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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA SILVIO BISPO DO VALE ESTUDO COMPARATIVO DE SISTEMAS ISOLADOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO GASES DE BIOMASSA PARA ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL TD – 08/2006 UFPA/IT/PPGEE CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ BELÉM - PARÁ - BRASIL 2006
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
SILVIO BISPO DO VALE
ESTUDO COMPARATIVO DE SISTEMAS ISOLADOS DE GERAÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO GASES DE BIOMASSA PARA ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
TD – 08/2006
UFPA/IT/PPGEE CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ
BELÉM - PARÁ - BRASIL 2006
______________________________________________________________________ V149e Vale, Silvio Bispo do
Estudo comparativo de sistemas isolados de geração de energia
elétrica utilizando gases de biomassa para alimentação de células a combustível / Silvio Bispo do Vale; orientador, Ubiratan Holanda Bezerra.-2006.
Tese (doutorado) - Universidade Federal do Pará, Instituto de
Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Belém, 2006.
1. Energia da biomassa. 2. Energia – fontes alternativas. 3. Energia
elétrica – produção. I. Orientador. II. Título. CDD 22. ed. 621.042 ___________________________________________________________
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
SILVIO BISPO DO VALE
ESTUDO COMPARATIVO DE SISTEMAS ISOLADOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO GASES DE BIOMASSA PARA
ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Tese submetida à Banca Examinadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFPA para a obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Elétrica.
UFPA/IT/PPGEE CAMPUS UNIVERSITÁRIO DO GUAMÁ
BELÉM – PARÁ – BRASIL 2006
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ESTUDO COMPARATIVO DE SISTEMAS ISOLADOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO GASES DE BIOMASSA PARA
ALIMENTAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
SILVIO BISPO DO VALE
TESE DE DOUTORADO SUBMETIDA À AVALIAÇÃO DA BANCA EXAMINADORA APROVADA PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ E JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM ENGENHARIA ELÉTRICA NA ÁREA DE SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA.
APROVADA EM 01/12/2006
BANCA EXAMINADORA:
______________________________________________________________________
Prof. Dr. Ubiratan Holanda Bezerra (Orientador - DEEC/UFPA)
______________________________________________________________________
Prof. Dr. -Ing. João Tavares Pinho (Co-Orientador - DEEC/UFPA)
______________________________________________________________________
Prof. Dr.Tadeu da Mata Medeiros Branco (Membro - DEEC/UFPA)
______________________________________________________________________
Prof. Dr. José Pio Iúdice de Souza (Membro - DQ/UFPA)
______________________________________________________________________
Prof. Dr. Ennio Peres da Silva (Membro - NIPE/UNICAMP)
______________________________________________________________________
Prof. Dr. Reginaldo Sabóia de Paiva (Membro - DEMMA/UFPA)
VISTO: ______________________________________________________________________
Prof. Dr. Evaldo Gonçalves Pelaes Coordenador do PPGEE/CT/UFPA
UFPA/IT/PPGEE
iii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus, por me guiar neste caminho de luta e ter
alcançado mais um dos meus objetivos de vida.
Ao meu orientador Professor Ubiratan Holanda Bezerra, pelos incentivos,
compreensão e paciência nas horas de difíceis entendimentos de assuntos abordados.
À minha esposa Regina, pelo apoio, incentivo e paciência. Às minhas filhas
Sophia e Samya por aguardarem diversas horas do dia sem a minha presença e ao final
da noite, falarem, a sua benção paizinho.
Aos Professores João Tavares Pinho e Tadeu da Mata Medeiros Branco,
pelas colaborações, apoios e incentivos.
Aos meus Pais, pelos incentivos.
A todos os membros do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de
Alternativas Energéticas – GEDAE.
Em especial, aos meus amigos, professor Edinaldo Pereira, Luis Blasques,
Marcos Galhardo e Hallan Max.
Ao Professor Gonçalo Rendeiro, pelo apoio e diálogo na área de
gaseificação.
Aos professores Ennio Peres, José Pio e Sabóia por aceitarem a participar da
banca examinadora deste trabalho.
À CAPES, pela bolsa de estudo.
iv
SUMÁRIO
Lista de Figuras .............................................................................................................. viii
Lista de Tabelas ........................................................................................................................ x
Resumo................. .................................................................................................................... xi
Abstract................. .................................................................................................................. xii
Introdução ................................................................................................................................. 1
Capítulo 1 - DESCRIÇÃO DA TECNOLOGIA DAS CÉLULAS A
COMBUSTÍVEL............................................................................................... 6
1.1 - Princípios Constitutivos ............................................................................................ 6
1.2 - Reação ....................................................................................................................... 8
1.3 - Energia Livre ............................................................................................................ 9
1.4 - Trabalho .................................................................................................................. 10
1.5 – Polarização ............................................................................................................. 10
1.6 – Eficiência .............................................................................................................. 12
1.7 – Principais Constituintes da Célula a Combustível ................................................. 13
1.7.1 - Reformador ................................................................................................. 14
1.7.2 - Processo Eletroquímico da Célula a Combustível e Conversão de
Energia ....................................................................................................... 15
1.8 – Tecnologias Empregadas em Células a Combustível ............................................ 15
1.8.1 - Ácido Fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cells - PAFC) ............................ 16
1.8.2 - Polímero Sólido ou Membrana de Troca de Prótons (Proton
Exchange Membran Fuel Cells - PEMFC) ................................................ 17
1.8.3 – Carbonato Fundido (Molten Carbonate Fuel Cells - MCFC) ................... 19
1.8.4 – Óxido Sólido (Solid Oxid Fuel Cells - SOFC) .......................................... 21
1.8.5 – Alcalinas (Alkaline Fuel Cells - AFC) ...................................................... 23
1.8.6 – Metanol Direto (Direct Methanol Fuel Cells - DMFC) ............................ 24
1.8.7 – Regenerativas (Regenerative Fuel Cells - RFC) ....................................... 25
1.9 – Aplicações Principais ............................................................................................. 26
1.10 – Comparações com Outras Tecnologias Alternativas ........................................... 27
1.11 – Conclusão ............................................................................................................. 30
v
Capítulo 2 – APLICAÇÃO DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA VIA
CÉLULA A COMBUSTÍVEL ....................................................................... 32
2.1 - Princípios Utilizados ............................................................................................... 32
2.2 - Aspectos Relacionados com os Insumos para a Alimentação da Célula ................ 35
2.3 – Caracterização do Condicionamento por Meio de Gaseificação e/ou
Biodigestão ............................................................................................................. 36
2.4 - Conclusão ............................................................................................................... 37
Capítulo 3 – ALIMENTAÇÃO DA CÉLULA COM INSUMOS DA REGIÃO POR
MEIO DA GASEIFICAÇÃO E BIODIGESTÃO ....................................... 39
3.1 – Aspectos Gerais da Gaseificação ........................................................................... 39
3.2 - Sistema de Gaseificação ......................................................................................... 40
3.3 – Biomassa para Gaseificação ................................................................................... 43
3.3.1 – Madeira ...................................................................................................... 43
3.3.2 – Coco da Bahia ............................................................................................ 46
3.3.3 – Cacau ......................................................................................................... 47
3.3.4 – Outras Biomassas ...................................................................................... 48
3.4 – Dimensionamento do Gaseificador ........................................................................ 48
3.5 – Sistema de Biodigestão .......................................................................................... 49
3.5.1 – Biogás ........................................................................................................ 50
3.5.2 – Digestão Anaeróbica .................................................................................. 50
3.5.3 – Biodigestores ............................................................................................. 52
3.6 – Biomassa para Biodigestão .................................................................................... 53
3.7 – Dimensionamento de um Biodigestor .................................................................... 55
3.8 - Conclusão ............................................................................................................... 56
Capítulo 4 – MÉTODOS DE ELIMINAÇÃO DE IMPUREZAS NOS GASES
PRODUZIDOS NOS PROCESSOS DE GASEIFICAÇÃO E BIODIGESTÃO .............. 58
4.1 – Apresentação de Algumas Impurezas .................................................................... 58
4.2 – Limpeza dos Gases ................................................................................................. 58
4.3 – Remoção Ácida ...................................................................................................... 59
4.4 – Remoção de Umidade ............................................................................................ 59
4.5 – Metanação .............................................................................................................. 62
vi
4.6 – Conclusão ............................................................................................................... 63
Capítulo 5 – ESTUDO DE CASO ......................................................................................... 65
5.1 – Considerações Gerais ............................................................................................. 65
5.2 –Parâmetros Econômicos .......................................................................................... 66
5.3 – Escassez de Energia Elétrica .................................................................................. 67
5.4 – Caracterização da Localidade ................................................................................ 67
5.4.1 – Recurso Renovável Eólico e Solar ............................................................ 68
5.4.2 – Recurso Renovável de Biomassa ............................................................... 70
5.5 – Premissas para o Estudo ......................................................................................... 70
5.5.1 – Caso 1: Sistema Solar Fotovoltaico ........................................................... 71
5.5.2 - Caso 2: Sistema Eólico ............................................................................... 73
5.5.3 - Caso 3: Sistema Grupo Gerador Diesel ...................................................... 74
5.5.4 - Caso 4: Sistema Híbrido Solar - Eólico - Diesel ........................................ 75
5.5.5 - Caso 5: Sistema Célula a Combustível/Biodigestão .................................. 76
5.5.5.1 - Dimensionamento do Biodigestor ................................................... 77
5.5.5.2 – Dimensionamento do Gaseificador ................................................ 79
5.5.6 - Caso 6: Sistema Híbrido Solar - Eólico – Célula a Combustível
(Eletrólise) ................................................................................................................................ 83
5.6 – Conclusão ............................................................................................................... 85
Conclusão ................................................................................................................................ 86
Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 88
vii
LISTA DE FIGURAS
Capítulo 1
Figura 1.1 - Esquema do Princípio de Funcionamento de uma Célula a Combustível. ............. 6
Figura 1.2 - Esquema Representativo de Reações no Anodo e Catodo ..................................... 8
Figura 1.3 - Variação do Potencial com a Corrente ................................................................. 11
Figura 1.4 - Variação da Potência com Diferença de Potencial numa Célula a
Combustível ......................................................................................................... 13
Figura 1.5 - Esquema Simplificado de um Sistema de Produção de Energia em Células a
Combustível .......................................................................................................... 13
Figura 1.6 - Fórmula Estrutural do Nafion ............................................................................... 18 Figura 1.7 - Esquema de Funcionamento de uma Célula a Combustível Regenerativa ........... 26
Figura 1.8 - Comparação de Sistemas de Células a Combustível com Outras Fontes ............. 28
Figura 1.9 - Comparação de impacto ambiental de Célula a Combustível Integrada com
Gaseificação com outras Fontes de Geração ........................................................ 29
Capítulo 2
Figura 2.1 - Mercado de Aplicações de Vários Tipos de Células a Combustível .................... 35
Capítulo 3
Figura 3.1 - Esquema Ilustrativo de um Gaseificador Co-Corrente ......................................... 41
Figura 3.2 - Esquema Ilustrativo de um Gaseificador Contracorrente ..................................... 42
Figura 3.3 - Principais Constituintes da Madeira ..................................................................... 44
Figura 3.4 - Principais Componentes da Madeira .................................................................... 44
Figura 3.5 - Processo Digestivo de um Biodigestor ................................................................. 52
Figura 3.6 - Biodigestor Indiano .............................................................................................. 53
Figura 3.7 - Biodigestor Chinês ................................................................................................ 53
Capítulo 4
Figura 4.1 - Processo Claus ............ ......................................................................................... 60
viii
Capítulo 5
Figura 5.1 - Curva de Carga ........... ......................................................................................... 68
Figura 5.2 - Perfil da Velocidade de Vento a 25 m .................................................................. 69
Figura 5.3 - Perfil da Irradiância Solar ..................................................................................... 69
Figura 5.4 - Valor do Custo da Energia (FV) ........................................................................... 72
Figura 5.5 - Estado de Carga da Bateria (FV) .......................................................................... 72
Figura 5.6 - Potência Gerada versus Carga (FV)...................................................................... 72
Figura 5.7 - Potência Gerada versus Carga (Aerogerador) ...................................................... 73
Figura 5.8 - Estado de Carga da Bateria (Aerogerador) ........................................................... 73
Figura 5.9 - Valor do Custo da Energia (Diesel) ...................................................................... 74
Figura 5.10 - Potência Gerada versus Carga (Diesel) .............................................................. 74
Figura 5.11 - Configuração Geral do Sistema Híbrido ............................................................. 75
Figura 5.12 - Fontes de Geração versus Carga do Sistema Híbrido ......................................... 76
Figura 5.13 - Estado de Carga do Banco de Baterias do Sistema Híbrido ............................... 76
Figura 5.14 - Custo da Energia do Sistema á Célula a Combustível ........................................ 82
Figura 5.15 – Configuração Geral do Sistema ......................................................................... 83
Figura 5.16 - Contribuições das Fontes de Geração em Confronto com a Carga .................... 84
Figura 5.17 - Estado de Carga do Banco de Baterias ............................................................... 84
Figura 5.18 – Custo da Energia Gerada para Diversas Fontes de Geração .............................. 85
ix
LISTA DE TABELAS
Capítulo 1
Tabela 1.1 - Tipos de Células a Combustível ........................................................................... 16
Tabela 1.2 - Fabricantes e Aplicação de Célula a Combustível ............................................... 27
Capítulo 3
Tabela 3.1 - Composição Típica do Gás Produzido a Partir de Madeira em Gaseificador
de Chama Invertida .............................................................................................. 42
Tabela 3.2 - Composições Típicas de Gases Produzidos de Madeira em Gaseificadores
de Chama Direta .................................................................................................. 43
Tabela 3.3 - Diversos Combustíveis com seus Respectivos Poderes Caloríficos .................... 46
Tabela 3.4 - Tipos de Células a Combustível ........................................................................... 49
Tabela 3.5 - Equivalência Energética do Biogás ...................................................................... 50
Tabela 3.6 - Fonte de Dados de Resíduos e Produção de Gás.................................................. 54
Tabela 3.7 - Consumo de Biogás .............................................................................................. 55
Capítulo 5
Tabela 5.1 - Dados da Velocidade de Vento (25 m de altura) .................................................. 68
Tabela 5.2 - Dados da Irradiância e Irradiação Solar ............................................................... 69
Tabela 5.3 - Dados do Biodigestor ........................................................................................... 77
Tabela 5.4 - Dados do Gaseificador ......................................................................................... 79
Tabela 5.5 - Dados da Célula a Combustível Alimentada por Gaseificação ou
Biodigestão .......................................................................................................... 81
Tabela 5.6 - Cenários de Taxas de Descontos e FRC ............................................................... 81
Tabela 5.7 - Cenários de Custos de Energia versus Investimentos .......................................... 82
x
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo sobre a avaliação do potencial de geração de
energia elétrica por meio de células a combustível usando resíduos regionais. O estudo
aborda a célula a combustível do tipo troca de prótons como elemento de geração de
energia elétrica, além da biodigestão e da gaseificação como formas de alimentação
dessa fonte, e sua comparação com sistemas híbridos de geração de energia, como por
exemplo, a fotovoltaica, a eólica e os geradores a diesel.
Foram abordados, neste estudo, alguns tipos de biomassa, com o objetivo de
avaliar quais os mais adequados a serem inseridos no biodigestor ou gaseificador de
baixa potência, como matéria-prima na produção de uma mistura gasosa que possa ser
utilizada na alimentação da célula a combustível e posterior produção de eletricidade em
complemento ao sistema híbrido de uma localidade da Região Amazônica.
Para efeito de estudo da integração do conjunto célula a combustível com o
biodigestor ou gaseificador, fez-se necessária a investigação de diversos meios de
purificação dos gases oriundos da biodigestão ou gaseificação, antes de serem inseridos
na célula a combustível, dentre as quais: a remoção ácida, a remoção de umidade, e a
metanação. Alguns desses meios de purificação podem ser empregados de maneira fácil
e eficaz, como por exemplo a retirada de umidade e H2S.
Neste trabalho foram adotadas algumas figuras de mérito na análise econômica
como, por exemplo, o tempo de retorno simples e o fator de recuperação de capital, e os
estudos mostraram a viabilidade do uso da célula a combustível polimérica em conjunto
com o biodigestor ou gaseificador, para a geração de eletricidade em localidades
isoladas na Região Amazônica.
xi
xii
ABSTRACT
This work presents a study on the analysis of the electricity generation potential
of fuel cells using regional rejects. The study emphasizes the Proton Exchange
Membrane Fuel Cell (PEMFC) as the electricity generation unit, together with
biodigestors and gasifiers as its feeding sources, and its comparison with hybrid energy
power systems, as for example, those with solar photovoltaic, wind and diesel
generators sources.
The study considers some types of biomass, with the objective of evaluating
which ones are most appropriate for utilization on the low power biodigestor or gasifier,
as raw material to produce a gaseous mixture that will be used to supply the fuel cell
and generate complementary electricity to the hybrid system of a community in the
Amazon Region.
