PESQUISA INOVATIVA EM PEQUENAS EMPRESAS (PIPE)

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Eletricidade do hidrogênio

Pequena empresa produz célula a combustível para suprir equipamentos eletrônicos domésticos

MARCOS DE OLIVEIRA | ED. 103 | SETEMBRO 2004

 

Energia elétrica para manter uma casa de classe média com televisão, computador, geladeira, microondas e um pequeno aparelho de ar-condicionado, além de outros equipamentos eletrônicos, de som até secador de cabelo, e lâmpadas para todos os cômodos. Essa é a função da mais nova célula a combustível produzida pela empresa UniTech, sediada na cidade de Cajobi, a 450 quilômetros da capital paulista.

O equipamento produz energia a partir do hidrogênio e possui a capacidade de gerar 5 quilowatts (kW) de potência máxima em eletricidade. É o primeiro modelo da empresa adaptado para uso comercial, que deverá servir de base para uma produção em escala. Antes, a UniTech havia produzido vários protótipos com menos capacidade e colaborado numa célula de 1,5 kW produzida pela Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig) (veja Pesquisa FAPESP nº 70).

A nova célula é um gerador estacionário de energia elétrica montada dentro de um rack que mede 1 metro e 30 centímetros (cm) de comprimento por 84 cm de largura e 1,10 metro de altura. O coração do equipamento, que é a própria célula, mede 47 cm de comprimento por 30 cm de largura e 30 cm de altura. Ela será destinada a uma empresa da área de energia que financiou o equipamento. O nome da empresa ainda não pode ser divulgado devido a um acordo de confidencialidade. A célula está preparada para utilizar o hidrogênio obtido da reforma do gás natural ou do etanol.

Para isso, a empresa que vai operar a célula já comprou um reformador, aparelho que quebra as moléculas do gás natural (possui moléculas com um átomo de carbono e quatro de hidrogênio, CH4 ), separando o hidrogênio e liberando o carbono que se liga com o oxigênio atmosférico e se transforma em dióxido de carbono (CO2 ). “A quantidade desse gás poluente emitida pela célula é muito inferior aos padrões estabelecidos para motores a combustão, por exemplo”, diz o químico Antônio César Ferreira, dono e idealizador da UniTech.

A célula atinge zero de poluição quando é alimentada apenas com hidrogênio. Esse gás também pode ser extraído da gasolina, do metanol e do etanol, o álcool usado nos automóveis no Brasil. Pesquisas realizadas em todo o mundo testam protótipos de reformadores para esse tipo de combustível, inclusive no Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). O hidrogênio também pode ser obtido da eletrólise da água, quando por descarga elétrica são separados o hidrogênio e o oxigênio.

Mas esse processo ainda é considerado muito caro por exigir o gasto com energia elétrica.Além da total ausência ou de diminutas frações de poluentes, as células fazem também um trabalho silencioso, ao contrário dos geradores que funcionam com diesel ou gasolina, ou ainda as termoelétricas, todos excessivamente barulhentos. Silenciosas e não-poluentes, as células a combustível poderão ser implementadas em vários ambientes que necessitem de energia elétrica.

“No início, principalmente em hospitais e shopping centers, elas devem ser utilizadas para aliviar a carga da rede. Quando a produção atingir larga escala e os custos baixarem, as células poderão substituir qualquer gerador de produção de energia elétrica”, diz Antônio César.

As células a combustível fornecem uma energia limpa que não tem flutuação, portanto ideal para manter computadores e equipamentos eletrônicos, inclusive centros cirúrgicos, eliminando estabilizadores de voltagem e no breaks. “Os Estados Unidos recentemente instalaram cinco células a combustível de 200 kW para manter um sistema de segurança de cartão de crédito, justamente porque ele proporciona um maior grau de confiabilidade com menor queda de energia.”

Mesmo em áreas distantes dos grandes centros urbanos, a célula a combustível mostra-se uma alternativa confiável e importante. “As populações isoladas das regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste do Brasil que hoje utilizam geradores movidos a diesel (combustível transportado por caminhões e até barcos) poderiam estocar e fazer funcionar as células com hidrogênio extraído da água por meio da eletrólise produzida com energia solar.

“Uma área de 100 metros quadrados (m2) produziria hidrogênio suficiente para uma casa porque é possível estocar hidrogênio em cilindros e usá-lo à noite ou quando não houver captação de energia solar suficiente, em dias nublados ou no inverno. Isso evitaria o custoso e difícil processo de armazenar energia elétrica obtida da energia solar ou eólica, tradicionalmente feito com uso de baterias.” O custo do quilowatt hora (kWh) de energia elétrica produzida com o sistema energia solar, eletrólise e célula a combustível deve ficar em torno de R$ 0,41. Esse sistema completo de geração de energia elétrica também está sendo desenvolvido pela UniTech.

