PESQUISA INOVATIVA EM PEQUENAS EMPRESAS (PIPE)

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Reforma energética

As alternativas para suprir de hidrogênio os futuros veículos e os geradores de energia elétrica

MARCOS DE OLIVEIRA | ED. 126 | AGOSTO 2006

 

Uma grande mudança energética está programada para ser iniciada na próxima década, quando o hidrogênio deverá se tornar um importante combustível para gerar energia elétrica e movimentar veículos, substituindo, aos poucos, o diesel e a gasolina, por exemplo. A preparação desse novo cenário envolve vários institutos de pesquisa, todas as montadoras da indústria automobilística, as empresas petrolíferas e energéticas de todo o planeta. Motivos para o uso do hidrogênio não faltam: os preços do barril de petróleo atingiram a marca de US$ 78 em julho, enquanto não passaram de US$ 40 no ano 2000, e a necessidade de diminuição da poluição atmosférica. O uso desse gás formado por dois átomos (H2) ajuda a diminuir a presença de outro gás, o carbônico (CO2), produzido pela queima dos combustíveis oriundos do petróleo, também chamado de dióxido de carbono, o principal causador do efeito estufa, fenômeno que pode aumentar a temperatura planetária e promover diversos problemas ambientais e de saúde pública.

Com o avanço das células a combustível, que, de forma semelhante a uma bateria, produzem energia elétrica a partir do hidrogênio e podem ser instaladas num automóvel ou num gerador estacionário, essa nova opção energética ganha terreno em centenas de projetos tecnológicos. No Brasil, uma das linhas de pesquisa visa desenvolver um equipamento, chamado reformador, para aproveitar a produção do etanol (CH3CH2OH) da cana-de-açúcar, o álcool encontrado nos postos de combustível. Do etanol é possível extrair o hidrogênio, que não é encontrado na natureza de forma isolada, em grandes quantidades, embora seja o elemento mais presente no Universo, das estrelas à água (H2O). O aparelho supre a dificuldade de obtenção de hidrogênio. O primeiro grupo de pesquisa a finalizar um reformador está no Laboratório de Hidrogênio (LH2) do Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), ligado ao Centro Nacional de Referência em Energia do Hidrogênio (Ceneh).

Os reformadores desenvolvidos pelo LH2, também existentes em versões que extraem hidrogênio do gás natural (CH4), começam a ser instalados em comunidades isoladas na Amazônia, em Mato Grosso, no Hospital das Clínicas da Unicamp e em experimentos com empresas produtoras de energia elétrica como a Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL). Os objetivos são diferentes, mas a intenção final é avaliar o custo-benefício do novo sistema. “Com a CPFL-Piratininga nós trabalharemos na integração de um reformador com uma célula a combustível produzida por um fabricante brasileiro, a UniTech, empresa da cidade paulista de Cajobi (veja Pesquisa FAPESP n° 70 e 103), com 2 quilowatts (kW) de potência a ser instalada em uma residência ainda não definida”, conta o professor Ennio Peres da Silva, coordenador do LH2 e secretário executivo do Ceneh. Nesse caso, o reformador será de gás natural igual a outro que será instalado na comunidade de Arixi, na cidade de Anamã, no estado do Amazonas.

A comunidade de 600 habitantes possui energia elétrica produzida por um gerador a diesel, combustível que chega ao município via barco pelo rio Amazonas. O gás natural, que vai fornecer hidrogênio para uma célula a combustível importada, virá de uma conexão com o gasoduto da Petrobras que passa perto dali. O projeto faz parte do Programa Produção de Energia Alternativa a partir de Células a Combustível e Gás Natural do Estado do Amazonas (Celcomb) e é financiado pelo Ministério de Minas e Energia e pelo Fundo Setorial de Energia (CT-Energ), no valor de R$ 500 mil, e tem coordenação do professor Carlos Alberto Figueiredo, da Faculdade de Tecnologia da Universidade Federal do Amazonas.