For the study of the integration of the fuel cell to the biodigestor or gasifier it is
necessary to investigate several ways of purifying the gases from the biodigestion or
gasification before their insertion into the fuel cell, such as acid removal, umidity
removal and methanation. Some of these purification ways can be used on a easy and
efficient manner, such as umidity removal and H2S.
The work adopts some economic figures such as simple payback and capital
recovery factor, and the analysis shows the feasibility of the use of the PEMFC with
biodigestor or gasifier integration for electricity generation in isolated communities of
the Amazon Region.
1
Introdução O princípio das células a combustível foi descoberto por William Robert Grove em
1839. No final do século passado, Wilhelm Ostwald e Walther Nernst demonstraram a
vantagem da combustão eletroquímica a frio em relação à produção de eletricidade pela
máquina térmica/mecânica, que funciona sob o princípio de Carnot [1].
Até pouco tempo a célula à combustível estava limitada ao uso experimental em
laboratórios ou aplicações não convencionais, como na indústria aeroespacial. No entanto,
ultimamente tem havido um crescente desenvolvimento sobre a célula a combustível e suas
aplicações na geração de eletricidade e na área automobilística. Especialmente por se tratar de
uma conversão limpa, que gera como resíduos apenas vapor de água, calor e baixa
concentração de dióxido de carbono (CO2), pode-se esperar a substituição paulatina do uso
dos motores à combustão interna, devido à exigência quanto ao controle de emissão gasosa.
Em vista disso, deve-se aguardar por um alavancamento das células a combustível para tais
aplicações em um futuro próximo.
Em princípio, a célula a combustível opera como uma bateria, sem nenhuma
combustão. A geração de eletricidade se dá pela combinação de moléculas de hidrogênio e
oxigênio. A célula a combustível produz energia elétrica e calor, sempre que haja combustível
para sua alimentação, e o subproduto de saída gerado é a água.
As células a combustível utilizam métodos limpos [2] e eficazes na obtenção de energia
elétrica, podendo algumas vezes partir da energia química armazenada em um combustível,
como por exemplo o hidrogênio ou uma mistura gasosa. Assim, consegue-se reduzir as
emissões gasosas de contaminantes, além de aumentar o rendimento do processo de conversão
eletroquímica. Apesar das inúmeras vantagens que as células apresentam, ainda são
encontradas algumas limitações para a aplicação destes sistemas. Uma dessas limitações é o
armazenamento do combustível, no caso o hidrogênio. Esta limitação tem sido contornada
através de processos de reforma conhecido e em desenvolvimento, que produz hidrogênio
para o funcionamento eficiente do sistema.
Os principais aspectos inovadores desta tecnologia concentram-se nas vantagens em
relação aos sistemas convencionais de geração de energia, tanto pela visão de meio ambiente
2
[2], [3], [4] como também pela sua eficiência energética, alcançando um rendimento superior a
50 %.
A Sociedade de Gás de Euskadi, S.A. (Grupo EVE) liderou um projeto de
demonstração de uma célula a combustível de óxido sólido de 1 kW de potência elétrica
marca Sulzer-Hexis, em colaboração com a Ikerlan Energy. A célula proporciona energia
elétrica, água quente para sanitário e energia térmica para calefação. Além dessa experiência
da Euskadi na Espanha, existem outras cinco experiências piloto de células da Sulzer-Hexis de
gás natural que estão espalhadas pelo mundo. Por exemplo, na Espanha, a Iberdrola tem sua
planta de demonstração de 100 kW [5].
A célula a combustível do tipo óxido sólido, também é desenvolvida pela empresa
americana Westinghouse, em parceria com a Siemens, que gera cerca de 100 kW elétricos.
Projetos estão localizados no Estado da Califórnia e nos Países Baixos. A empresa americana
International Fuel Cells – IFC, adquirida pela UTC, colocou no mercado as primeiras células
a combustível do tipo ácido fosfórico, de potências de 200 kW elétricos e 200 kW térmicos e
eficiência de aproximadamente 40 %, com custo na ordem de US$ 600.000,00 por unidade,
ou cerca de US$ 3.000,00 por kW instalado. Também nesse mercado de células está a
empresa japonesa Fuji Electric, com instalações de 100, 200 e 500 kW elétricos.
O Departamento de Energia (Departament of Energy - DOE) dos Estados Unidos
lançou uma iniciativa para provocar drásticas reduções em custos de células a combustível.
Com essa iniciativa, pretende-se baixar os custos para que ao final dessa década as células a
combustível tornem-se competitivas para o mercado de geração de energias elétrica ao preço
de US$ 400,00/kW instalado.
Há uma forte tendência para que o mercado de célula a combustível na aplicação em
residências seja promissor. A inserção de células a combustível em residências, para geração
de eletricidade, incorporando o aproveitamento do calor gerado, ocasionaria em benefícios
ambientais e econômicos, sem contar com o aproveitamento quase total da energia gerada,
significando uma maior eficiência global do sistema. Neste contexto e com essa visão,
diversos fabricantes já testaram vários sistemas a células a combustível espalhados pelo
mundo, como por exemplo, EBARA BALLARD, H-Power, adquirida pela Plug Power, Fuel
Cell Technologies, entre outros. Nesse setor de células a combustível de projetos pilotos,
estão os EUA, Japão, Canadá e a Alemanha como líderes.
3
A área de aplicação das células a combustível é ampla, abrangendo faixas de até 1,0
kW em unidades móveis, de 1,0 a 10 kW para residências, pequenos comércios, etc., de 10 a
500 kW para indústrias e bairros residenciais, e de 500 até aproximadamente 50 MW de
potência para indústrias e interligação com a rede de distribuição de energia.
No ano de 2004, o mercado de células a combustível avançou significativamente,
principalmente pelas vendas feitas da Direct Fuel Cell® da Fuel Cell Energy, que conseguiu
colocar no mercado cerca de 42 sistemas de 250 kW DFC 300® de carbonato fundido, em
aplicações que incluem plantas de tratamento de água, indústrias, universidades, bem como
suporte à rede elétrica. A maior instalação do mundo em termos de potência em célula a
combustível está sendo realizada pela Fuel Cell Energy (FCE) em uma planta de 1 MW
operando com um biodigestor no Condado de King, Washington. Nesse ano o mercado de
células a combustível foi marcado pelo avanço tecnológico nas do tipo Proton Exchange
Membrane – PEM alimentadas com hidrogênio. Empresas tais como a Ballard, Plug Power e
a ReliOn lançaram no mercado células a combustível de 1 kW e 5 kW.
Em maio de 2005 a empresa Navantia obteve êxito em testar uma célula a combustível
por mais de 20.000 horas de funcionamento. O seu produto de 250 kW – Navantia MTU NM-
300, passou por diversos testes e ensaios, principalmente os parâmetros elétricos.
Diversos fabricantes de veículos voltados ao conceito de célula a combustível
fabricaram e aprovaram seus veículos desenvolvidos com a tecnologia PEM, além de
realizarem diversos testes em países de clima frio.
O primeiro protótipo de célula a combustível desenvolvida no Brasil para fins de
geração de energia elétrica foi apresentado pela Cemig (Companhia Energética de Minas
Gerais) no I Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica (Citenel), realizado pela
Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica) em novembro de 2001, em Brasília[6].
No setor de transporte, pode-se dizer que o Brasil desenvolveu protótipos de veículos
contando com a parceria do Ministério de Minas e Energia – MME (Empresa Metropolitana
de Transporte Urbano – EMTU, São Paulo/ Programa das Nações Unidas para o
Desenvolvimento – PNUD/ Global Environment Facility – GEF e MME); Universidade de
Campinas – UNICAMP (projeto Vega II) em São Paulo e entre a Coordenação dos Programas
de Pós-graduação de Engenharia - COPPE/ Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento -
4
LACTEC/ Petróleo Brasileiro SA - PETROBRAS/ELETRA/CAIO-Induscar no Rio de
Janeiro. No entanto é observado que não existe nenhum veículo de carga ou ônibus em
circulação.
Atualmente existem três empresas localizadas no Estado de São Paulo que
desenvolvem sistemas de células a combustível para geração de energia, que são: Electrocell,
Unitech e a Novocell[7].
Alguns projetos demonstrativos para geração de energia e transporte são aportados
financeiramente por empresas de caráter público ou privado (Companhia de Eletricidade do
Paraná - COPEL, Companhia Hidroelétrica do São Francisco - CHESF, PETROBRAS,
Empresa Distribuidora de Energia de São Paulo - AES ELETROPAULO, Companhia
Energética de Minas Gerais - CEMIG, Companhia Paulista de Força e Luz - CPFL e Centrais
Elétricas Brasileiras SA - ELETROBRAS) para o desenvolvimento de células a combustível
utilizando, por exemplo, o gás natural como elemento de alimentação.
As células a combustível têm sua tecnologia ainda em desenvolvimento,
principalmente no Brasil. Portanto, merece um estudo mais aprofundado na eletroquímica do
processo, onde ocorrem as reações de oxidação e redução do hidrogênio e oxigênio,
respectivamente, liberando calor e produzindo água, e os elétrons como resultado do trabalho
elétrico.
O desenvolvimento desta tese está estruturado em cinco capítulos. O capítulo 1 aborda
a descrição da tecnologia das células a combustível, princípios constitutivos e comparações
com outras fontes de geração de energia elétrica.
No Capítulo 2, descrevem-se as tecnologias mais adequadas para a geração de energia
elétrica via células a combustível, e a caracterização do condicionamento por meio de
gaseificação e biodigestão.
No Capítulo 3, faz-se uma abordagem da avaliação do potencial energético de
alimentação da célula a combustível com insumos da região, por meio de gaseificação e
biodigestão.
O Capítulo 4 apresenta diversos métodos de eliminação de monóxido de carbono, gás
sulfídrico e umidade dos gases produzidos via gaseificação e biodigestão.
5
No capítulo 5 abordam-se estudos de casos, considerando alguns parâmetros
econômicos, caracterização de recursos renováveis e análise de diversos tipos de sistemas de
geração de energia. Ao final, apresentam-se as conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
A proposta desta tese está baseada no Estudo Comparativo de Sistemas Isolados de
Geração de Energia Elétrica Utilizando Gases de Biomassa para Alimentação de Células a
Combustível
6
Capítulo 1
Descrição da Tecnologia das Células a Combustível 1.1 - Princípios Constitutivos
O princípio de funcionamento de uma célula a combustível tipo PEM ou PAFC pode
ser visto esquematizado na figura 1.1. Utiliza como combustível o hidrogênio (H2), o qual, ao
entrar em contato com um metal catalizador suportado por um eletrodo, cede elétrons,
produzindo H+ (íon). Esse elétron circula por um circuito elétrico externo, onde sua energia
pode ser aproveitada, e retorna para a célula a combustível, onde, novamente através de um
metal, encontra-se com o oxigênio. Os dois pólos da célula são ligados pelo eletrólito. Através
desse eletrólito com os íons do oxigênio, que ganhou elétrons no anodo, migram até o catodo
onde o hidrogênio, que perdeu elétrons se ligam, formando água, que é o produto dessa
reação.
Figura 1.1 – Esquema do princípio de funcionamento de uma célula a combustível, tipo PEM
ou PAFC.
Uma célula a combustível é constituída de anodo, catodo e eletrólito, onde as reações
produzidas no seu interior têm como resultado a produção de eletricidade e água, cujas
reações dependem do eletrólito empregado. Deste modo, pode-se descrever os seus principais
componentes como:
Anodo – eletrodo onde ocorre a oxidação do combustível e que conduz elétrons ao
circuito externo;
Catodo – eletrodo onde ocorre a redução do oxidante e que recebe elétrons do circuito
externo;
7
Eletrólito – elemento de ligação dos eletrodos, que transporta uma das espécies iônicas
envolvidas nas reações eletródicas e previne a condução de elétrons entre os eletrodos.
As células a combustível podem ser fabricadas em vários tamanhos e para diversas
aplicações, e o princípio de funcionamento é idêntico ao de uma bateria, ou seja, consiste na
produção de eletricidade mediante as reações químicas, onde os elementos químicos
envolvidos normalmente são o hidrogênio e o oxigênio. Também podem ser usados outros
tipos de combustíveis que contenham hidrogênio ou não, tais como o metanol, etanol, gás
metano ou mistura gasosa proveniente da combustão de biomassa, etc.
A célula a combustível é uma forma alternativa de geração de energia, em que a
combustão é realizada de maneira controlada, aumentando a eficiência do aproveitamento da
energia liberada de modo menos poluente. Por esse processo, até 50% da energia química
pode ser transformada diretamente em energia elétrica. Uma parte da energia química ainda é
transformada em calor e também pode ser aproveitada, por exemplo, em sistemas para
aquecimento de água. Assim, a eficiência do aproveitamento da energia química pode chegar
a 80 %. As reações anódica, catódica e global do processo na célula a combustível, utilizando
hidrogênio, são as seguintes[8], [9]. De uma forma geral em uma célula PEM ou PAFC, o
hidrogênio é oxidado a prótons, liberando elétrons. As reações anódica (1.1) e catódica (1.2)
mostram a quebra das ligações entre o hidrogênio e o oxigênio e a reação geral é mostrada em
(1.3), representando as células a combustível de membrana polimérica ou ácido fosfórico.
−+ +→ e4H4H2 2 (1.1)
OH2e4H4O 22 →++ −+ (1.2)
)H(energiaOH2OH2 2)g(2)g(2 Δ+→+ (1.3)
Na reação, é necessária uma temperatura específica, que dependendo do eletrólito
(Alcalino - KOH, Membrana - Polímero, Ácido Fosfórico – H3PO3, Carbonatos Fundidos –
CO3-2 e Cerâmicas – ZrO2), requer maior ou menor temperatura (60 a 900 oC) para que a
mesma se processe satisfatoriamente.
Considera-se para estudo de abordagem, um caso simples em que o combustível é o
hidrogênio molecular. Dessa forma, podem-se observar diversos fatores que podem
influenciar na transformação final da energia química em energia elétrica das células a
combustível, dentre os quais têm-se as reações eletroquímicas, as mudanças de composição
8
ou estado dos reagentes e produtos envolvidos na reação, tensão, eficiência, energia de Gibbs,
trabalho, etc., que são descritos a seguir[10], [11]. Os elétrons liberados pela separação das
moléculas de hidrogênio no anodo são capturados pelo eletrodo e conduzidos através do
circuito elétrico até o catodo, originando a corrente elétrica. Os prótons no uso das células a
combustível de membrana polimérica e ácido fosfórico são transferidos para o catodo por
meio do eletrólito, onde se combinam com as moléculas de oxigênio para formar água.
1.2 - Reação
Em uma célula a combustível, o hidrogênio (combustível) se oxida conforme as
reações (1.1), (1.2) e (1.3). O esquema e o princípio de funcionamento de uma célula a
combustível de hidrogênio (H2-O2) podem ser vistos por meio da figura 1.2. Os eletrodos
empregados nas células a combustível são do tipo poroso de difusão gasosa, revestidos em um
dos lados por uma camada catalisadora de platina e separados por um eletrólito. O anodo é
alimentado pelo combustível, enquanto que o catodo é alimentado pelo oxidante. No material
ativo que constitui um dos eletrodos, oxida-se o hidrogênio, cedendo elétrons, os quais
circulam pelo circuito externo ao catodo. No catodo, reduz-se o oxigênio com incorporação
dos elétrons cedidos ao anodo.
Em uma célula do tipo alcalina, o hidróxido de potássio (KOH) é o agente que serve
de transporte das cargas, íon OH-, formados no eletrodo de oxigênio. Como existe um
terminal carregado negativamente e outro carregado positivamente, ao se conectarem
externamente por meio de uma resistência, circulará uma corrente elétrica, devido à diferença
de potencial elétrico entre os terminais.
Figura 1.2 – Esquema Representativo de Reações no Anodo e Catodo em uma Célula a
Combustível do Tipo Alcalina.
9
1.3 - Energia Livre
A tendência que têm os reagentes de reagirem entre si é chamada de afinidade (A) a
qual pode ser relacionada com a energia livre de “Gibbs” (ΔG) 1, isto é, o trabalho de reação
corresponde ao processo gerador de energia elétrica, conforme a equação (1.4)[10], [11]
GA Δ−= (1.4).
Esta energia está relacionada termodinamicamente com a entalpia de reação (ΔH)2 e a
entropia de reação (ΔS)3 de acordo com a equação (1.5):
STHG Δ−Δ=Δ (1.5)
onde,
TΔS - representa ganho (reação endotérmica4) ou perda (reação exotérmica5) de energia que
resulta no resfriamento ou aquecimento da célula;
T - é a temperatura envolvida na reação.
A variação da energia livre (ΔG), é uma medida direta da capacidade de trabalho ou a
máxima energia elétrica disponível para o sistema. Logo, quando o sistema apresenta ΔG
menor que zero, a reação é dita espontânea; quando ΔG é maior que zero, a reação é não
espontânea; e quando ΔG é igual a zero, a reação está em equilíbrio. Assim sendo:
nEFG −=Δ (1.6)
onde:
ΔG - é a variação de energia, que é uma função de estado e é independente do caminho da
reação;
n - é o número de elétrons envolvidos na reação;
E - é o potencial
F - é a constante de Faraday (96,487 coulombs/g-mol elétron).
