermelha
Paranaba Emborcao
Nova Ponte
Itumbiara
So Simo
Paran Ilha Solteira
Jup
Tiet Barra Bonita
Promisso
Trs Irmos
Paranapanema Jurumir im
Chavantes
Capivara
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48
ii) Lenha
A lenha provavelmente o energtico mais antigo usado pelo homem
e
continua tendo grande importncia na IVIatriz Energtica
Brasileira, participando
com cerca de 10 % da produo de energia primria. A lenha pode ser
de origem
nativa ou de ref lorestamento. Ela tem recebido a denominao de
"energia dos
pobres" por ser parte significativa da base energt ica dos pases
em
desenvolvimento, chegando a representar at 95 % da fonte de
energia em vrios
pases. Nos pases industrial izados, a contr ibuio da lenha chega
a um mximo
de 4 % [LNB 03]. A combusto ou queima direta a forma mais
tradicional de uso
da energia da lenha, porm, a gaseif icao e a pirlise so
processos
termoqumicos que recebem especial ateno [LNB 03].
Cerca de 40 % da lenha produzida no Brasil t ransformada em
carvo
vegetal pelo processo conhecido por carbonizao. O setor
residencial vem em
segundo lugar no consumo de lenha com 29 %. Geralmente ela
destinada a
coco dos al imentos nas regies rurais. O setor industrial vem em
seguida com
cerca de 23 % do consumo. As principais industrias consumidoras
de lenha no
pas so al imentos e bebidas, cermicas e papel e celulose [LNB
03].
A mata nativa sempre foi uma fonte de lenha que parecia
inesgotvel
devido quant idade gerada na ampl iao da fronteira agrcola. A
forma
devastadora com que ela foi explorada deixou o pas em situao
crtica, em
vrias regies onde exist iam abundantes coberturas f lorestais,
no tocante
degradao do solo, alterao no regime de chuvas e conseqente
desertif icao.
A substituio da lenha de mata nativa por lenha de
reflorestamento vem
crescendo a cada ano, sendo o eucalipto a principal rvore
cultivada para este
f im. um vegetal de or igem austral iana e apresenta mais de 600
espcies, sendo
que muitas delas foram desenvolvidas e adaptadas no Brasil, onde
encontrou
condies propcias para o seu rpido crescimento [LNB 03].
Na produo de lenha para fins comerciais, uma parte da rvore
(troncos e
galhos finos) rejeitada constituindo os resduos f lorestais. A
lm disso, as
indstrias que usam a madeira para fins no energt icos, como as
serrarias e as
indstrias de mveis, produzem resduos industriais como pontas de
toras,
costaneiras e serragem em diferentes tamanhos de partculas e
densidade, que
podem ter aprovei tamentos energticos.
-
49
iii) Produtos da cana-de-acar
Histor icamente a cana de acar um dos principais produtos
agrcolas do
Brasil, sendo cult ivada desde a poca da colonizao. Do seu
processo de
industrial izao obtm-se como produtos primrios o caldo de cana,
melao,
bagao, pontas e folhas, e como produtos secundrios o vinhoto, o
lcool anidro e
o lcool hidratado.
Devido grandeza dos nmeros do setor sucroalcooleiro no Brasil,
no se
pode tratar a cana-de-acar, apenas como mais um produto, mas sim
como o
principal t ipo de biomassa energtica, base para todo o
agronegcio
sucroalcooleiro, representado por 350 indstrias de acar e lcool
e um milho
empregos diretos e indiretos em todo o Brasil [CAB 03].
O Programa Brasileiro do lcool Combustvel tem mais de 20
anos,
durante os quais o Brasil conquistou uma tecnologia, nica no
mundo, para a
uti l izao em larga escala de um combustvel renovvel que
independe do
mercado internacional do petrleo. Hoje, o Brasil d ispe de um
"combustvel
verde", renovvel e neutro em relao ao efeito estufa, que reduz
em 50 % a
emisso de monxido de carbono dos motores de veculos e que
promoveu a
subst i tuio total do chumbo tetraeti la, que era misturado
gasolina [ACC 03]. O
programa nasceu em 1975 como soluo original brasileira para
enfrentar a
primeira crise do petrleo, ocorrida dois anos antes. As
conseqncias haviam
sido especia lmente graves para o pas, que quela poca
importava
aprox imadamente 80 % do petrleo consumido.