Em Mato Grosso, num projeto com a empresa Centrais Elétricas do Norte do Brasil (Eletronorte) e a Universidade Federal de Mato Grosso, o LH2 vai instalar, no início de 2007, um reformador de etanol e uma célula a combustível em uma comunidade próxima a Cuiabá. A empreitada terá álcool fornecido pelo Sindicato das Indústrias Sucroalcooleiras do Estado de Mato Grosso (Sindialcool). Em outro projeto com a CPFL, o LH2 vai instalar uma célula a combustível no hospital da Unicamp para testes comparativos com outros sistemas de geração de energia elétrica baseados em gás natural (microturbinas e painéis fotovoltaicos abastecidos por energia solar). “Nesses três projetos estamos importando as células porque as empresas que produzem esses equipamentos no Brasil ainda estão em fase de protótipo e com preços mais altos que os importados.” Além da Unitech, no país existem a Electrocell (veja Pesquisa Fapesp n° 92 e 104), de São Paulo, e a NovoCell, na cidade de Americana. Peres já havia comprado uma célula importada para equipar a van Vega II finalizada em 2004, montada sobre o chassi de uma Kombi, e alimentar 20 baterias, suficientes para acionar o motor elétrico do veículo.

Se os pesquisadores estão importando células, pelo menos por enquanto, quando as empresas nacionais se preparam para fornecer, num futuro próximo, geradores de energia elétrica a hidrogênio para residências e indústrias, o caminho inverso também está sendo realizado no caso dos reformadores. “Um reformador de etanol foi vendido para o Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (Inta) do Ministério da Defesa da Espanha, que também pesquisa esse mesmo assunto”, conta Peres. Para tornar o protótipo do reformador, que teve financiamento de um projeto temático da FAPESP, viável comercialmente e fornecer o equipamento para os projetos do LH2 foi criada a empresa Hytron, com alunos vinculados ao laboratório. “A empresa tem o objetivo de dar uma roupagem de produto ao reformador, além de dar garantias e oferecer assistência técnica”, diz Peres. O produto, que segue para a Espanha no final do ano, custou R$ 150 mil aos espanhóis. “Na Hytron são 12 pessoas, sendo três doutores, seis mestres e quatro mestrandos, que também prestam consultoria na área energética”, diz Paulo Fabrício Palhavan Ferreira, um dos sócios da Hytron, empresa instalada na incubadora de empresas da Companhia de Desenvolvimento do Pólo de Alta Tecnologia de Campinas (Ciatec).

Custo da eletricidade
A Hytron, que recebe financiamento do Programa Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (Pipe), também está desenvolvendo projetos de eletrolisadores, equipamentos para produção de hidrogênio a partir da água. Chamado de eletrólise, esse processo é a maneira mais fácil de produzir hidrogênio, quebrando, por meio de uma corrente elétrica, as moléculas da água. O problema é o custo alto desse procedimento, que usa energia elétrica para produzir a eletrólise, resultando na mesma energia elétrica na outra ponta do sistema.

Os reformadores, ao contrário, não gastam energia elétrica para funcionar. Eles são formados por reatores em que a reação química do combustível (etanol, gás natural, gasolina etc.) com o ar libera calor e ativa a reforma. Também no reator o mesmo combustível reage com a água para produzir hidrogênio. Sai uma mistura de gases que precisam ser purificados e separados. Esses equipamentos devem ter uma função importante na futura economia do hidrogênio. “A idéia é que eles sejam instalados nos postos, transformando qualquer tipo de combustível fóssil (gasolina, diesel, gás natural) ou de biocombustíveis (etanol, biodiesel) em hidrogênio para abastecer os veículos”, explica o professor Peres. Ele se baseia no fato de que as células a combustível certamente deverão equipar os carros no lugar dos motores a combustão atuais.

A japonesa Honda, por exemplo, lançou o FCX (FC de Fuel Cell, o nome da célula a combustível em inglês) no Japão e nos Estados Unidos e o disponibilizou por meio de aluguel para prefeituras e até para ser o carro de uma família (marido, esposa e duas filhas), em 2005, na cidade de Los Angeles, no estado da Califórnia, onde existe um posto para reabastecimento de hidrogênio da montadora, além de outros já instalados ou em instalação. Por enquanto é um carro de demonstração, como o Classe A, da Mercedes-Benz, produzido na Alemanha, que já possui 60 unidades movidas a hidrogênio e em testes até 2007, na Europa, na América do Norte e na Ásia. A General Motors, com veículos Zafira, a Ford, com o Focus, além da Hyundai, da Fiat, da Renault e da Toyota, também testam veículos movidos a hidrogênio.