1 é o máximo que se pode retirar de energia livre do sistema para a obtenção de trabalho útil. 2 é a quantidade de energia interna do sistema adicionado do calor trocado a pressão constante. 3 é uma medida de desordem de um sistema. 4 é uma reação química que absorve calor (+), ΔH>0; Hproduto>Hreagente. 5 é uma reação química que libera calor (-), ΔH <0; Hreagente>Hproduto.
10
Nas condições normais de pressão e temperatura, 1 atmosfera (atm) e 25ºC, a equação
1.6 pode ser escrita da seguinte forma:
00 nFEG −=Δ (1.7)
Portanto, como E = - V, que é a tensão teórica corresponde à oxidação do hidrogênio
em processo do tipo reversível e isotérmico, pode-se calcular esta tensão, com a equação
(1.8):
nF/GV Δ= (1.8)
Logo, o valor teórico da tensão alcançado por uma célula é da ordem de
aproximadamente:
V229,1Jmol487.96*2
Jmol400.237V1
1
==−
−
(1.9)
1.4 - Trabalho
O trabalho elétrico máximo (Wel) obtido em uma célula a combustível operando com
temperatura e pressão constantes pode ser expresso na forma de energia livre de uma reação
eletroquímica, calculado pela equação (1.10),
nFEWel = (1.10)
1.5 - Polarização
A polarização, ou perda (η), é devida à polarização ôhmica (ηohm), à polarização de
ativação (ηat) e à polarização de concentração (ηconc). Logo, essas perdas influenciam em uma
tensão final menor que a tensão ideal. Os potenciais de equilíbrio são expressos por Ec
(catodo) e Ea (anodo) que representam as perdas. Ao conectar uma resistência interna Ri
(devido ao eletrólito, aos eletrodos e conexões) entre o catodo e o anodo, a corrente Ieq
circulará pela resistência, com o valor calculado pela equação (1.11):
c aeq
i
(E E )IR−
= (1.11)
Assim, a equação (1.11) pode ser escrita como:
ohm eq iI Rη = (1.12)
11
Como o valor da resistência Ri é constante, a mudança no valor da corrente só poderá
ser conseqüência da variação do potencial catódico, anódico, ou ambos. Portanto, o potencial
catódico diminui e o potencial anódico aumenta, ocorrendo a polarização do eletrodo, como
pode ser visto na figura 1.3.
Figura 1.3 – Variação do Potencial com a Corrente.
A perda por ativação em uma célula a combustível representa a energia inicial
necessária para quebrar as moléculas de H2 e O2 nos eletrodos, representando uma perda de
tensão nos terminais. A perda por ativação (ηat)[12] ou polarização ativa está intimamente
ligada com a velocidade de reação eletroquímica, conforme a equação (1.13), com ηat maior
ou igual a 50 mV e menor ou igual a 100 mV[11],
0at i
iln*nF
RTα
=η (1.13)
onde:
α - é o coeficiente de transferência de elétrons da reação em um eletrodo;
io - é a densidade de corrente de troca no eletrodo.
Para células a combustível que operam em altas temperaturas, a polarização de
ativação não é levada em consideração, pois a carga de transferência da reação tem uma troca
de densidade de corrente que torna a polarização de ativação desprezível.
A polarização de concentração está relacionada com o transporte de massa de um
eletrodo e pode ser escrita pela Lei de Difusão de Fick6 [11], [13]. Porém, pode-se também
considerar que a polarização de concentração é a diferença de potencial (ΔE) produzida pela
mudança de concentração em um eletrodo, como ilustra a equação (1.14).
6 Estabelece que o fluxo de partículas em uma direção positiva de um eixo x é proporcional ao gradiente da concentração de partículas.
12
)ii1ln(*
nFRT
0conc −
α=η (1.14)
1.6 - Eficiência
Uma das principais características apresentadas pelas células a combustível é sua
eficiência teórica máxima[11], [12]. A eficiência pode ser definida como a relação entre a
energia útil gerada e a energia química liberada na reação de um combustível com um
oxidante, expresso pela equação (1.15):
HlEnergiaÚti
Δ=η (1.15)
Supondo um caso ideal de conversão eletroquímica, a mudança em energia de Gibbs
(ΔG) da reação é disponível como sendo a energia elétrica útil na temperatura da conversão,
podendo a equação (1.15) ser escrita da seguinte forma:
ΔHΔGη = (1.16)
Onde:
η = eficiência teórica máxima da célula;
ΔG = variação de energia livre da reação, que corresponde ao trabalho elétrico máximo que a
célula pode produzir;
ΔH = variação total de entalpia da reação.
Como a energia química (ΔH) na reação H2/O2 é de 285,8 kJ/mol (valor tabelado) e o
produto final é água líquida, logo a energia disponível é de 237,1 kJ/mol (valor tabelado).
Então, o valor ideal para a eficiência de uma célula a combustível pode ser:
83,08,2851,237==η .
Mas, se o produto final for água no estado de vapor, tem-se:
945,0242
6,228==η .
13
Assim sendo, pode-se observar que o rendimento de uma célula a combustível varia de
forma inversa à potência elétrica fornecida pela célula, devido a perdas por efeito Joule e de
polarização, conforme ilustra a figura 1.4. Logo, quando se deseja obter valores de potências
mais elevadas, associam-se diversas células a combustível em série para formar uma pilha
(stack). Células unitárias apresentam uma tensão de circuito aberto na faixa de 1,0 a 1,2 Vdc e
tensão na faixa de 0,5 a 0,7 Vdc[4] sob efeito de carga. Deste modo, deve-se associar diversas
células com o objetivo de se obter um valor de tensão na faixa de 127 a 380 V, conforme a
necessidade de operação.
Figura 1.4 - Variação da Potência com Diferença de
Potencial numa Célula a Combustível [14].
1.7 - Principais Constituintes de um Sistema com Célula a Combustível
Em termos gerais, os sistemas de geração com células a combustível são constituídos
de três partes conforme a figura 1.5:
a) Subsistema de processamento de combustível (reformador), onde ocorre a conversão do gás contendo hidrogênio;
b) Subsistema de reação, onde ocorrem as reações químicas, ou seja, o processo eletroquímico e a produção de corrente contínua;
c) Conversor de potência estática, onde ocorre a conversão da corrente contínua em corrente alternada.
Figura 1.5 - Esquema Simplificado de um Sistema de Produção
de Energia com Células a Combustível.
14
Os equipamentos auxiliares que compõem o sistema de produção/geração de
eletricidade em sistema de energia a célula a combustível são os seguintes: compressor,
circuito de refrigeração, separador para remoção de água obtida nos produtos da reação,
bomba para recirculação de gases rejeitados pelo anodo, controlador do sistema, dispositivo
de controle de monóxido de carbono (CO), e sistema de armazenamento e alimentação de
combustível. A seguir são apresentados maiores detalhes dos subsistemas que compõem um
sistema de geração de energia com célula a combustível.
1.7.1 - Reformador
Os reformadores são dispositivos que convertem os hidrocarbonetos em misturas de
H2 e CO2. Os dois principais métodos utilizados são a conversão pelo vapor d’água e a
oxidação parcial. Na conversão pelo vapor, os hidrocarbonetos e a água reagem para formar a
mistura gasosa de H2, CO2 e CO. Este processo requer calor (reação endotérmica) para
ocorrer e, para tanto, utiliza parte da energia do combustível (hidrocarboneto) que geralmente
é da ordem de 20 %. Requer também alta temperatura e baixa pressão com excesso de vapor
para impedir a formação de carvão e permitir a formação dos produtos.
No processo de oxidação parcial é utilizado ar e, conseqüentemente, o gás resultante
contém uma quantidade considerável de N2. A oxidação parcial é uma reação exotérmica
(gera calor) e requer baixa temperatura, onde o excesso de vapor provoca a formação dos
produtos. A combinação dos dois processos é designada por "reforma autotérmica".
Utilizando-se, por exemplo, o gás natural como elemento de alimentação da célula a
combustível, pode-se representar a equação global de oxidação do metano (CH4) como
expressam as reações (1.17) a (1.19). A mistura gasosa proveniente da conversão do gás
natural é da ordem de 4/5 de H2 e 1/5 de CO2 [14].
224 H3COOHCH +→+
222 HCOOHCO +→+
2224 COOH2O2CH +→+
(1.17)
(1.18)
(1.19)
15
1.7.2 – Processo Eletroquímico e Conversão de Energia da Célula a Combustível
Há cinco tipos de células a combustível em desenvolvimento. O tipo de eletrólito e a
temperatura de operação distinguem cada tipo. As temperaturas operacionais variam desde a
ambiente até próximo de 1.000 ºC e as eficiências elétricas variam de 30 até mais de 50%.
Elas podem ter características de desempenho diferentes, vantagens e limitações.A partir
dessas premissas pode-se então definir o tipo de aplicação de geração.
Os diferentes tipos de eletrólitos são empregados em diversos tipos de células a
combustível, tais como AFC (Alkaline Fuel Cell), PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel
Cells), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) e SOFC
(Solid Oxid Fuel Cells).
A conversão de corrente contínua, produzida pela célula a combustível, em corrente
alternada é feita por meio de um inversor que, acompanhado de diversos equipamentos de
controle de tensão e freqüência, tem como objetivo final fornecer uma boa qualidade de
energia ao consumidor. Dependendo do tipo de aplicação empregada, o sistema de controle
pode ser simples ou mais sofisticado, ou seja, pode operar isolado ou conectado à rede de
distribuição de energia.
1.8 - Tecnologias Empregadas em Células a Combustível
Teoricamente, vários tipos de combustíveis podem ser utilizados. No atual estágio das
pesquisas, o hidrogênio é o que apresenta melhor rendimento. Hidrogênio pode ser gerado de
metanol, etanol, gás natural, propano e outros combustíveis hidrocarbonetos, ou por eletrólise
da água[15], [16], [17]. No momento atual de desenvolvimento das células a combustível, tenta-se
não utilizar o hidrogênio puro, devido ao seu alto custo e dependência de armazenamento.
A descrição de vários tipos de células a combustível, com suas respectivas
características de trabalho, pode ser vista na tabela 1.1.
16
Tabela 1.1 – Tipos de Células a combustível.
Tipo de Célula Sigla Eletrólito Temperatura de Operação (ºC) Reagentes
1. Ácido Fosfórico PAFC H3PO4 180 - 200 H2 de reforma/O2/Ar2. Eletrólito Polimérico Sólido PEMFC Nafion 70 - 100 H2 de reforma/O2/Ar
3. Alcalina AFC KOH (25-50%) 25 - 100 H2/O2
4. Carbonatos Fundidos MCFC K2CO3/
Li2CO3 600 - 700 Gás natural/Carvão
5. Óxido Sólido SOFC ZrO2/Y2O3 800 - 1.000 Gás natural/Carvão
1.8.1 - Ácido Fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cells - PAFC)
Este é o tipo de célula a combustível que está mais desenvolvido[3] comercialmente e
que se encontra em uso e em diversas aplicações, tais como hospitais, hotéis, edifícios,
escolas, etc. As células a combustível de ácido fosfórico têm eficiência superior a 40% na
geração de eletricidade e parte do vapor produzido é empregado na cogeração, podendo ser
observado um rendimento bastante alto, se comparado com o das máquinas de combustão
interna, que é de aproximadamente 30%. As temperaturas de operação encontram-se em torno
de 200 oC e este tipo de célula pode ser utilizado também em veículos pesados, como por
exemplo, ônibus. Sua faixa de aplicação em sistemas estacionários é da ordem de 5 – 500
kW[15], mas já foram testadas unidades capazes de gerar cerca de 1 MW de potência.
Este tipo de célula utiliza ácido fosfórico como eletrólito e os eletrodos são os mesmos
de difusão gasosa (EDG), confeccionados por partículas de carvão ativo, dopado com platina.
Algumas das principais características desse tipo de célula a combustível são:
• Aplicação somente estacionária;
• Eficiência elétrica de aproximadamente 42%;
• Insensíveis a CO até 1%;
• O combustível empregado pode ser o gás natural reformado;
• Maior desenvolvimento tecnológico;
• Temperatura média de operação de aproximadamente 200 °C;
• Potências elétrica e térmica aproximadamente de, por exemplo, 200 kW elétricos
e 200 kW térmicos; podendo ser qualquer potência.
17
Exemplificando uma aplicação desse tipo de célula a combustível, pode-se citar que,
enquanto um processo consome, por exemplo, 30.000 m3/h de gás natural, um sistema a
células a combustível de 200 kW, com uma eficiência total de 40%, consome apenas 50 m3/h
do mesmo combustível[4] para produzir o mesmo trabalho.
A reforma do gás natural, que ocorre dentro do reformador, tem como objetivo obter o
hidrogênio como gás combustível de alimentação da célula. As reações que ocorrem dentro
do reformador foram representadas anteriormente em (1.17), (1.18) e (1.19).
Em temperaturas baixas, o ácido fosfórico pode se tornar um mau condutor iônico,
ocasionando assim a contaminação da platina dos eletrodos com monóxido de carbono,
conhecido como envenenamento por CO.
Uma vantagem deste tipo de célula a combustível é a utilização de hidrogênio impuro,
ou seja, pode-se utilizar uma mistura de gases que contenham hidrogênio, como por exemplo,
o gás natural e de biomassa, tolerando, assim, concentrações de 1,5% de CO[4]. As
representações para esse tipo de célula já foram apresentadas anteriormente pelas reações
(1.1) a (1.3).
Um dos maiores projetos de células a combustível, é o Programa de Demonstração do
Departamento de Defesa dos Estados Unidos. Esse programa implantou cerca de 30 PAFCs
em uma variedade de aplicações inclusive fábricas, hospitais e hotéis[18]. Um valor típico de
custo de célula a combustível de ácido fosfórico oscila entre US$ 4.000,00 a US$
4.500,00/kW[19]. A maior célula a combustível sendo testada com essa tecnologia tem a
capacidade de geração de 11 MW e está localizada no Japão[4].
1.8.2 - Polímero Sólido ou Membrana de Troca de Prótons (Proton Exchange
Membrane Fuel Cells - PEMFC)
Estas células operam em baixas temperaturas, de aproximadamente 70 a 100 ºC, têm
alta densidade de potência, variam sua saída rapidamente para satisfazer trocas de demandas
de potência, e são adequadas para aplicações onde se requer uma demanda inicial rápida,
como acontece em automóveis.
A célula PEM pode ser considerada como a referência às células a combustível, tendo
como eletrólito uma membrana trocadora de prótons. Essa membrana é constituída pelo
polímero Nafion®. Este polímero é capaz de conduzir apenas os prótons na forma de íon
18
H3O+. Isso faz com que todos os elétrons envolvidos na reação sejam conduzidos pelo circuito
externo, ocorrendo o efeito desejado. A seguir apresenta-se a estrutura do Nafion, que é um
polímero perfluorado (átomos de flúor no lugar do hidrogênio) com grupos sulfonados
polares, como ilustra a figura 1.6.
Figura 1.6 - Fórmula Estrutural do Nafion.
O princípio básico de funcionamento de uma célula a combustível PEM é:
a) no anodo, as moléculas de hidrogênio perdem seus elétrons e formam íons de
hidrogênio (H+), processo que é realizado por meio de catalisadores7 de platina;
b) os elétrons tendem a migrar em direção ao catodo por meio do circuito externo, o
que produz eletricidade;
c) os íons de hidrogênio passam para o catodo pela membrana de troca de prótons, os
quais unem-se às moléculas de oxigênio e elétrons, para produzir água;
d) no processo não há contaminação, e os únicos resíduos são água e calor.
Um importante avanço tecnológico foi a impregnação da camada catalítica com
solução de Nafion®. Isto possibilitou a redução da carga de platina (Pt) necessária para o
mesmo desempenho, diminuindo-a de vários gramas para frações de miligrama por
centímetro quadrado. O custo da célula deixou então de ser determinado pela quantidade de
platina. Este tipo de célula apresenta as seguintes características:
• Maiores densidades de potência e a menor relação peso/volume, possibilitando
aplicações móveis;
19
• O gerenciamento do eletrólito é mais simples, porém o da água é mais
complicado;
• São sensíveis a CO;
• Trabalham em baixa temperatura (70 a 100 °C);
• São robustas.
Atualmente as PEM são as mais comercializadas e com custos mais baixos do que
qualquer outro tipo de célula. Também são as principais candidatas a aplicações em veículos,
edifícios e aplicações de pequeno porte. Espera-se que o uso destas células para o emprego
em veículos seja da ordem de US$ 400,00/kW[20]. Diversas unidades na faixa de 25 kW já
foram instaladas. Entre as empresas destacam-se a Ballard (Canadá), De Nora (Itália),
Siemens (Alemanha) e a empresa de energia da França (EDF), que trabalha
experimentalmente na faixa de 250 kW.
1.8.3 - Carbonato Fundido (Molten Carbonate Fuel Cells - MCFC)
As células a combustível de carbonato fundido que têm como eletrólito o K2CO3
tendem a mostrar-se com altas eficiências na relação combustível/eletricidade e tendências em
consumir combustíveis à base de carbono e que operam em temperaturas na ordem de 650 oC.