O lcool de cana-de-acar logo se imps como alternativa ideal
gasol ina. Para viabil iz-la, o governo lanou uma gigantesca
operao de
f inanciamento, contando tambm com apoio do Banco Mundial , o
que possibil itou
o aumento das reas plantadas com cana-de-acar, a construo de
novas
usinas e o desenvolv imento de indstrias de caldeiraria, alm da
ampl iao das j
existentes. Uma vez disponvel, o etanol foi aproveitado de duas
formas. De
incio, cuidou-se, sobretudo de mistur-lo gasolina sob forma de
lcool anidro.
Ao mesmo tempo as montadoras de automveis instaladas no Brasil
passaram a
desenvolver motores que funcionassem exclusivamente com
etanol.
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50
O programa cont inuou e m ascenso at que, em 1984, os carros
a
lcool consti tuam 94,4 % da produo das montadoras [ACC 03].
O
consumidor acostumara-se a encontrar o lcool a um preo muito
inferior ao
da gasol ina - at 40 % em alguns casos, sempre devido a
subsidios do
Governo Federal. Mas com a posterior queda acentuada dos
preos
internacionais do petrleo, o governo j no conseguia sustentar
esse
diferencial, que foi se estreitando com o tempo at se reduzir
pela metade. O
ano de 1985 marcou o f im de uma etapa. Depois disso, a part
icipao dos
carros a lcool na produo anual foi gradualmente reduzida: 88,4 %
em 1988,
61 % em 1989, 19,9 % em 1990 e apenas 0,3 %, em 1996 [ACC
03].
No incio da dcada de 1990 a indstria automobil st ica brasileira
estava
estacionada em 700 mil veculos por ano, depois de j ter ul
trapassado a marca
de 1,1 milho de unidades na dcada anterior. Esse fato levou o
governo a
diminuir os impostos dos carros populares, como forma de
estimular a produo
da indstria automobil st ica. Essa operao de expanso da
produo
automobilst ica foi um grande xito, pois os carros populares
somaram 50 % dos
1,4 milho de automveis vendidos em 1994.
Mas, por razes tcnicas, s foram produzidos carros populares
movidos a
gasol ina. Como exigncia bsica para pertencer categoria "carro
popular", o
tamanho dos motores deveria ser reduzido para o limite de um
litro. Essa
reduo, que j no simples nos motores a gasol ina, seria ainda
mais
problemtica numa eventual verso a lcool. Ass im, a partir de
1994, a frota
nacional passou a ter uma quant idade cada vez maior de
automveis movidos a
gasol ina.
Um fator importante remanescente dessa poca que, desde 1991
existe
uma lei federal que obriga a adio de 22 % de lcool anidro
gasolina [ACC 03].
Atua lmente essa porcentagem sofre as presses do setor
sucro-alcooleiro e
regulamentada pela Agncia Nacional do Petrleo (ANP) por meio da
Portaria
A N P n 309/01 de 27.12.2001 [AEC 03]. Isto mantm o interesse na
produo de
etanol e ajuda a diminuir as emisses de gases de efeito estufa.
Atualmente este
ndice de 25 % [PRE 04].
Desde 1975 at hoje a produo de etanol no Brasil passou de
500
milhes para 12 bi lhes de litros por ano e pode alcanar 16
bilhes de litros
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51
anuais sem aumento da capacidade instalada [ACC 03]. Portanto no
h risco de
desabastec imento e o programa do lcool volta a ter novos
impulsos.
Durante as duas lt imas dcadas as tcnicas de cultivo de cana de
acar
foram melhoradas. Atualmente, alguns pesquisadores paulistas
concentram
esforos no campo da biologia molecular, com o objetivo de
acelerar o processo
de seleo de variedades de cana-de-acar mais eficientes [ACC 03].
O
Programa Pr lcool tambm promoveu o desenvolv imento tcnico da
produo
de lcool e acar,