Trajetória do hidrogênio

As células a combustível funcionam como uma bateria ou uma pilha. Transformam energia química em energia elétrica, quebrando as moléculas de hidrogênio (H2). Raro na natureza, ele precisa ser extraído de outras fontes. As mais promissoras são a água, o etanol e o gás natural. Na eletrólise, o hidrogênio segue puro para a célula. De outros combustíveis, é preciso extraí-lo por meio de um reformador. Ele pode ser estocado em cilindros, no caso dos automóveis, ou produzido ao lado da célula. Na célula, o hidrogênio entra pelo lado anodo, é quebrado em íons (H+), que passam pelo eletrólito, enquanto os elétrons (e) são barrados e levados a produzir eletricidade. Os íons que passam encontram o oxigênio do ar no outro lado e formam a água.

O grupo desenvolveu e depositou patente de um reator usado em reformadores que funcionam à base da pirólise a plasma, um sistema que não usa vapor d’água nem catalisadores (substâncias que aceleram a reação química), como nos métodos tradicionais, e sim um gás ionizado, onde coexistem íons positivos e elétrons. A temperatura elevada dissocia as moléculas do combustível usado. “Nesse sistema não se produzem os gases CO2 nem o monóxido de carbono (CO). O carbono existente nesses combustíveis se transforma num resíduo sólido chamado negro-de-fumo, que é uma das matérias-primas do pneu”, diz Miranda.

Também na Coppe, o professor Martin Schmal e seu grupo desenvolveram catalisadores e reatores para reformadores de gás natural e de etanol. “Nossa intenção é produzir o máximo de hidrogênio com o mínimo possível de CO2 e de CO”, diz Schmal. “Já depositamos patentes de catalisadores que são bem eficientes e hoje são objeto de desejo de países como a China.” Para Schmal, os reformadores para células a combustível ainda não têm uma solução pronta em nível mundial. Várias pesquisas estão sendo realizadas para se encontrar um caminho mais eficiente e menos custoso.

Rede local
O Rio de Janeiro possui outro centro de desenvolvimento de tecnologia para a energia do hidrogênio que fica no Instituto Nacional de Tecnologia (INT), ligado ao Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). O grupo coordenado pelo pesquisador Fábio Bellot Noronha trabalha em vários projetos de desenvolvimento de reformadores de etanol com a Coppe e em parceria com o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), do MCT, e o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), que comprou recentemente uma célula da empresa paulistana Electrocell. “Desenvolvemos tecnologia para produção de hidrogênio a partir do gás natural, num trabalho financiado pela Petrobras que rendeu uma patente”, diz Noronha.

A chamada “economia do hidrogênio”, que está sendo esquematizada em todo o planeta, vai trazer alguns aspectos inusitados até o momento, como a possibilidade de descentralização energética. Uma das alternativas é manter, dentro de uma residência, uma célula a combustível gerando energia elétrica a partir do gás natural. Em horários de pouco gasto na casa, à noite ou em viagens do proprietário, será possível fornecer eletricidade para a rede local. Assim, cada casa poderia, além de ser um consumidor, gerar eletricidade e vendê-la para a companhia de luz local, que, por sua vez, dependeria menos de energia elétrica vinda de longe, das hidrelétricas ou das termelétricas.

Em outros casos, as indústrias e as próprias companhias hidrelétricas teriam outras vantagens. “Uma indústria de laticínios que estamos estudando produz em seus efluentes 67% de metano (CH4), gás que também compõe o gás natural, e de 3 a 8% de ácido sulfídrico (H2S). “Ao retirar esse ácido com um filtro de carvão ativado ou um filtro de hidróxido de ferro, que está sendo desenvolvido por nós, o gás restante poderia ser usado em um sistema de reforma para produzir hidrogênio e energia elétrica para a própria indústria”, conta o professor José Luz Silveira, coordenador do Grupo de Otimização de Sistemas Energéticos (Gose) da Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Guaratinguetá. Silveira também desenvolve pesquisas com reformadores. No início de julho entregou um protótipo para a Companhia Energética de Minas Gerais (Cemig), em um projeto financiado pela própria companhia e supervisionado pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel).