Em 1996 foram implantadas na Califórnia as primeiras células desse tipo para demonstração.
As suas principais características são[2], [4], [18]:
• Apresentam uma matriz de LiAlO2 em pó, a qual lhe confere consistência;
• Possuem misturas de carbonatos de carbonato de lítio (Li2CO3) ou carbonato de
potássio (K2CO3) que têm o ponto eutético8 entre 488 e 498 °C, e Li2CO3 ou
Na2CO3, que são menos volátil e mais condutora, porém com um ponto eutético
mais alto;
• Têm elevada eficiência teórica máxima;
• O combustível é o gás natural reformado;
• Trabalham a alta temperatura (aproximadamente 600°C);
7 É uma substância que aumenta a velocidade de reação, diminuindo a energia de ativação necessária para os reagentes atingirem o complexo ativado. 8 É o ponto de menor temperatura de fusão dos carbonatos, quando se variam as concentrações de um em relação ao outro.
20
• São insensíveis a CO;
• Suas aplicações são só estacionárias; potências na ordem de 200 a 300 kW;
• A reforma do gás natural se dá parcialmente na própria célula;
• Apresentam capacidade de cogeração: eletricidade e calor de processo.
As reações são apresentadas a seguir. No anodo o processo que envolve as reações
entre o hidrogênio e os íons de carbonato ( 23CO− ) do eletrólito produzem água e gás carbônico
( 2CO ), enquanto os elétrons são migrados para o anodo. No catodo, o processo combina
oxigênio e gás carbônico ( 2CO ), com produção de elétrons do íon ( 23CO− ) contidos no
eletrólito.
−− ++→+ 2eCOOHCOH 222
32 (1.20)
−− +→+ 2e2COCOCO 22
3 (1.21)
2322 2CO4eO2CO −− →++
_________________________________ (1.22)
OHCOOCOH 2222 +→++ (1.23)
Pode-se dizer que uma das vantagens deste tipo de célula é a transformação de gás
natural e biogás (gases ricos em metano) em hidrogênio, no interior do compartimento do
anodo, e também utilizar o CO como combustível[12]. A temperatura possibilita que as reações
sejam rápidas e eficientes, tendo como resultado a conversão direta do gás natural em vapor
d'água, dióxido de carbono, calor e eletricidade. A alta temperatura nas MCFC’s tem como
agravante a diminuição da resistência dos componentes da célula, reduzindo-se a sua vida útil.
Os esforços de desenvolvimento das MCFC’s estão voltados para reduzir os custos e
aumentar a vida dos componentes da célula em ambientes de alta temperatura dentro da
célula. Sistemas baseados em tecnologia MCFC estão sendo esperados para estar disponíveis
dentro de cinco anos, com custos variando de US$ 2.000,00 a US$ 3.000,00/kW. Os objetivos
de mercado para a tecnologia MCFC incluem os pequenos sistemas de geração distribuídos,
como também sistemas de cogeração em tamanhos de 0,1 a 2,0 MW[18].
21
1.8.4 - Óxido Sólido (Solid Oxid Fuel Cells - SOFC)
Este tipo de célula a combustível é altamente promissora, e pode ser utilizada em
aplicações de grande escala e alta potência, incluindo estações de geração de energia elétrica
em escala industrial. Alguns setores que desenvolvem este tipo de célula a combustível
também prevêem o seu uso em veículos. Uma célula de 100 kW foi projetada na Europa
(Westervoort - Holanda). Entre outras instalações está o sistema híbrido de 320 kW (SOFC e
turbina a gás) na Alemanha. Um sistema que utiliza a tecnologia de óxido sólido normalmente
utiliza um material cerâmico no lugar de eletrólito líquido, permitindo que a temperatura de
operação alcance 1.000 oC[21], e a eficiência de geração de energia possa alcançar cerca de
60% a 85%, quando agregada com a cogeração[10], [19] ,[22]. Um inconveniente deste tipo de
célula é o preço da substância que constitui o eletrólito (ZrO2/Y2O3) ser extremamente caro,
cerca de US$ 1.000,00/kW.
Nas reações a seguir, o hidrogênio ou o monóxido de carbono (CO) reage com os íons
óxidos (O2-) do eletrólito, produzindo água ou dióxido de carbono (CO2), depositando os
elétrons no anodo. Os elétrons migram para fora da célula a combustível por meio da carga, e
retornam ao catodo, por onde o oxigênio do ar aceita os elétrons e os converte em íons óxidos
para serem injetados no eletrólito. As etapas que envolvem as reações (1.24) e (1.25 anodo),
(1.26 catodo) e (1.27) e (1.28 geral) no anodo, interface anodo/catodo, no catodo, e geral para
esse tipo de célula são:
222 HCOOHCO +→+ (1.24) −+→+ e2OHOH 222 (1.25)
21/ 2O 2e O− −+ → (1.26)
OHOH 222/12 →+ (1.27)
1/ 2 2 2CO O CO+ → (1.28)
As SOFC’s podem utilizar o monóxido de carbono diretamente como combustível,
tolerando também o uso de combustíveis com maiores concentrações de enxofre. Este tipo de
célula combustível usa cerâmica e óxido de zircônio sólido como eletrólito. O eletrólito da
SOFC é formado por zircônia (óxido de zircônio) estabilizada com ytria, em uma membrana
de 50 a 150 μm. Os eletrodos das SOFC’s são sólidos e os materiais que se utilizam para a sua
confecção no atual estado da arte são: Cermet9, finamente disperso de ytria e zirconia
9 Partículas de níquel e zircônia da ordem de micrômetros.
22
estabilizada (de 0,1 a 1,0 μm) e Ni (de 5 a 10 μm) no anodo, e manganato de lantânio dopado
com estrôncio (La(Sr)MnO3). O eletrodo deve ser poroso, ter espessura de 200 μm e boa
mobilidade para O2- associada à condutividade eletrônica moderada. Esta última limita a
espessura de filmes finos, minimizando a resistividade lateral, no catodo[4], [15]. As principais
características de uma SOFC são:
• Cromito de Lantânio (LaCrO3). Este material é estável contra ataque oxidativo e
redutivo no potencial da célula e à temperatura de operação;
• Alta volatilidade do cromo (Cr), que contamina a zircônia;
• Alta eficiência teórica máxima;
• Aplicação estacionária;
• Possibilidade de uso de vários combustíveis primários (biogás, gás sintético, gás
natural, etc.);
• Trabalham a alta temperatura (de 800 a 1.000 °C);
• Reforma do combustível primário se dá parcialmente na própria célula;
• Capacidade de cogeração de eletricidade e calor de processo;
• Baixas emissões de NOx e SOx
• São insensíveis a CO e CO2.
Os dois tipos de SOFC empregados são as tubulares, que são fabricadas pela Siemens
Westinghouse Power (SWPC) e algumas empresas japonesas, e a planar, que continua sendo
fabricada em pequena escala, pelas empresas GE, Ceramatec, Ztek, etc. Com a redução de
custos, há uma grande tendência de competitividade na geração de eletricidade por parte das
células, com outras formas de geração de energia, além de que pode ser mais um vetor na
matriz energética de qualquer país.
De uma forma geral, tanto as SOFC quanto as MCFC podem funcionar com
hidrogênio puro, mas estas não foram desenvolvidas com este fim, pois esse combustível tem
seu custo alto e é de difícil manuseio. Como esses tipos de células trabalham com
23
temperaturas elevadas, o calor produzido pode ser aproveitado diretamente pelo reformador,
promovendo a aceleração das reações e a possibilidade de ser aproveitado em cogeração[4].
Os esforços para desenvolvimento das SOFCs estão enfocados em reduzir custo
industrial, melhorando a integração do sistema, e baixando a temperatura operacional para a
faixa de 550 a 750 oC[18].
1.8.5 - Alcalinas (Alkaline Fuel Cells - AFC)
Utilizadas desde muito tempo pela National Aeronautics and Space Administration -
NASA em missões espaciais, este tipo de célula pode alcançar cerca de 70% de eficiência na
geração de eletricidade. Até pouco tempo os custos para aplicações comerciais eram altos,
mas as empresas estão tentando diminuir esses custos e melhorar a flexibilidade em sua
operação.
Este tipo de célula combustível tem como eletrólito o hidróxido de potássio (KOH) em
fase aquosa, onde o íon hidroxila (OH-) é transportado pelo eletrólito. Os eletrodos utilizados
são do tipo eletrodo de difusão gasosa (EDG) e os gases de alimentação (H2 e O2) devem ser
puros. Hoje essas células usam metais nobres, 30 a 45% de hidróxido de potássio (KOH) e
operam de 60 a 80 °C e 1,0 a 2,0 atm, com potência na faixa de 0,3 a 5,0 kW; têm como
características principais à operação em meio básico, sendo que CO e CO2 têm caráter ácido.
Por isso, a presença destes elementos, mesmo em pequenas quantidades (quando da reforma
de combustíveis primários), provoca sua reação com os íons OH- transportados pelo eletrólito.
As reações químicas que ocorrem na AFC são descritas com a ajuda de (1.29) a (1.31).
Ocorrem quando os íons hidroxila (OH-) migram do catodo para o anodo. No anodo, o
hidrogênio reage com os íons (OH-) para produzir água e liberar elétrons. Os elétrons gerados
no anodo circulam pelo circuito externo, voltando logo após para o catodo, e os elétrons
reagem com o oxigênio e a água para produzir íons hidroxila para difundirem-se no eletrólito.
−− +→+ e2OH2)OH(2H 22 (1.29)
1/ 2 2 2 2( )O H O e OH− −+ + →
_________________________________ (1.30)
OHOH 222/12 →+ (1.31)
24
Algumas características da AFC são:
• Apresenta grandes aplicações no campo espacial,assim como notável avanço em
aplicações terrestres, móveis e estacionárias;
• Apresenta redução de O2 em presença de eletrólito alcalino, por ser mais
favorável do que em outros eletrólitos. Assim sendo, tem maior eficiência
energética;
• Apresenta alternativa à reforma de hidrocarbonetos como combustíveis
primários e à reforma da amônia (NH3) ou da hidrazina (N2H2), pois estas não
geram CO e CO2 residuais;
• Apresentam problema de formação de água no eletrólito devido à reação dos
gases de alimentação com os íons OH-. Este fato requer que se remova a água
excedente do eletrólito, porém mantendo o KOH. As formas mais comuns de
remoção se dão por meio de eletrólito circulante e eletrólito estático[4].
1.8.6 - Metanol Direto (Direct Methanol Fuel Cells - DMFC)
Este tipo de célula quebra a regra de designação por eletrólito, tomando a designação
do combustível utilizado: o metanol. O eletrólito normalmente utilizado neste tipo de células é
a membrana polimérica (PEM). São tecnologicamente distintas das restantes, pois trabalham a
baixas temperaturas e não utilizam o hidrogênio como combustível final, sendo, em vez do
H2, o metanol utilizado como combustível e diretamente alimentado à célula. No entanto,
estas células têm ainda alguns obstáculos a vencer. Para obterem correntes elevadas, é
necessária uma quantidade excessiva de platina, e o metanol atravessa do anodo para o catodo
através da membrana, diminuindo a eficiência energética da célula. Conseguem converter
mais de 34% da energia contida no metanol em energia utilizável, o que é um rendimento
superior aos que se conseguem em motores a gasolina. Neste tipo de células a combustível
não ocorre oxidação do hidrogênio. A grande vantagem das DMFC é que utilizam metanol
como combustível líquido.
Nas células mais modernas, eletrólitos baseados na condução de prótons através de
membranas poliméricas são cada vez mais utilizados, desde que sejam compatíveis com as
pressões e temperaturas de funcionamento. As reações são descritas de (1.32) a (1.34):
25
−+ ++→+ e6H6COOHOHCH 223 (1.32)
OH3e6H6O 222/3 →++ −+
________________________________ (1.33)
3 3 / 2 2 2 2CH OH O 2H O CO+ → + (1.34)
Ao gerar a corrente elétrica, o metanol (CH3OH) é oxidado eletroquimicamente no
anodo para produzir elétrons que passam para o catodo através do circuito externo, onde são
consumidos com o oxigênio na reação de redução, mantendo-se o circuito através da
condução de prótons para o eletrólito.
1.8.7 - Regenerativas (Regenerative Fuel Cells - RFC)
A RFC tem como conceito básico situar-se entre uma célula a combustível e uma
bateria, pois o sistema é baseado no armazenamento e fornecimento de energia. As células a
combustível regenerativas[23], [24] foram recentemente desenvolvidas para aplicações de
produção de energia elétrica, fazendo uso da eletrólise da água, com a vantagem de ser uma
forma de energia completamente limpa. Produzem hidrogênio através de água líquida e de
energia elétrica proveniente de fontes renováveis. O hidrogênio assim produzido é
armazenado e posteriormente utilizado como combustível em uma célula a combustível de um
dos tipos descritos anteriormente. A água, enquanto subproduto da produção elétrica da célula
a combustível, pode ser novamente utilizada para a eletrólise. As RFC’s, na verdade, não são
um dispositivo de produção de energia. O sistema é baseado numa tecnologia de
armazenamento e fornecimento de energia.
O sistema fechado das RFC’s tem a vantagem de permitir a instalação de um sistema
de células a combustível sem necessidade de infra-estrutura (grandes tanques de
armazenamento) para o hidrogênio. A energia requerida pela eletrólise é elevada, implicando
no aumento do tamanho dos equipamentos ou diminuição da potência dos equipamentos.
As reações eletroquímicas entre os eletrólitos, por exemplo, sais de brometo de sódio
ou vanádio e polisulfato de sódio, que ocorrem dentro da célula em compartimentos para cada
eletrólito, separados por uma membrana de troca de íons, são as responsáveis pelo
fornecimento de energia elétrica. Os dois tanques são responsáveis por armazenar os
eletrólitos (sais) e, por meio de bombas, são levados até a célula propriamente dita, onde
26
ocorre à produção de energia elétrica. A capacidade de armazenamento de energia é limitada
pela dimensão e quantidade de depósito para o eletrólito. Quanto mais horas de fornecimento
de energia, maior deve ser o sistema de armazenamento. Esse tipo de célula é ilustrado na
figura 1.7.
Figura 1.7 - Esquema de Funcionamento de uma Célula a Combustível Regenerativa.
1.9 - Aplicações Principais
Nos anos 1960 e 1970, houve um grande impulso no desenvolvimento de células a
combustível, com maior interesse de aplicação em geração de eletricidade, principalmente
quando o programa espacial norte americano escolheu as células a combustível em lugar de
geração nuclear e solar, o que na época era bastante oneroso. Devido ao agravamento da crise
do petróleo, que levou ao problema energético mundial, o interesse no desenvolvimento de
células a combustível tornou-se maior, pois as células demonstravam excelente desempenho
nas missões espaciais. Entretanto, pelo seu alto custo, desestimulavam qualquer tentativa de
aplicação terrestre. Mesmo assim, começaram a ser estudadas e vistas como um sistema
viável para aplicações em larga escala, por suas vantagens e características[25].
Dentro de um enfoque mais amplo, nota-se o emprego da tecnologia de células a
combustível em diversos sistemas com variados tipos de aplicação, tais como geração de
eletricidade para diversas aplicações (hospitais, residências, pequenos comércios, etc.),
aplicações em transportes (veículos terrestres e marítimos), aplicações espaciais, e também
está sendo avaliada para aplicações em telecomunicações, dentre outras.
Devido ao atual estágio de desenvolvimento e às diversas vantagens apresentadas
pelas células a combustível, principalmente na variedade de opções de combustível de
alimentação, que pode ser obtido de diversas formas, além da possibilidade de sua associação
com outras fontes de energia, fez com que os Estados Unidos anunciassem a grande
27
importância das células a combustível serem alimentadas com hidrogênio obtido diretamente
a partir do gás natural, com o uso integrado do carvão por meio da gaseificação[26].
Segundo Steinfeld et all[26], para demonstrar a aplicação da célula a combustível com
outras fontes de energia, a FuelCell Energy Inc. (FCE), contando com o apoio do
Departamento de Energia dos Estados Unidos, estava construindo uma planta de geração de
energia com uma célula de 2,0 MW, a partir do gás derivado do carvão com base tecnológica
na Direct Fuel Cell (DFC) e a partir desse projeto, denominado “carvão limpo”, demonstrar o
emprego da gaseificação integrada com célula a combustível, na geração de energia.
Pode-se verificar alguns exemplos de aplicação de células a combustível instaladas
mundialmente por diversas empresas do ramo, conforme mostrado na tabela 1.2.