É claro que o preço de uma célula a combustível ainda é superior se comparado com os tradicionais geradores de energia. Antônio César calcula que o preço de uma célula tipicamente residencial com 5 kW custe cerca de US$ 4,5 mil (quase R$ 13.500,00). Para o consumidor, com células saindo de uma linha de produção, o kW instalado custaria entre US$ 1 mil e US$ 1,5 mil, mesmo custo da instalação de uma termoelétrica. Espera-se que o preço baixe quando as poucas empresas produtoras desse tipo de equipamento no mundo atingirem grandes escalas de produção. “Na operação da célula, a opção mais barata é o gás natural, que custa, no mínimo, R$ 0,76 o metro cúbico (1 m3), porção suficiente para produzir 4 m3 de hidrogênio e, conseqüentemente, 4 kWh de energia elétrica. Dessa forma, o kWh da energia seria de R$ 0,19.” Esse valor aumentaria para R$ 0,65 caso o consumo subisse para mais de 40 m3 por mês. Como comparação, o preço do kWh da energia elétrica fornecida pelas empresas energéticas em São Paulo, para residências, é de R$ 0,30. Atualmente,  a opção de comprar hidrogênio é mais cara porque o m3 desse gás custa cerca de R$ 0,60, preço que varia conforme o volume utilizado.

Outro fator que conta a favor da célula é o fornecimento de água quente. Como esse equipamento funciona em temperaturas ao redor de 70ºC , é preciso utilizar água para resfriá-lo. Desse processo sobra, então, a água quente, que pode ser usada em chuveiros e torneiras, eliminando o consumo de energia elétrica com esses aparelhos. “O uso da água para gerar calor eleva o rendimento energético da célula para 70 a 80%. Sem o uso da água cai para um nível entre 45 e 55%”, diz Antônio César. Esse rendimento é o resultado da transformação eletroquímica do hidrogênio em energia elétrica, e as perdas em geração de calor. Como comparação, o aproveitamento da gasolina em um motor de automóvel, por exemplo, é de 21%. Com diesel, sobe para 30,35%. O restante é perdido.

Embora com tantos atributos, as células a combustível ainda estão num processo de evolução e testes pelo mundo. Um dos resultados estabelecidos é a manutenção periódica da célula, que deve ter seus eletrodos trocados a cada oito anos. Isso para o caso do tipo da célula produzida pela UniTech, chamada de membrana de troca de prótons, conhecida pela sigla em inglês como PEM, em que a membrana é um polímero conhecido também como polímero condutor de prótons (politetrafluoretileno sufonado). A PEM está dentro de um sanduíche cercada por catalisadores e eletrodos de grafite com pólos positivo e negativo, como uma bateria usada nos automóveis, que funcionam como placas separadoras conduzindo os elétrons para fora das placas, gerando energia elétrica. Os prótons de hidrogênio, por sua vez, que são produzidos em um dos eletrodos (ânodos) atravessam a membrana e se juntam com o oxigênio atmosférico no outro eletrodo (cátodo), formando água.

Produção em série
Os eletrodos e os catalisadores são os principais componentes a ser fabricados por uma empresa que se destina à produção de células a combustível. A membrana já é encontrada no mercado para compra como um insumo. Por isso a fabricação dos eletrodos em forma automatizada e em escala é agora um dos objetivos da UniTech. “Já temos a tecnologia de componentes e de montagem, agora falta automatizar a fábrica”, diz o empresário. A idéia inicial é produzir pelo menos mil unidades de 5 kW por ano.

Antônio César, por enquanto, trabalha com mais dois engenheiros e três técnicos. Ele começou em 1998 por meio de um projeto do Programa Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (PIPE) depois de ter passado nove anos nos Estados Unidos trabalhando como pesquisador na Universidade do Texas e em empresas que executavam projetos para a Agência Espacial dos Estados Unidos e para o Exército norte-americano. “Voltei definitivamente para o Brasil e para a minha cidade natal porque obtive a bolsa e o projeto da FAPESP”, conta Antônio César. “Eu tinha convites para continuar trabalhando lá, mas preferi vir para o Brasil. Se não fosse o PIPE, eu não teria voltado.” Posteriormente, a UniTech também recebeu financiamento de R$ 400 mil para a produção dos moldes das placas separadoras do Fundo Setorial de Energia (CT-Energ), administrado pela Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT).

O projeto
Materiais avançados para fabricação de separadores bipolares para células a combustível de polímero condutor iônico (nº 97/07401-6); Modalidade Programa Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (PIPE); Coordenador Antônio César Ferreira – UniTech; Investimento R$ 197.184,64 e US$ 77.482,00


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