Outras duas grandes companhias brasileiras também estudam o uso energético do hidrogênio. Uma é a Petrobras, que está investindo US$ 1 milhão por ano desde o ano 2000 em pesquisa e desenvolvimento tanto no seu Centro de Pesquisas da Petrobras (Cenpes) como em parcerias com institutos de pesquisa. “O hidrogênio desponta como energia alternativa viável para o país e nós, como uma companhia de petróleo, que se transformou em uma companhia energética, desenvolvemos estudos para avaliar todas as oportunidades de futuros negócios para a empresa”, diz Maria Helena Troise Frank, consultora da gerência de gás e energia da Petrobras.

A companhia estuda alternativas para produção, armazenamento, postos de abastecimento, logística de distribuição, usos e aplicações de hidrogênio, mesmo porque a empresa já possui conhecimento nessa área ao produzir 500 toneladas de hidrogênio por dia, a partir de gás efluente das refinarias, usadas para a produção de diesel e de amônia. “Estamos pesquisando e analisando todas as possibilidades de célula a combustível tanto do ponto de vista automotivo como da produção de sistemas para geração de energia elétrica”, diz Paulo Fernando Isabel dos Reis, coordenador da área de célula a combustível da Petrobras. A empresa também aposta na produção de hidrogênio por meio de biomassa, que é a gaseificação, por processos termoquímicos, de bagaço de cana, briquetes de madeira e outros compostos orgânicos de rejeitos industriais, por exemplo. “O Brasil tem vocação para isso, somos a Arábia Saudita da biomassa”, diz Reis.

Outra grande empresa que estuda o uso energético do hidrogênio é a Itaipu Binacional. Conforme a época do ano, no período das cheias dos seus reservatórios, a empresa produz 3 mil megawatts, energia suficiente para dezenas de pequenas cidades, que não é aproveitada por falta de linhas de transmissão ou por não haver demanda. Uma das idéias é produzir hidrogênio por meio de eletrólise e a um custo baixo ao lado da Usina de Itaipu, no Paraná. Esse hidrogênio inicialmente poderia ser para uso industrial e mais tarde, por meio de tubulações específicas, chegar aos postos de combustível para abastecer os futuros veículos a hidrogênio.

Coração da célula
A eletrólise também é a opção para a produção de hidrogênio em que se baseia a equipe dos professores Roberto Fernando de Souza e Jaírton Dupont, do Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Eles desenvolveram com o apoio financeiro da Companhia Estadual de Energia Elétrica (CEEE) do Rio Grande do Sul um novo sistema de eletrólise que separa o hidrogênio da água utilizando um líquido iônico, uma substância orgânica condutora de eletricidade chamada de sais de imidazol. “Além da eletrólise comum, esse líquido pode ser usado no lugar do coração da célula a combustível”, diz Souza. Ele se refere aos eletrólitos da célula que colocam em contato os eletrodos em que o hidrogênio e o oxigênio reagem gerando eletricidade. Atualmente existem dois tipos de célula mais pesquisados para uso comercial: um que usa uma membrana de polímero, as chamadas células PEM, sigla em inglês para Membrana de Troca de Prótons, e as células de óxido sólido, ou Sofc (da sigla em inglês de Solid Oxide Fuel Cell), de eletrólito formado por vários tipos de material cerâmico. “Depositamos uma patente cobrindo o uso de líquidos iônicos para eletrólise da água e outra para uso do mesmo material fluido em células a combustível. Temos a convicção de que a eletrólise é o melhor caminho para não continuarmos poluindo o planeta”, diz Souza. “A eletrólise da água é a maneira mais fácil de obter hidrogênio com alta pureza tanto a partir de energias renováveis como das hidrelétricas à noite, quando o consumo cai, e também por meio da energia eólica ou solar.”