Tabela 1.2 - Fabricantes e Aplicações de Célula a Combustível
Fabricante/Distribuidor Descrição UTC (IFC/ONSI) Cerca de 200 sistemas de 200 kW instalados em todo o mundo Plug Power/GE Sistema de 7,0 kW com aplicação residencial - EUA Siemens Westinghouse Sistema SOFC de 250 kW - Noruega Plug Power (H-Power) Sistema PEMFC de 10 kW – EUA Fuel Cell Energy Vários sistemas experimentais de 0,3 MW e 3,0 MW Ballard Power Systems Sistema de 250 kW – Alemanha
1.10 - Comparação com Outras Tecnologias Alternativas
Em uma breve comparação de tecnologia de células a combustível com outras
tecnologias de geração de energia elétrica, pode-se dizer que o impacto desse sistema de
geração de energia sobre o meio ambiente é mínimo[2]. Tomando como exemplo automóveis
movidos a partir de células a combustível, em fase de testes, se comparados com automóveis
elétricos movidos a baterias, oferecem algumas vantagens sobre estes últimos, pois podem ser
reabastecidos de combustível rapidamente, e sua autonomia é maior do que a de carros
elétricos. Também, os carros movidos a células a combustível produzem pouca emissão de
poluentes.
Com relação à eficiência, a maioria das células a combustível produz mais energia
elétrica com menos combustíveis que os sistemas de geração de energia baseados em
máquinas térmicas. Alcançam eficiências superiores a 50%, mesmo em tamanhos
relativamente pequenos (5,0 - 10 kW). Quando os sistemas híbridos [18] empregam as células a
combustível como uma das fontes geradoras, podem alcançar cerca de 75% de eficiência,
contribuindo assim para a redução das emissões de gases que provocam a mudança climática
28
e o efeito estufa por cada kWh gerado. Podem também, de certa forma, reduzir a dependência
dos combustíveis fósseis.
Uma comparação de eficiência e emissão de poluentes de células a combustível
integradas com gaseificação e/ou turbina com outros sistemas de geração de energia pode ser
realizada com base nas figuras 1.8 e 1.9[2], [18], [26]. Além dos benefícios ambientais, as células
a combustível produzem praticamente nenhuma emissão de contaminantes (NOx, SOx, CO e
hidrocarbonetos) com baixo nível de ruído[2], [18], e apresentam características que possibilitam
a geração distribuída [20].
Analisada a figura 1.8 nota-se que a eficiência das células a combustível operando
isoladas é da ordem de 40% a baixa temperatura, 60% em alta temperatura e chegando até
mesmo na ordem de 75% se acopladas com turbinas, em tamanhos de até 50 MW. Na figura
1.9, observa-se a baixíssima emissão de poluentes associada aos sólidos em suspensão,
quando as células a combustível estão integradas à gaseificação.
Figura 1.8 - Comparação de Sistemas de Células
a Combustível com outras Fontes[2].
29
Figura 1.9 – Comparação de Impacto Ambiental de Célula a Combustível
Integrada com Gaseificação com outras Fontes de Geração[26].
Os sistemas de geração de energia baseados em células a combustível, quando
comparado com outras tecnologias, podem satisfazer as necessidades essenciais, contribuir
para o aumento de potência e preservar o meio ambiente[17], conforme recomendado pela
Conferência de Kyoto, em 1997. Além de algumas vantagens já apresentadas anteriormente,
podem-se destacar outras, como[4]:
• Alta eficiência energética;
• Alta confiabilidade;
• Baixo ou nenhum nível de emissão, isto é, quase nenhum poluente; muito baixo
impacto ambiental;
• Versatilidade de potências, podendo variar de alguns kW até MW;
• Pode utilizar reagente renovável;
• Possibilidade de geração descentralizada, isto é, microgeração;
• Possibilidade de cogeração, dependendo do tipo de célula a combustível;
• Possibilidade de construção modular, conferindo grande flexibilidade;
• São mais silenciosas que os motores a combustão interna.
30
Também, podem-se listar algumas desvantagens das células a combustível, tais como:
• Alto custo;
• Não vale a pena ter geração de alta potência, como a de uma grande usina hidrelétrica,
pois não há ganho de escala;
• Necessidade de reforma de alguns combustíveis primários para a obtenção de
hidrogênio.
1.11 - Conclusão
De forma bem sucinta, as células a combustível são dispositivos eletroquímicos
capazes de converter a energia química armazenada nos elementos químicos (H2, CH4,
CH3OH, etc.) em eletricidade, calor e água.
As células a combustível classificam-se conforme o tipo de eletrólito utilizado,
podendo ser agrupadas conforme a faixa de temperatura. As células a combustível de baixa
temperatura são as alcalinas, as de polímero sólido e as de ácido fosfórico. As que apresentam
elevada temperatura são as de carbonato fundido e de óxido sólido.
As AFC’s utilizam o KOH como eletrólito e foram utilizadas no programa espacial
americano. As PAFC’s utilizam como eletrólito o H3PO4 em alta concentração. No momento,
são as mais desenvolvidas para aplicações estacionárias (produção de energia). As MCFC’s
utilizam como eletrólito o LiCO3 ou o KCO3 estabilizados com AlO2. Essas células chegam a
alcançar 50% de eficiência elétrica ou até 70%, quando integradas com outras fontes de
geração de energia elétrica. As PEMFC’s utilizam como eletrólito uma membrana trocadora
de prótons, o Nafion. Essas células possuem potências variando de 50 a 250 kW e são as
principais candidatas a serem utilizadas em veículos e pequenas aplicações residenciais. As
SOFC’s utilizam um material de óxido sólido como eletrólito (ZrO2). Esse tipo de célula
alcança eficiência na ordem de 70%, com seus protótipos atingindo potências de até 1,0 MW,
e permitindo realizar a reforma interna do combustível.
O principal combustível das células é o hidrogênio, podendo ser fabricado de várias
formas. Entre elas está o reformador de misturas gasosas que contenham o hidrogênio.
Os custos de fabricação das células a combustível ainda são elevados, limitando dessa
forma a sua penetração no mercado de energia.
31
As primeiras três unidades de células a combustível vendidas pela empresa
International Fuel Cell (IFC), hoje UTC (United Technologies Company), para o Brasil,
foram instaladas pelo LACTEC/PR, com uma potência instalada de 200 kW cada.
32
Capítulo 2
Aplicação da Geração de Energia Elétrica via Célula a Combustível
2.1 - Princípios Utilizados
Dentre as tecnologias de desenvolvimento de células a combustível, as mais
promissoras e adequadas para geração de energia elétrica são as de baixa temperatura de
operação: membrana polimérica (PEMFC) e ácido fosfórico (PAFC) e as de altas
temperaturas: óxido sólido (SOFC) e carbonato fundindo (MCFC). Com grande perspectiva
de crescimento e avançado desenvolvimento tecnológico estão as células a combustível do
tipo membrana polimérica (PEMFC) para geração de eletricidade de vários kW de potência
para residências.
Das unidades que estão em operação, o preço do kW está em torno de US$ 3.000,00,
para células a combustível do tipo (PAFC)[4]. Segundo Ellis et all[18], uma célula a
combustível empregada para uma aplicação em edifício comercial típico, onde o fator de
carga elétrica é 50% e onde 30% da energia térmica disponível da célula a combustível pode
ser usada para aquecimento, com um valor de custo do gás natural a US$ 0,176/m3 e um preço
de célula a combustível de US$ 1.000,00/kWe, esse sistema pode produzir eletricidade a um
preço abaixo de US$ 0,08/kWh que é competitivo com a distribuidora de energia em muitas
regiões dos EUA.
Mais de 200 sistemas do tipo PAFC de 200 kW elétrico e 260 kW térmico a uma
temperatura de 60 oC e com dimensões de aproximadamente 3 m de largura, 5,5 m de
comprimento e 3 m de altura já foram instalados em todo o mundo. Embora estejam em uma
fase inicial de desenvolvimento, os sistemas SOFC’s de 100 kWe e sistemas MCFC’s também
estão sendo desenvolvidos[18].
As tecnologias como AFC utiliza o H2, como combustível, enquanto que as PAFC,
SOFC e MCFC podem utilizar mistura gasosas como combustível. As células que utilizam
misturas gasosas (CO, CO2, hidrocarbonetos e vapor d’água), gás natural, metanol, etc, como
combustível necessitam de uma reforma interna para a mistura gasosa e que pode ser feita
dentro da própria célula, ou seja, dentro do corpo da célula (para altas temperaturas de
33
operação) e com auxílio de um reator químico separado da célula pode-se ter o
aproveitamento para as células a combustível que operam em baixas temperaturas. As reações
(hidrocarbonetos) podem ser observadas a seguir, nas reformas do metano e hidrocarbonetos,
respectivamente. As reações de reforma[27] e oxidação do metano e reforma de
hidrocarbonetos podem ser vistas por meio das reações anteriormente citadas (1.17), (1.18) e
(1.19). Na reforma do gás deve prevalecer uma mistura composta de aproximadamente 4/5 de
H2 e 1/5 de CO2, com baixo teor de CO, ou seja, menor que 1%[15].
222nm2n H)nn2(nCOOH2HC ++→+ reforma de hidrocarbonetos (2.1).
Nos Estados Unidos e Europa, projetos de desenvolvimento de células a combustível
estão crescendo na área de aplicações estacionárias por parte de empresas de energia elétrica
para geração distribuída. As células a combustível, quando usadas em aplicações de geração
distribuída[20], evitam os custos e perdas de distribuição de energia quando está associada com
a geração centralizada. A Ballard desenvolveu uma célula a combustível de 1 kW alimentada
com gás natural para suprir as necessidades básicas tanto de eletricidade quanto de calor em
residências. As primeiras unidades dessas células foram lançadas no mercado a partir de
2004[28].
Hoje as células a combustível alcançam eficiências até 90% quando o calor liberado é
utilizado para outros fins[29]. Com as eficiências aumentadas, permite-se reduzir custos e
eliminar perdas de transmissão e/ou distribuição, implicando em serviços mais eficientes
capazes de atender o consumidor. Os benefícios ambientais das células a combustível são
algumas das principais razões que estimulam seu desenvolvimento. Estes benefícios incluem
em zero ou quase zero as emissões [2] de contaminantes (NOx, SOx, CO e hidrocarbonetos)
com um baixo nível de ruído [18].
A participação das células a combustível na geração distribuída, vem merecendo seu
destaque ao uso do gás natural como combustível de alimentação, que aliada ao reformador
do gás integrado ao sistema, oferecem uma forte sustentação às fábricas que utilizam-se de
turbinas a gás de ciclo combinado integradas às células a combustível.
Com o atual estágio de desenvolvimento tecnológico das células a combustível, com
promessas para um futuro próximo, reduzir drasticamente os custos, presença na aplicação de
diversos setores, principalmente residencial e com tendência de descentralização no setor
elétrico brasileiro com a entrada em vigor da Lei 10.384, que criou, entre outros, o Programa
34
de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (Proinfa), percebe-se em breve que as
células a combustível, principalmente as de baixa potência, serão bastante competitivas no
mercado de geração distribuída.
Em aplicações distantes sem acesso a gás natural, como é o caso da região amazônica,
as células a combustível para geração de eletricidade podem operar com uma variedade de
combustíveis primários entre os quais metanol, metano, propano, ou outros álcoois; elementos
estes, contidos na biomassa. Pode-se, também, optar, por exemplo, pela mistura gasosa
proveniente da gaseificação da biomassa.
O uso de carvão, biomassa, metanol, etanol, ou outros hidrocarbonetos como
combustíveis primários podem alimentar perfeitamente as células a combustível de óxido
sólido e de carbonato fundido, pois podem oxidar carbono e hidrogênio no compartimento do
anodo. Estudo realizado por SILVEIRA[30] mostra bons resultados com o uso de metano e
etanol em células a combustível do tipo carbonato fundido.
Para cada tipo de célula a combustível, pode-se configurar o sistema nos diversos
segmentos de mercado com características variáveis. Cada um dos vários tipos de célula a
combustível podem ser configurados em um sistema que enfoca nos segmentos de mercado
favoráveis às suas características. A figura 2.1 identifica o atual segmento do mercado mais
procurado por sistemas de célula a combustível, as metas de custo para cada um dos
mercados, e os tipos de célula a combustível que tendem para um mercado particular. A
construção de células a combustível de baixa temperatura estão sendo voltadas para
aplicações portátil, residencial e de transporte. As células de carbonato fundido e de óxido
sólido (temperaturas mais altas) que são de alta eficiência, estão enfocando nas aplicações de
geração estacionária de grande porte (10 a 50 MW). Acredita-se que sistemas de célula a
combustível de pequeno porte enfrente o problema de maior custo; no entanto penetração no
mercado e produção em massa será exigida para superar o desafio de custo[2].
35
Figura 2.1 - Mercado de Aplicações de Vários Tipos de Células a Combustível[2].
2.2 - Aspectos Relacionados com os Insumos para a Alimentação da Célula
O Brasil tem seu papel importante pela substituição dos combustíveis derivados do
petróleo por outras formas de geração de energia. Direcionar esforços no sentido de produzir
energias alternativas a partir de matérias primas nacionais e renováveis, com equipamentos e
tecnologias brasileiras e a custos de produção relativamente vantajosos, são algumas das
prioridades dentro do contexto nacional. Já existe uma certa tradição no emprego dos recursos
renováveis no Brasil, onde a lenha, o bagaço de cana e o carvão vegetal contribuem com cerca
de 30% do consumo energético nacional.
Dentre as diversas maneiras de alimentação de células a combustível, o gás natural
apresenta-se bastante cotado para esse fim. Em locais onde existe a exploração do gás natural,
é bastante conveniente, dependendo da necessidade energética, poder optar pelo tipo de
geração por meio de células a combustível. No entanto, para a aplicação em questão, o gás
natural requer primeiramente a sua exploração e transporte até os centros consumidores.
Contudo assumindo-se que a maioria das localidades da Amazônia não tenha acesso, em curto
prazo ao gás natural, pode-se então optar pela alimentação via gaseificação e/ou biodigestão
de resíduos regionais para a obtenção do gás combustível. A mistura de gases proveniente da
gaseificação/biodigestão é uma mistura de hidrocarbonetos, sendo o hidrogênio e o metano
(CH4) os principais elementos de interesse.
O CO2 também está contido na mistura gasosa, porém dependendo do tamanho do
sistema, grandes potências, pode-se optar por eliminar ou não o CO2[31]. Mas, o processo de
eliminação torna o custo mais elevado, devendo-se então fazer uma avaliação de
36
custo/benefício, pois eliminando-se o CO2 pode-se obter um oxidante rico, resultando em
aumento de tensão da célula[30].
2.3 - Caracterização do Condicionamento por meio de Gaseificação e/ou Biodigestão
A diversidade de biomassa existente na região amazônica é bastante vasta. Conta com
as mais variadas espécies de rejeitos abandonados pela grande maioria de empresas
exploradoras de madeiras, castanha-do-Pará, coco da Bahia, cacau, entre outros, que poderiam
ser aproveitados de forma a não agredir o meio ambiente e, principalmente, utilizar na
geração de energia para pequenas comunidades. A forma desse aproveitamento de resíduos
pode, também, contribuir na diminuição de CO2, lançado na atmosfera por empresas que
utilizam o grupo gerador diesel como forma de geração de energia. Outras biomassas também
podem ser aproveitadas para esse fim, como por exemplo, o aguapé e o esterco de animais.
Com uma grande diversidade de biomassa existente na região do Estado do Pará,
pode-se, com estudo prévio, obter grande sucesso na escolha da biomassa como insumo
primário para a gaseificação, que em seguida, a massa gasosa gerada, servirá de combustível
de alimentação da célula a combustível, como pode ser visto em BARRETO[32], que utiliza
um sistema híbrido de célula a combustível de óxido sólido (Siemens Westinghouse) e uma
micro-turbina a gás (Natural Resources Education Center - NREC).
Notadamente, o potencial das células a combustível no Brasil é o de sistemas de
geração de energia elétrica de 5,0 kW a 200 kW para atendimento de pequenas cargas, em
especial do tipo residencial rural, podendo, ainda ser aplicado em instalações bancárias,
hospitais, aeroportos, etc [33].
Segundo o Balanço Energético Nacional 2005 (BEN) [34], ano base 2004, o consumo
energético residencial correspondeu a 248,38 TWh. Somente o setor residencial consumiu
aproximadamente 93,9 GWh de lenha no ano de 2004, representando um aumento de 18,6%
da produção em relação ao ano de 2000. No Estado do Pará foi verificado um consumo
residencial de eletricidade de 1.658 GWh, o que representa 40,89% de todo o consumo da
Região Norte. No setor de consumo final de energético de biomassa (incluindo bagaço de
cana, lenha, outras fontes primárias renováveis, carvão vegetal e álcool), o Brasil alcançou o
valor de 53.356 mil TEP10.
10 Tonelada equivalente de petróleo.
37
Assim, o mercado para as células a combustível de baixa potência tem um grande
poder de penetração, principalmente, nas zonas rurais, por se tratar de grandes indicadores de
elevado potencial de biomassa, principalmente na Região Norte, onde as características
intrínsecas contribuem para a modularidade das células e flexibilidade no uso de combustíveis
para alimentação do gaseificador e posteriormente integrá-la com a célula a combustível. Com
o uso de biomassa, abundante na região, pode-se contribuir para a expansão do setor de
geração de energia elétrica, apresentando certas vantagens de se produzir energia in loco, não
necessitando de armazenamento como na maioria das outras fontes de geração de energia
elétrica. Dependendo de incentivos do governo, as células a combustível passariam a competir
com outras tecnologias como a solar fotovoltaica e a eólica que se encontram mais
desenvolvidas.