Roteiro até 2030

Em 2010 o Brasil deverá iniciar a geração comercial de hidrogênio a partir da reforma de gás natural e em 2020 será a vez do etanol. Essas duas previsões estão presentes na versão beta (ainda não definitiva) do “Roteiro para a estruturação da economia do hidrogênio no Brasil”, que recebeu a colaboração de 115 profissionais, entre pesquisadores de instituições científicas e tecnológicas e de empresas. A coordenação geral do roteiro é do Ministério de Minas e Energia (MME) e a integração técnica do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT). Esse roteiro vai levar, provavelmente em 2007, a um programa nacional de produção e uso do hidrogênio. “Estamos definindo as rotas que interessam ao Brasil e que possam gerar benefícios sociais e econômicos, além de estudar as tecnologias relacionadas”, diz Mauricio Pereira Cantão, pesquisador do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (Lactec), de Curitiba, Paraná, e consultor do roteiro.

“É provável que em 2030 o hidrogênio tenha uma boa participação na matriz energética do país”, diz Adriano Duarte Filho, coordenador-geral de tecnologias setoriais do MCT. “Nossa intenção agora é gerar fontes de conhecimento, fazer patentes e não apenas importar modelos prontos”, diz Duarte Filho. O MCT, desde 2002, mantém o Programa Brasileiro de Sistemas Células a Combustível. Recentemente ele sofreu modificações, foi ampliado e agora recebe o nome de Programa de Ciência, Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio. Neste ano o programa já implementou três redes de pesquisa envolvendo, num prazo de três anos, 34 laboratórios e 20 universidades e um valor de R$ 29 milhões.

Ônibus brasileiro com H

No final de 2007 um ônibus movido a hidrogênio deverá circular na linha que liga os bairros paulistanos de São Mateus e Jabaquara, um trajeto de 33 quilômetros que também passa pelos municípios de Diadema, São Bernardo do Campo, Mauá e Santo André. O ônibus será montado no Brasil por um consórcio de empresas nacionais e estrangeiras e deverá ser anunciado neste mês de agosto. Sob a coordenação da Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos (EMTU), da Secretaria Estadual de Transportes, o projeto vai contar com financiamento do Global Environment Facility (GEF), do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (Pnud), no valor de US$ 12,5 milhões. A contraparte brasileira e a organização do consórcio são do Ministério de Minas e Energia (MME), que, por meio da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), vai investir mais US$ 3,5 milhões.A primeira versão desse projeto era para ser implementada em 2002 com ônibus que viriam da Europa. “Agora nós vamos montar o ônibus e toda a infra-estrutura para produzir hidrogênio via eletrólise da água, além de adquirir conhecimento na montagem, custo, operação, manutenção e segurança desse tipo de veículo”, diz Márcio Schettino, gerente de desenvolvimento da EMTU. “A idéia é montar o primeiro, e, em 2008, montar mais quatro ônibus.”No Rio de Janeiro, outro ônibus a hidrogênio está em construção. O projeto é uma iniciativa da Coordenação dos Programas de Pós-graduação de Engenharia (Coppe), da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Petrobras e Finep. “Será um ônibus híbrido que vai funcionar somente com a célula a combustível ou com um motor elétrico por meio de um conjunto de baterias recarregadas pela célula”, explica o professor Paulo Emílio de Miranda, coordenador do projeto. O hidrogênio será obtido a partir do gás natural da Petrobras. O projeto conta também com a empresa de carrocerias Buscar, da cidade de Joinville, em Santa Catarina, e da Eletra, empresa de São Bernardo do Campo, que produz ônibus com tração elétrica (Veja Pesquisa FAPESP n° 92). Experimentos semelhantes já foram realizados na Europa e nos Estados Unidos. “O europeu durou dois anos e terminou neste ano com 30 ônibus em dez cidades européias. E os resultados foram muito bons, sem nenhum problema em termos operacionais e de segurança”, diz Schettino.

O projeto
1.
Análise técnica, econômica e ambiental do uso da cana-de-açúcar para a geração sustentável de energia elétrica (nº 01/14302-1); Modalidade Projeto Temático; Coordenador José Goldemberg — USP; Investimento R$ 1.092.212,30 (Total FAPESP) e R$ 125.700,00
2. Desenvolvimento e otimização de unidade integrada de reforma de etanol para produção de hidrogênio (nº 05/50908-2); Modalidade Programa Inovação Tecnológica em Pequenas Empresas (Pipe); Coordenador João Carlos Camargo — Hytron; Investimento R$ 42.980,00 e US$ 7.100,00 (FAPESP)


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