2.4 - Conclusão
Foram apresentados os cinco principais tipos de células a combustível mais adequadas
para a geração de energia. Elas variam desde pequenas potências (1 kW) até grandes
potências (200 kW), por exemplo. Os seus custos, ainda nessa fase de amadurecimento
tecnológico, podem variar de US$ 3.000,00 a US$ 7.000,00.
As células a combustível podem ser consideradas muito importantes na integração de
sistemas híbridos de geração de energia, também podem ser aliadas a sistemas de gaseificação
e biodigestão, por exemplo, onde há disponibilidade de recursos renováveis de biomassa.
A integração da célula a combustível com sistemas híbridos (solar, eólico,
gaseificação e biodigestão – por exemplo) aumentariam consideravelmente a relação
custo/benefício, devida a alta eficiência de conversão das células a combustível, como
conseqüência um maior avanço tecnológico dessas fontes.
No atual desenvolvimento tecnológico das células a combustível, os custos são ainda
bastante altos, além da indisponibilidade do combustível de alimentação (H2). A grande
maioria das células a combustível é alimentada por gás natural e havendo possibilidade de
estudo/instalação na região amazônica, Estado do Pará onde não há o gás natural disponível
canalizado e/ou industrializado, opta-se pelo hidrogênio extraído da biomassa local. No
entanto, espera-se nesse estudo, mostrar a viabilidade de funcionamento das células a
combustível alimentada por insumos da região, ainda que os custos iniciais sejam altos, pois,
38
de certa forma, poucas alternativas de geração são apropriadas, sem grandes impactos, no
tocante à emissão de CO2.
Em geral, as comunidades da região Amazônica têm como características principais o
isolamento, o difícil acesso, o abastecimento precário de energia elétrica, quando há, por meio
de grupos geradores diesel, entre outras. No entanto apresentam vastas áreas de plantio e
grande disponibilidade de diversas biomassas que podem servir de suporte à sustentabilidade
da solução proposta. Essa biomassa pode ser aproveitada para a geração de energia de
diversas formas, entre as quais a gaseificação e a biodigestão.
39
Capítulo 3
Alimentação da Célula com Insumos da Região, por
Meio da Gaseificação e Biodigestão
3.1 – Aspectos Gerais da Gaseificação
A biomassa como fonte de energia tem uma conotação moderna dentro do contexto
energético e abrange todo tipo de matéria orgânica de origem animal ou vegetal. Não
obstante, a biomassa, mais especificamente a madeira, constituiu a fonte básica de energia
para a humanidade. Hoje, pode-se concretizar esta como sendo uma fonte alternativa de
energia, para tanto se devem aplicar os conceitos e conhecimentos técnicos-científicos para
obter uma série de benefícios que esta fonte pode proporcionar.
O processo de conversão mais eficiente da energia da biomassa em energia final,
contando todas as perdas de energia na produção de gás combustível, ocorre por meio da
gaseificação da biomassa com posterior utilização do gás combustível[35]. Desta forma,
considerando-se que as eficiências totais da gaseificação estão na faixa de 50% a 80% e
integrando-se com as células a combustível, ter-se-ia grandes vantagens desse sistema
integrado em relação a outros, principalmente em relação à eficiência energética.
A integração do gaseificador com a célula a combustível oferece grandes vantagens,
sendo que o resíduo final gerado (vapor aquecido), dependendo da célula, pode ser usado para
o pré-aquecimento da biomassa utilizada no gaseificador, como também ajuda no pré-
aquecimento do ar utilizado na célula. Normalmente a eficiência do sistema é melhorada
usando-se os produtos de saída de um sistema na alimentação do outro. O gaseificador que
utiliza o oxigênio a baixa pressão, é o que oferece as melhores condições para tal fim, por
gerar baixo teor de gás metano, não sendo necessário utilizar o reformador interno[36].
As indústrias madeireiras, serrarias e movelarias, produzem resíduos a partir do
beneficiamento de toras. Os tipos de resíduos produzidos são casca, cavaco, pó de serra,
maravalha e aparas. As indústrias de alimentos e bebidas produzem resíduos na fabricação de
sucos e aguardente (laranja, caju, abacaxi, cana de açúcar, etc), no beneficiamento de arroz,
40
café, trigo, milho (sabugo e palha), coco da baía, amendoim, castanha-de-caju, etc[37]. Assim,
com todo esse rejeito desperdiçado, pode-se incorporar sistemas de aproveitamento –
gaseificadores, - de resíduos diversos para fins de produção de energia elétrica, tanto para
alimentação da própria indústria, como também para atendimento de residências e pequenos
núcleos urbanos.
Atualmente os processos avançados de gaseificação baseados em leito fluidizado,
apresentam-se como promissores na geração de gases limpos na produção de energia em
ciclos combinados. Desta forma, nota-se um grande potencial energético que pode ser
extraído da biomassa existente em abundância na região. Contudo, resta apenas aproveitá-la
de forma racional para a geração de energia elétrica e de certa forma contribuir para a
diminuição de gases poluentes lançados na atmosfera.
3.2 – Sistema de Gaseificação
O gaseificador[38], [39], [40], [41] é essencialmente um forno, onde se oxida (queima)
madeira ou carvão em condições controladas, tendo como meio oxidante oxigênio (ou ar) e
vapor d’água. As principais reações [42] de processamento podem ser vistas a seguir:
a) Combustão do Carbono
22 COOC ↔+ (3.1).
b) Gaseificação do Carbono
CO2CCO2 ↔+ (3.2);
22 HCOCOH +↔+ (3.3);
222 H2COCOH2 +↔+ (3.4);
42 CHH2C ↔+ (3.5).
A reação de shift (monóxido de carbono e água) também ocorre dentro do
gaseificador, servindo para ajustar a relação hidrogênio/monóxido de carbono. Além das
reações citadas, a ocorrência da reação de metanação (monóxido de carbono e hidrogênio) é
realizada em etapa separada na produção de gás de síntese.
A composição dos gases e as velocidades em que estas reações ocorrem dependem das
condições de operação do gaseificador, da pressão, da temperatura, do tipo de forno de
gaseificação. O gás produzido em sistemas de gaseificação é utilizado como combustível
41
diretamente, ou como matéria-prima para síntese de produtos químicos (metanol ou amônia,
por exemplo). A composição molar dos gases produzidos no processo de gaseificação varia
com o tipo de gaseificador empregado e a espécie da mistura oxidante.
Os gaseificadores podem, em geral, ser agrupados didaticamente em duas categorias:
leito fixo (fluxo contracorrente e fluxo co-corrente) e leito fluidizado.
Os gaseificadores tipo leito fixo, caracterizam-se pelo fato de se ter o combustível
“empilhado”, descendo gradualmente à medida que é consumido. A cinza é retirada pela parte
inferior, e a biomassa é introduzida pela parte superior. É um sistema convencional de
gaseificação.
O gaseificador em co-corrente apresenta uma importante vantagem de forçar os
pirolenhosos a passar pela área de gaseificação, craqueando-os. A biomassa entra por cima e o
ar entra em um ponto intermediário (zona de combustão)[43], [44], [45] e desce no mesmo sentido
da biomassa Os gases depois de passar pelo processo de redução, saem sem entrar em contato
com a biomassa que está entrando, trocando apenas calor para auxiliar o processo de pirólise.
A figura 3.1 ilustra o esquema de um gaseificador em co-corrente.
Figura 3.1 – Esquema Ilustrativo de um Gaseificador Co-Corrente.
No gaseificador co-corrente (chama invertida), os gases quentes produzidos na zona de
reação são removidos pela base juntamente com as cinzas. A biomassa é introduzida no topo e
o comburente introduzido a uma altura pré-determinada do corpo do reator. Com isso os
produtos de pirólise são obrigados a atravessar a zona de reação onde sofrem craqueamento
térmico.
A biomassa depois de gaseificada pode produzir cerca de 60 % de alcatrão que pode
ser craqueado (quebrado) para formar o gás. No gaseificador co-corrente parte do oxigênio é
usado para queimar o alcatrão formado e obter-se um gás com baixo teor de alcatrão. Os
42
componentes e o percentual em volume após a gaseificação a partir da madeira podem ser
vistos conforme tabela 3.1[43], [44], [45].
Tabela 3.1 - Composição Típica do Gás Produzido a Partir de Madeira em Gaseificador de Chama Invertida.
COMPONENTES VOLUME (%) CO2 10 – 15 CO 17 – 22 H2 16 – 20 CH4 2 – 3 CnHm 0,2 - 0,4 N2 45 – 50 PCS (kcal/m3)/(kJ/m3) 1.200 – 1.400/ 5.760 – 5.852
A denominação contracorrente provém do fato de que a carga (biomassa) e o agente
gaseificante entram por extremidades opostas do gaseificador, sendo o sentido de fluxo da
biomassa oposto ao do agente gaseificante. No gaseificador contra corrente o produto (gás
combustível) é retirado pela parte superior e os agentes gaseificantes ar (ou oxigênio) são
injetados pela parte inferior (base) do gaseificador[42], que pode ser observado com a ajuda da
figura 3.2.
Figura 3.2 - Esquema Ilustrativo de um Gaseificador Contracorrente.
No gaseificador em contra corrente (chama direta), os gases quentes produzidos na
zona de reação atravessam os sólidos que descem em contra corrente e promovem a pirólise11
e a secagem destes últimos. Esse processo é o mais simples, uma vez que surgiu do uso da
madeira como carga do gaseificador concebidos para carvão mineral. Os componentes e o
percentual em volume após a gaseificação a partir da madeira podem ser vistos conforme a
tabela 3.2. O gás produzido sai pela parte superior do gaseificador, após atravessar a carga de
biomassa que desce em direção à zona de reação. Com a passagem deste gás quente, a
11 é queima da biomassa na ausência do ar.
43
biomassa passa pelas fases de secagem e pirólise. Em verdade, o que é gaseificado na zona de
reação é o carvão vegetal formado nas regiões superiores do gaseificador.
Tabela 3.2 - Composições Típicas de Gases Produzidos de Madeira em Gaseificadores de Chama Direta.
CARACTERÍSTICAS DA MATÉRIA-PRIMA
GALHOS CAVACOS
Umidade (%) 36,0 36,9 Cinzas (%) 0,8 0,9 Poder Calorífico Superior - PCS (kcal/kg)/(kJ/kg)
3.000 12.540
2.800 11.704
Composição do Gás (%) CO2 6,6 10,0 O2 0,2 0,6 CO 29,0 21,0 H2 13,0 18,2 CH4 4,2 3,6 N2 47,0 46,6
Os gaseificadores tipo leito fluidizado[42], caracterizam-se por utilizar a biomassa em
partículas de pequenas dimensões (5,0 a 7,0 mm), mantidas em suspensão através da injeção
do meio gaseificador (ar ou oxigênio e vapor) que passa pelo leito a uma velocidade suficiente
para fluidizá-lo. A temperatura de saída do gás é aproximadamente 900 oC. Como se trabalha
com partículas de pequeno tamanho, o tempo de residência é reduzido (inferior a 1 minuto), o
que leva a se conseguir elevada produção de gás com vasos de dimensões relativamente
reduzidas. Devido o tipo de tecnologia ser bastante sofisticada e onerosa, esse gaseificador é
somente utilizado a partir de uma potência instalada de 10 MW[46].
Em geral a biomassa utilizada em gaseificadores requer alguns cuidados no seu
manuseio, pois o teor de cinzas e o grau de umidade determinam sua utilização para a
gaseificação. Altos teores de cinzas provocam obstruções nos interiores dos gaseificadores e
um elevado grau de umidade afeta diretamente o poder calorífico inferior. Assim sendo o
ideal é se trabalhar com o teor de 20 a 30 % de umidade[42].
3.3 - Biomassa para Gaseificação
3.3.1 - Madeira
Um breve comentário sobre a análise química elementar mostra que a madeira é
constituída, aproximadamente, de 50% de carbono, 6% de hidrogênio e 44% de oxigênio, e
44
que se mantém mais ou menos constante independente da espécie, diferenças genéticas ou
idade. Quimicamente a madeira é heterogênea constituindo principalmente de três polímeros -
celulose, hemicelulose e lignina12 - numa proporção aproximada de 50:20:30. Outros
componentes da madeira em menor quantidade e de baixo peso molecular chamados
extrativos, são encontrados na casca que engloba terpenos, óleos essenciais, resinas, fenóis,
taninos, graxas e corantes que podem ser vistos nas figuras 3.3 e 3.4.
CELULOSE 40 - 50%
LIGNINA 30 - 40%
H O X%2
CELULÓSE
O
O
O O
OO O
OH
OH
OH
OH
OH
OHCH2OH
CH2OHCH
2OH
Figura 3.3 - Principais Constituintes da Madeira.
COMPOSIÇÃOQUÍMICA
COMPONENTESCELULÓSICOS
COMPONENTES
NÃO CELULÓSICOS
HEMICELULOSE
CELULÓSE
LIGNINA
OUTROS
COMPONENTES
ÁCIDO URÔNICO
PENTOSES XILOSEARABINOSE
HEXOSES GLICOSEMANOSEGALACTOSE
SOLÚVEIS EM SOLVENTES OUEM VAPOR
TERPENOSQUINONASÓLEOSRESINASALCALÓIDESTANINO
INSOLÚVEIS PROTEÍNASSUBSTÂNCIAS PÉCTICAS
SAIS MINERAISCALCIOMAGNÉSIOPOTÁSSIO
Figura 3.4 - Principais Componentes da Madeira.
Durante a gaseificação da madeira, ocorrem reações químicas muito complexas e, que
dependem da temperatura. Portanto, pode-se representá-la da seguinte forma:
Madeira + Calor Carvão Vegetal + Vapores Condensáveis + Gases Incondensáveis.
12 É a parte central e mais densa da madeira.
45
Os vapores condensáveis estão formados por água, alcatrão, ácido acético e álcool. Os
gases incondensáveis estão representados, principalmente, pelo dióxido de carbono,
monóxido de carbono, hidrogênio.
A madeira a ser usada como carga de gaseificador normalmente está sob a forma de
pedaços cortados de 10 a 20 cm de comprimento e até 15 cm de diâmetro aproximadamente
ou peletizada (briquete). Pode ser utilizada também lenha picada, sob forma de cavacos de 3 a
5 cm de comprimento. A madeira reduzida à serragem não deve ser utilizada, a não ser
adicionada (até um máximo de 20% em peso) a cargas de maior granulometria.
A composição dos gases e a produção concomitante de combustíveis sólidos (carvão)
e líquidos condensáveis (pirolenhoso e alcatrão) depende dos seguintes fatores:
• Tipos de equipamento;
• Forma de fornecimento de energia ao processo;
• Tipo de matéria orgânica utilizada;
• Tempo de retenção.
Em algumas espécies vegetais, o teor de umidade na madeira recém cortada pode
atingir mais de 50% do peso total. Se o material for utilizado imediatamente para a produção
de gás, haverá grande perda de eficiência térmica na transformação, pois a água contida no
material consumirá grande parte do calor para se evaporar. Grande parte da umidade contida
na madeira é facilmente eliminada por secagem ao ar, com redução do teor de umidade a 25 -
30%, permitindo desta maneira, o seu uso em gaseificadores. O gás de carvão obtido usando-
se vapor-oxigênio como mistura gaseificante é ainda conhecido como combustível de médio
poder calorífico, estando seu poder calorífico superior na faixa de 2.500 a 4.000 kcal/m3
(10.450 a 16.720 kJ/m3).
O poder calorífico superior (PCS) da madeira está em torno de 4.700 a 5.000 kcal/kg
(19.646 a 20.900 kJ/kg), onde o fator que contribui com a diminuição da eficiência da
madeira como combustível é o teor de umidade que pode atingir até 100 % do peso da
madeira seca. A seguir, mostra-se na tabela 3.3 alguns combustíveis e seus respectivos
poderes caloríficos[47], [48], [49], [50], [51].
46
Tabela 3.3 - Combustíveis com seus Respectivos Poderes Caloríficos.
Combustível Poder Calorífico (kcal/kg) (kJ/kg)
Parafina 10.400 43.472 Óleo Combustível 9.800 40.964 Carvão Vegetal 7.100 29.678 Madeira Seca 4.700 19.646 Lignito 4.000 16.720 Madeira (25 - 30 % de umidade) 3.500 14.630
Segundo o levantamento do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento -
PNUD [52] em 2001, cerca de 24.120,7 m3 de madeira em tora comercializadas na região
amazônica, somente cerca de 56 % é aproveitada para fins comerciais, ou seja, cerca de
10.627,7 m3 (44 %) não tem aproveitamento algum. Isso representa um grande potencial a ser
explorado para fins energéticos que pode ser aproveitado como, por exemplo, na gaseificação
integrada com a célula a combustível para geração de energia elétrica. Deste volume total,
somente o Estado do Pará contribuiu com cerca de 11.000 m3 de madeira [53], e somente 53,96
% teve seu aproveitamento para fins comerciais, o que representa um nicho a ser explorado
em favor do aproveitamento de resíduos madeireiros. Ainda com referência ao potencial
energético de resíduo florestal, a região Norte apresenta um potencial de aproximadamente 13
MW[53].
3.3.2 – Coco da Bahia
O coqueiro (Cocus nucifera L.) é uma espécie de palmeira que foi introduzida no
Brasil, aproximadamente, no ano de 1.553 oriunda da Ásia. Comumente existem duas
espécies de variedades que são a gigante e a anã. A espécie gigante tem como característica
principal, começar a produzir somente a partir de seis anos e meio, enquanto que a anã tem
seu começo de produção a partir de dois anos e meio, gerando em média 70 e 120
frutos/planta/ano, respectivamente.
O fruto produz uma casca (parte fibrosa), seca, que pode ser empregada na confecção
de cordas, chapéus, tapetes e encosto de cabeça de veículos. O óleo extraído pode ser
utilizado nas indústrias alimentícia, cosmética, saponácea, etc. A parte mais densa produz um
carvão de coque bastante utilizado em fornos de altas temperaturas. Pois, é esta parte que será
alvo de estudo para alimentação do gaseificador, seguido da célula a combustível.
A casca do coco da baía apresenta um potencial para geração de energia de 5,71 MW
na região Norte e o Estado do Pará representando com 4,33 MW dessa produção total[53].
47
3.3.3 – Cacau
A árvore do cacau (Theobrama cacao) tem sua origem, provavelmente, próxima aos
Rios Amazonas e Orinoco. O cacau é uma espécie nativa da floresta úmida dos Estados
Unidos.
Hoje o cacau é encontrado na Venezuela, Equador, Colômbia, México, Brasil e
Guianas. Sendo que a partir do Brasil foi introduzido na África (São Tomé, Príncipe e
Fernando Pó) e posteriormente em outros países, entre eles a Malásia que detém cerca de 70%
da produção mundial de cacau.
No Brasil, somente por volta de 1746, é que o cacau foi levado do Estado do Pará para
a Bahia. Por volta do ano de 1957, auge da crise do cacau, foi criada pelo governo federal a
Comissão Executiva do Plano de Recuperação Econômico Rural da Lavoura Cacaueira –
CEPLAC, com a finalidade de recuperar e racionalizar a plantação (lavoura). Segundo dados
da CEPLAC, a produção de cacau em grão no Estado do Pará, no período de 2001/2002, foi
de 20.113 toneladas, cerca de 12,79% da produção brasileira.
Uma árvore de cacau chega a produzir em média 35 frutos/ano, com peso aproximado
de 500 gramas por fruto, que se apresenta constituído de casca (400 g) e sementes (100 g),
segundo dados obtidos em SILVA[54]. Tomando-se com base que cada hectare (ha) plantado,
pode produzir 6 toneladas (ton) de cascas frescas, isso representa que nessa área, pode ser
produzidos cerca de 15.000 frutos, ou distribuídas aproximadamente 428 plantas. É
conhecido, também, que a árvore do cacau produz o ano inteiro, tendo algumas variações nos
meses de outubro e dezembro (baixa safra) e abril a julho (período de alta produção).
A casca do cacau é constituída de aproximadamente 77,4%[54] de umidade,
significando que para fins de aproveitamento energético, seria recomendado um sistema
(linha de vapor) de secagem prévia, antecedendo sua alimentação no gaseificador. Segundo
SILVA, o tempo de secagem da casca do cacau, alcançou cerca de 6 a 7 horas, com teor de
umidade de cerca de 9,9%. O PCS alcançou valores da ordem de 16,7 MJ/kg, sendo
compatível com capim (18,5 MJ/kg), palha de trigo (17,6 MJ/kg) e madeira (17,6 MJ/kg)[55].
Em CARIOCA [55], na utilização de resíduos agrícolas, lenha ou qualquer outro tipo de
biomassa, requer um teor de umidade abaixo de 65% para ser utilizado em gaseificador. Pois,
um teor acima desse valor será prejudicial, observado o gasto de parte da energia na retirada
48
do vapor d’água. Valores adequados ao bom funcionamento do gaseificador apontam para 20
a 30% de umidade[42].
3.3.4 – Outras Biomassas
Além das biomassas já descritas anteriormente, vale ressaltar que a região Norte conta
com um potencial energético de bagaço de cana-de-açúcar de 1,97 MW dependendo do tipo
de tecnologia empregada. O Estado do Pará apresenta-se com o maior valor percentual, cerca
de 72 % do potencial de geração no período de 2000 a 2001. Em 1999, os resíduos agrícolas
como casca de arroz foi estimado em 32,54 MW, com o Estado do Pará representando 9,0
MW (27,65 %) do total e a casca de castanha de caju apresentou um valor 1.275,31 toneladas
(73 %) da produção paraense de 1.747 toneladas[53].
3.4 - Dimensionamento do Gaseificador
Devido às comunidades da região Norte apresentarem suas características próprias
intrínsecas da região, como baixa concentração de carga com aproximadamente de 20 a 70
residências por vila, disporem de ampla variação de biomassa, área suficiente para o plantio
de espécies e ou disponibilidade de recursos energéticos e, ainda pelo mercado de
gaseificadores ser muito baixo no Brasil (vender por encomenda) e não disponibilidade de
parâmetros característicos do equipamento, optou-se por escolher um gaseificador de baixa
potência.
Para efeito de estudos desprezaram-se alguns parâmetros do gaseificador por não estar
disponível, mas com a potência a sua eficiência e o poder calorífico da biomassa a ser
gaseificada, pode-se calcular a quantidade de biomassa necessária para a sua alimentação. A
partir do que foi exposto e tomando-se como base um gaseificador de fluxo cruzado, com
potência de 15.000 kcal/h, aproximadamente 17 kW, uma eficiência de 50 %[56] e um poder
calorífico inferior (PCI) de 3.000 kcal/kg, pode-se obter a massa de biomassa necessária para
alimentação desse gaseificador pela equação 3.6. Para esse gaseificador em questão, a massa
de biomassa necessária para alimentação é de 10 kg/h.
bQm
*PCI=η
(3.6),
onde:
mb: a massa de biomassa necessária (kg/h)
49
Q: potência do gaseificador (kcal/h)
PCI: poder calorífico inferior da biomassa (kcal/kg)
η : eficiência do gaseificador.
Os cálculos dos calores de pirólise, de recuperação, de combustão, sensível e de
redução não foram levados em consideração individualmente. Na realidade o estudo que se
pretende no gaseificador é a gaseificação de biomassa para a produção do gás de alimentação
da célula a combustível, não se preocupando com os devidos controles de calores em cada
etapa que ocorrem dentro do gaseificador.
3.5 – Sistema de Biodigestão
A definição mais clara de biodigestão é o processo de conversão biológica anaeróbica,
por meio de microorganismos em determinadas condições dentro de biodigestores, entre os
mais difundidos tem-se o chinês e o indiano. O biogás resultante da fermentação anaeróbica
(ausência de ar) em meio aquoso, em temperatura entre 20 e 55 ºC e pH adequado é um gás
inflamável, constituído geralmente por 30 % – 70 % de metano (CH4) e outros gases com
baixas concentrações e como produto efluente da biodigestão tem-se o fertilizante[57]. Dados
que compõem a mistura gasosa contida no biogás podem ser vistos na tabela 3.4[58].
Tabela 3.4 – Composição Gasosa do Biogás.
COMPOSIÇÃO MÉDIA DO BIOGÁS
Metano 55 % a 65 %
Dióxido de Carbono (CO2) 35 % a 45 %
Hidrogênio (H2) 1 % a 10 %
Nitrogênio (N2) 0,5 % a 3 %
Oxigênio (O2) 0,1 %
Ácido Sulfídrico (H2S) Traços
Monóxido de Carbono (CO) 0,1%
50
3.5.1 - Biogás
O gás metano é o principal componente do biogás, é incolor, inodoro e insípido. Os
outros gases em concentrações como o gás sulfídrico (H2S) confere em ligeiro odor de ovo
podre (púdrito). O biogás não é tóxico, mas age sobre o organismo humano, diluindo o
oxigênio (O2), é bastante estável e não é solúvel em água, liquefaz-se a uma pressão de 140
atmosferas (atm) e possui um poder calorífico de 5.800 kcal/m3 (24,244 MJ/m3)[59], podendo
seu poder calorífico ser aumentado por meio da purificação, retirada do dióxido de carbono
(CO2), por meio de filtração, chegando ao valor de 8.100 kcal/m3 (33,850 kJ/m3)[60], podendo
ser comparado com o gás natural que tem se poder calorífico entre 33 e 38 MJ/m3[61].
O biogás possui suas características energéticas e, portanto se pode fazer a
equivalência de 1 m3 de gás com os combustíveis mais usuais e alguns resíduos orgânicos,
conforme a tabela 3.5[60], [62].
Tabela 3.5 – Equivalência Energética do Biogás
1 m3 Biogás
0,61 litros de gasolina 0,58 litros de querosene 0,5 kg de gás liquefeito de petróleo - GLP 0,79 litros de álcool combustível 1,538 kg de lenha 1,428 kWh de energia elétrica 0,55 litros de óleo diesel 20 kg lixo urbano 2,5 kg resíduos secos vegetais 14,3 kg resíduos sólidos de frigorífico
3.5.2 - Digestão Anaeróbica
Várias são as bactérias que atuam no processo, porém as que produzem o CH4 são
chamadas de bactérias metanogênicas cujo grau de temperatura é de 35 a 36 ºC (mesofílicas)
e acima de 45 ºC (termofílicas). Para que a digestão se desenvolva são necessárias as
seguintes condições:
a) Impermeabilidade ao ar;
b) Temperatura de aproximadamente 35ºC;
c) Teor de água suficiente, ou seja, 90 a 100% do peso do conteúdo de biomassa;
d) Início do processo em meio ácido;
51
e) Final do processo em meio neutro;
f) Manter uma boa relação C/N em 30:1 ou 25:1.
O processo digestivo empregado na fermentação da matéria orgânica no biodigestor,
consta de três fases principais que pode ser vista na figura 3.5. As reações químicas (3.7),
(3.8) e (3.9) que descrevem cada fase do processo podem ser vistas a seguir[63]:
a) Conversão por hidrólise enzimática dos polímeros em monômeros solúveis;
Substâncias complexas são transformadas em substâncias simples, nessa
transformação há um predomínio de bactérias que decompõem carboidratos, gorduras e
proteínas.
612625106 )( OHCnOHnOHC n →+ (3.7)
b) Conversão dos monômeros em ácidos orgânicos (ácido-gênese) principalmente o ácido
acético;
Nesta fase as substâncias simples são transformadas em substratos para as bactérias
atuantes (facultativas), formando o ácido acético (CH3COOH), propiônico (CH3CH2COOH),
fórmico (HCOOH), acetatos (CH3COOR) e hidrogênio (H2), liberando CO2 e H2O.
222236126 22)( HCOCOOHCHCHOHC ++→ (3.8)
c) Decomposição dos ácidos orgânicos pelas bactérias metanogênicas na produção de metano.
Esta fase, também conhecida como gaseificação, ocorre quando os ácidos formados
anteriormente são metabolizados pelas bactérias metanogênicas (gaseificantes), ocorrendo por
meio do H2 que fornece energia e conseqüente diminuição de CO2.
OHCHHCOCOCHCOOHCH
2422
243
24 +→++→
(3.9)
52
Figura 3.5 – Processo Digestivo em um Biodigestor.
O resíduo da biodigestão anaeróbica (fermentação) é chamado de biofertilizante,
geralmente está livre de microorganismos causadores de doenças, não possui odores
desagradáveis, pH variando de 7 a 8,5 e possui cerca de 2% de Nitrogênio (N), 1,5% de
Fósforo (P) e 1% de Potássio (K), podendo ser utilizado como fertilizante em lavouras.
3.5.3 - Biodigestores
A classificação dos biodigestores pode ser quanto ao tipo de carregamento, em
contínuos e descontínuos, e quanto ao tipo básico pode ser indiano e chinês. Geralmente,
prefere-se optar pelo biodigestor contínuo, por facilitar o carregamento diário, pois o volume
de entrada é igual ao volume de saída (biofertilizante). O biodigestor modelo indiano possui
como característica, uma campânula flutuante, chamada de gasômetro, sobre o líquido contido
no biodigestor. Por apresentar o gasômetro flutuante (móvel), o biogás produzido está a uma
pressão constante. A sua construção é em alvenaria e na confecção do gasômetro utiliza-se,
geralmente chapas de aço; a figura 3.6 ilustra um modelo de biodigestor tipo indiano. Já o
biodigestor tipo chinês é construído em alvenaria e possui um tanque de armazenamento
(cúpula) de biogás, em forma de abóbada; a figura 3.7 ilustra um biodigestor do tipo chinês.
O custo de produção de biogás varia de 0,024 – 0,036 US$/kWh[46], e o custo do
biodigestor, em função de seu volume construtivo, foi determinado para diversas instalações e
ajustado segundo a equação (3.10)[64]:
3B BT BTC 830.(0,298 0,076.V 5,8x10 .V )−= + − (3.10)
onde, CB é o custo do biodigestor (US$) e VBT é o volume do biodigestor (m3).
53
Figura 3.6 - Biodigestor Indiano.
Figura 3.7 – Biodigestor Chinês
3.6 – Biomassas para Biodigestão
A matéria-prima utilizada nos biodigestores pode ser a mais variada possível, no
entanto dependendo do tipo empregado pode ser formado um gás com maior ou menor
quantidade de metano. Se o material é rico em fibras deve-se proceder a uma pré-fermentação
que leva de 2 a 10 dias. O número de dias que uma determinada mistura permanece num
biodigestor chama-se tempo de fermentação ou tempo de retenção. Na relação
carbono/nitrogênio C/N, o carbono encontra-se sob a forma de carboidratos e o nitrogênio
como principal elemento das proteínas, portanto C e N são os principais elementos utilizados
pelas bactérias. Em um processo de biodigestão anaeróbica a relação C/N = 30 deve ser
mantida, pois o carbono é utilizado para a obtenção de energia e o nitrogênio contribui para a
formação de estruturas celulares, pois as bactérias atuantes consomem o carbono
aproximadamente 30 vezes mais rápido que o nitrogênio[60]. Entre os diversos resíduos
orgânicos empregados pode-se citar:
54
a) Esterco: bovino, suíno e etc.;
b) Palha de arroz;
c) Capim;
d) Sabugo de milho;
e) Aguapé;
f) Lixo;
g) Esgoto;
h) outros.
O aguapé é uma planta aquática encontrada nos rios da Amazônia que prolifera muito
rapidamente, sendo considerada em alguns casos como uma “praga”. Sabe-se, no entanto, que
na verdade é uma planta que despolui os rios, serve também como alimento de peixes e outros
animais, além de ser uma excelente biomassa que pode ser utilizada na produção de biogás.
Segundo estudos realizados pelo Instituto de Pesquisa da Marinha – IPqM mostraram
que um metro quadrado de plantação de aguapé produz cerca de 18 litros de biogás por dia, 1
kg de aguapé seco pode produzir aproximadamente 350 a 410 litros de biogás, além de
produzir o biogás com 80 % de metano (CH4). O aguapé tem uma produtividade muito boa,
pois somente com duas plantas são necessários 23 dias para gerarem, em média, 300 e em 120
dias reproduzirem cerca de 1.400 plantas[59].
Algumas biomassas utilizadas em biodigestores podem ser vistas em função da
disponibilidade por fonte e as suas respectivas produções de biogás estão contidas na tabela
3.6[64], [65]. Alguns dados de consumo diário de biogás para fins residenciais podem ser visto
na tabela 3.7[60].
Tabela 3.6 – Fontes de Resíduos e Produção de Gás.
Fonte Esterco (kg/dia) m3/kg m3/dia Bovinos 10 0,0367 0,367 Gansos e Perus 0,23 0,1 – 0,16 0,023 – 0,0368 Fezes Humanas 0,4 – 0,23 0,0707 0,0283 – 0,013 Suínos 2,25 0,0792 0,1782 Galinhas 0,18 0,0628 0,0113 Aguapé (base seca) 1 0,35 0,35
55
Tabela 3.7 – Consumo de Biogás.
Utilização do Biogás Consumo do Biogás Cozinha 0,24 - 0,33 m3/pessoa dia Iluminação 0,07 - 0,28 m3/lampião hora Eletricidade (1 kWh) 0,62 m3 Motores 0,424m3/cv hora Geladeira 1,8 - 2,5 m3/dia Boca de Fogão 0,165 - 0,18 m3/hora
3.7 - Dimensionamento de um Biodigestor
Para dimensionar um biodigestor deve-se primeiramente fazer uso do levantamento
das necessidades diárias de biogás )/( 3 diamVG , que pode ser feito de posse dos dados
contidos na tabela 3.7, por exemplo.
O cálculo do volume de biogás por hora ( hGV / ) pode ser calculado por meio da
equação (3.11), dividindo-se esse volume pelo período de 24 horas do dia, então:
24// GhG VV = (3.11)
Na concepção do projeto de um biodigestor modelo indiano, usa-se uma parede
divisória, facilitando a entrada e saída da mistura (água e resíduo) geralmente na ordem de
50% para cada. Então o cálculo do volume do biodigestor pode ser calculado por meio da
equação (3.12):
diaGB VV /*2= (3.12)
Ao volume do biodigestor já calculado, deve-se acrescentar seu valor em 10% para
garantir a produção de biogás calculada[63], então o volume total do biodigestor é definido
pela equação (3.13).
%10+= BBT VV (3.13)
O biodigestor modelo indiano é construído em local pré-determinado (escolhido) em
baixo do nível do solo em forma cilíndrica. Geralmente, opta-se por um valor entre 3 e 6
metros para altura da parede divisória (h) que serve de direcionamento do fluxo da mistura e
acrescenta-se 0,3 metros como medida de segurança. O cálculo para determinar a altura do
biodigestor (H) pode ser determinado com a equação (3.14).
3,0+= hH (3.14)
56
Com a determinação da altura do biodigestor, então se define o seu diâmetro interno,
que pode ser calculado através da equação (3.15) que emprega a fórmula do cilindro.
( )4
2 hDV iBT
π= (3.15)
O diâmetro externo do gasômetro pode ser determinado com base no diâmetro interno
do biodigestor, considerando uma tolerância de 0,06 metros de folga para o livre movimento
do gasômetro, logo o diâmetro externo do gasômetro pode ser calculado por meio da equação
(3.16):
06,0−= ie DD (3.16)
Determinado o diâmetro externo do gasômetro, pode-se então definir a sua altura (hg)
por meio da equação (3.17), representada a seguir.
( )4
2ge
G
hDV
π= (3.17)
A altura da parede divisória (hpd) pode ser calculada com os dados da altura arbitrada
(h) e altura do gasômetro (hg), a essa altura acrescenta-se 0,3 a 0,6 metros, como margem de
segurança, conforme a representação da equação (3.18):
3,0+−= gpd hhh (3.18)
Finalmente, pode-se calcular o volume de carga diária (Cd) a ser inserida no
biodigestor, onde se deve levar em consideração o tempo de retenção da mistura a ser
fermentada, geralmente o valor está compreendido entre 30 e 40 dias, logo se pode definir o
Cd pela equação (3.19).
R
Bd T
VC = (3.19)
3.8 - Conclusão
A tecnologia de célula a combustível está em processo de desenvolvimento, pois vai
desde protótipo, baseada em pesquisa, até mercados comerciais aplicados às indústrias e
residências. Os diversos tipos de células a combustível podem ser configurados com outros
sistemas de forma a se ter um segmento de mercado adequado as suas características.
57
Como os sistemas a células a combustível são modulares e eficientes até em tamanhos
pequenos, logo em locais onde a carga instalada, em princípio, é baixa, pode-se suprir o
aumento de demandas com a inclusão de novas unidades de células a combustível. Esse fato é
marcante em regiões de baixa demanda energética, mas com grande tendência a aumentar,
logo após a instalação de qualquer fonte de geração de energia para uma dada localidade.
Caso como esse pode ser comparado com localidades da Região Amazônica.
Então, sistemas a células a combustível integrados com a gaseificação e/ou
biodigestão, em especial, de biomassa, desponta para uma das soluções de geração de energia
elétrica para a região Amazônica, que é rica em resíduos ainda não aproveitados para tal fim.
A biodigestão de resíduos apresenta-se como uma ótima opção de geração de gás aos
sistemas de células a combustível, conforme a indicação de estudos já realizados por diversos
autores.
Hoje os gaseificadores existentes e mais usuais são os de leito fixos e os de leito
fluidizados. No Brasil a tecnologia de gaseificação ainda encontra-se em fase de
desenvolvimento e análise de projetos, principalmente os de grandes potências. Para os
gaseificadores de capacidades menores projetados para o atendimento de pequenas demandas,
apresentam um estágio tecnológico com um certo grau de avanço, contudo, também requerem
uma avaliação em seu estágio de desenvolvimento.
Na região Amazônica o uso de gaseificador/biodigestor integrado a célula a
combustível seria, também, uma ótima opção de geração de energia para pequenos núcleos
populacionais, pois existem diversas biomassas disponíveis nos mais variados locais,
deixando de ser, para alguns pesquisadores, um grande problema de disponibilidade de
biomassa local. As células a combustível, neste caso, apresentam–se bastante apropriadas
nesse processo de adequação e apropriação de conversão de tecnológica para o biogás, onde
se pode alcançar cerca de 30 – 40 % de eficiência em faixas de potências de 5 – 20 kW e com
baixo custo de operação e manutenção.
Alguns métodos de purificação dos contaminantes do gás de saída do biodigestor e
gaseificador serão apresentados no capítulo 4, de maneira a obter-se um produto limpo que
possa servir de alimentação para as células a combustível.
58
Capítulo 4
Métodos de Eliminação de Impurezas nos Gases Produzidos nos Processos de Gaseificação e Biodigestão
4.1 – Apresentação de Algumas Impurezas
O gás gerado a partir da gaseificação e da biodigestão contém um certo teor de
monóxido de carbono e gás sulfídrico, que são considerados venenos muito perigosos para o
catalisador utilizado em célula a combustível do tipo PEM, além do teor de umidade contido
no gás proveniente da biodigestão que deve ser eliminado. Neste caso, há necessidade de se
empregar equipamentos ou métodos para a eliminação do monóxido de carbono, gás
sulfídrico e umidade antes de entrar na célula a combustível. O dióxido de carbono (CO2) é
outro gás contido nos gases provenientes da gaseificação e da biodigestão que não
necessariamente necessita de ser eliminado, pois atua como um gás inerte, ou seja, não
interfere sobre o catalisador, por exemplo, de platina (Pt).
Dependo de alguns fatores, os alcatrões aparecem no gás de gaseificação com maior
ou menor teor de concentração e de alguma forma devem ser eliminados. Os alcatrões são
compostos orgânicos de caráter aromático presentes no gás de gaseificação, exceto os
hidrocarbonetos (C1 – C6). O percentual de alcatrão gerado na gaseificação, depende das
características da biomassa (tipo e tamanho da partícula, por exemplo), da temperatura, da
pressão, da velocidade de aquecimento da biomassa e do tempo de residência. No entanto, a
temperatura é um fator fundamental na geração de alcatrão; quanto maior a temperatura,
menor é a concentração de alcatrão.
4.2 – Limpeza dos Gases
Em geral a limpeza dos gases (alcatrão e CO) provenientes da gaseificação de
biomassa é feita por meio de processos para separar os alcatrões do gás, podendo ser efetuado
por meio físico e por processos que convertem os alcatrões em H2, CO e hidrocarbonetos
leves não condensáveis. A separação física dos alcatrões pode ser feita pela lavagem do gás
por via úmida (utiliza-se água como líquido de lavagem, podendo alcançar até 70 % de
eficiência), pela filtragem do gás (onde o elemento filtrante é feito por partículas geradas na
gaseificação – resíduos de carbono), por filtros eletrostáticos (sendo necessária a condensação
59
prévia dos alcatrões), por craqueamento térmico a alta temperatura (emprega-se temperatura
acima de 1.100 ºC) e pelo uso de catalisadores suportados em níquel (Ni) (é utilizado um
reator secundário em série com o gaseificador).
Em estudos laboratoriais recentes realizados com células a combustível do tipo PEM
mostram que o hidrogênio pode conter até 100 ppm de monóxido de carbono (CO). Essas
pesquisas envolvem a oxidação catalítica de óxido de cobalto (CoO), utilizando liga de platina
(Pt) no anodo com outros metais como rutênio (Ru), estanho (Sb), molibdênio (Mo) e outros
metais nobres como o ouro (Au), usando liga de platina/rutênio com pequenas quantidades de
peróxido de hidrogênio (H2O2) como portador de oxigênio (O) para hidratar a membrana[66].
Na prática não pode passar de 30 ppm.
Diversos pesquisadores também já propuseram métodos para a avaliação de
catalisadores para a oxidação de hidrogênio e monóxido de carbono trabalhando com platina e
partículas de platina/rutênio apoiados em carbono coberto com filme de Nafion e apontam
para ótimos resultados na inserção de hidrogênio impuro[67] na alimentação de células PEM.
4.3 – Remoção Ácida
A remoção ácida do gás (S e CO2) é necessária em sistemas de geração de energia que
utilizam células a combustível do tipo PEM, pois os catalisadores não toleram o enxofre. O
óxido de zinco é o sorvente mais utilizado na retenção de enxofre, contudo outros materiais
como o óxido de ferro e o óxido de cobre também são utilizados. Um outro método de
remoção de enxofre é feito pela utilização da reação de Claus, que será tratada mais
adiante[68]. O teor de CO2 contido no biogás pode ser retido por meio de borbulhamento em
água, melhorando desse modo o poder calorífico do biogás e aumentando o teor de metano.
4.4 – Remoção de Umidade
A remoção da umidade (H2O, H2S e CO) que influencia diretamente no processo de
combustão e no poder calorífico, pode ser feita através da simples passagem do biogás em
tubo parcialmente cheio de óxido de cálcio (CaO), também conhecido como cal virgem, mais
adequado para o CO2.
Ainda com relação à retirada da umidade, o Programa de Uso Racional de Energia e
Fontes Alternativas (PUREFA) da Universidade de São Paulo (USP) em seu projeto de
biodigestor, utiliza um filtro do tipo peneira molecular para reter a umidade e um outro
60
contendo limalha de ferro para reter a umidade e o gás sulfídrico (H2S), atingindo valores
menores que 1 ppm (partes por milhão) ou 1 %.
Pode-se ainda eliminar ao gás sulfídrico por meio de borbulhamento em solução de
nitrato de chumbo (Pb (NO3)-2) ou hidróxido de sódio (NaOH), obtendo-se um precipitado
negro, sulfeto de sódio (Na2S), e eliminando–o por meio de filtragem simples. A reação (4.1)
a seguir ilustra a proposição citada.
2 2 22NaOH H S Na S 2H O+ → + (4.1).
O processo Claus[69], ou reação de Claus como é mais conhecida, é o meio de
recuperação de enxofre (S) mais utilizado na indústria onde a mistura gasosa contém o H2S,
principalmente de processos de dessulfuração de gases.
A descoberta do processo de recuperação de enxofre se deu pelo químico inglês Carl
Friedrich Claus para recuperar o enxofre que era consumido na linha de produção de
carbonato de sódio (Na2CO3). O processo Claus é constituído, basicamente, de duas fases
distintas, uma térmica (câmara de combustão)[70] e outra catalítica, conforme ilustrado na
figura 4.1.
Figura 4.1 – Processo Claus.
No inicio do processo ocorre a fase térmica com injeção de ar para então ocorrer a
oxidação do H2S, em seguida a esta etapa, o sulfito (SO2) é formado para poder ocorrer a
formação do enxofre. As outras etapas que ocorrem se dão na fase catalítica e mais enxofre é
formado. As reações (4.2) e (4.3) que descrevem o processo são apresentadas a seguir, o
61
enxofre na forma Sx (alotrópica13)[71] é afetado diretamente pela temperatura e x é a
representação numérica de 1 a 8.
2 2 2 23H S O SO H O2
+ ↔ + (4.2).
2 2 232H S SO Sx 2H Ox
+ ↔ + (4.3).
Um dos métodos empregados para eliminar o CO, é o uso de reatores a baixa
temperatura onde emprega um catalisador contendo uma mistura de óxido de cobre (CuO) e
óxido de zinco (ZnO), além de outros compostos como óxido de cromo (CrO) e óxido de
ferro (FeO) atuando como estabilizadores e óxido de alumínio usado como suporte. Esse tipo
de reator opera em faixa de temperatura de 190 a 260 ºC que é o limitante para a desativação
térmica do catalisador de cobre. Os reatores de baixa temperatura utilizam o catalisador de
óxido de zinco, em compartimento separado, para proteger-se de compostos de enxofre, como
por exemplo, o gás sulfídrico.
Quando há a necessidade de maior quantidade de hidrogênio a partir de uma mistura
gasosa, o reformador deve conter mais de um estágio, com o objetivo de se conseguir mais
vapor a uma temperatura mais baixa (370 Cº), dando condições de equilíbrio. Esse tipo de
configuração, mais de um estágio, mais uma etapa intermediária de resfriamento é adotada em
situação de alta concentração de CO e serve também para evitar a elevação de
temperaturas[72].
4.5 – Metanação
A metanação[73] de gases (Co e CO2) que saem de gaseificadores ou aqueles obtidos de
processos industriais, podem ser tratados, por exemplo, via reação de deslocamento do gás de
água (vapor) mediante o processo de metanação catalítica. Esse processo consiste de diversas
etapas de metanação, sendo que cada uma dessas etapas ocorre dentro de um reator de leito
fixo catalítico, suportado por níquel. A reação (4.4) em que ocorre a retirada do CO em um
reator na presença do níquel (Ni) pode ser vista a seguir.
2 4 2CO 3H CH H O+ ↔ + (4.4).
13 o elemento pode apresentar-se de várias formas
62
Da mesma forma pode-se eliminar a presença de CO2 pelo mesmo processo, onde
ocorre a reação (4.5).
2 2 4 2CO 4H CH 2H O+ ↔ + (4.5).
Pode-se também fazer a remoção do CO pela lavagem do gás em solução de sais complexos
de cobre[74].
O processo empregado na purificação do gás de baixo poder calorífico, proveniente da
gaseificação, pode ser por meio da combustão direta realizada junto ao gaseificador,
eliminando os elementos particulados e o H2S. Caso haja a necessidade de se dessulfurizar o
gás, será necessário empregar resfriadores seguido de ciclones e posteriormente de lavadores
para a eliminação de alcatrões.
A eliminação de gases ácidos utilizando um método de purificação à baixa
temperatura é uma das opções para valer-se de sistema de absorção química[75]. Uma grande
gama de processos por absorção química é baseada em carbonato de potássio (K2CO3).
Também se pode optar por mais uma etapa de purificação do gás, passando pela reação de
Claus ou planta de Claus, conforme descrito anteriormente.
Quando se deseja empregar processos à alta pressão, pode-se optar por sistemas de
absorção física que possui a vantagem sobre os processos químicos, que é a seletividade. O
H2S é muito mais solúvel que o CO2, podendo ser eliminado do processo seletivamente de
uma mistura gasosa que o contenha. A escolha do processo depende da presença de outras
impurezas contidas no gás. Por exemplo, o sulfeto de carbonilo (COS) e o dissulfeto de
carbono (CS2) podem afetar de diversas formas a eliminação do H2S.
Além dos processos descritos anteriormente, podem-se ainda empregar processos via
oxidação úmida para a eliminação seletiva do H2S, convertendo-o em enxofre. Nesses
processos geralmente empregam-se pressões desde a atmosférica até 65 Bar, adotando uma
solução alcalina de carbonato de potássio (K2CO3) ou carbonato de sódio (Na2CO3) em meio
ao oxigênio para então ocorrer a oxidação. A reação (4.6) exemplifica esse tipo de reação:
22HS O 2OH 2S+ → + (4.6).
Um processo bastante utilizado no século XIX, na Inglaterra, para substituir processos
de purificação por via úmida que empregavam o hidróxido de cálcio (Ca (OH)2) como agente
63
oxidativo, foi o processo de oxidação por via seca que utiliza o trióxido de ferro (hematita –
Fe2O3)[76] a alta temperatura. A equação representativa desse processo pode ser vista por meio
das reações (4.7) e (4.8), a seguir. E como resultante do processo global, tem-se a reação
(4.9).
3 2 3 22FeO 6H S 2FeS 6H O+ → + (4.7);
2 3 2 2 32Fe S 3O 2Fe O 6S+ → + (4.8);
½ O2 → H2O + S (4.9).
Estudos já realizados empregando métodos de eliminação de impurezas e utilizando o
biogás como fonte de alimentação de células a combustível do tipo SOFC para a geração de
energia com potências de 5 a 50 kW, já mostram bons resultados com a integração entre a
biodigestão e a célula a combustível[77].
Uma aplicação do uso de biogás em célula a combustível do tipo PEM, em escala de
laboratório, foi proposta em um artigo recente[78]. Nesse processo são empregados quatro
reatores responsáveis pela reforma do metano e a oxidação seletiva do monóxido de carbono,
obtendo-se um gás rico em hidrogênio com baixa concentração de CO, menor que 10 ppm.
4.6 - Conclusão
O uso de gás proveniente da gaseificação e/ou biodigestão pode ser aproveitado na
alimentação de células a combustível, desde que se possa fazer um tratamento adequado,
conforme os diversos métodos apresentados anteriormente.
O emprego de um ou outro método de limpeza ou purificação nos gases oriundos de
um sistema de gaseificação ou biodigestão está intimamente ligado ao emprego direto na
geração de energia, o que significa dizer que depende diretamente da relação custo/benefício a
que se destina.
Vale a pena ressaltar que na atual situação de desenvolvimento das células a
combustível, de amadurecimento tecnológico e aprimoramento do conhecimento, é bastante
válido investir nos processos citados anteriormente, mais adequados, mesmo que tenha um
alto custo, em parceria com a indústria química a desenvolver um sistema compacto de
limpeza de gases, de forma a operar conjuntamente com a célula a combustível, aproveitando
64
os gases que contenham certos tipos de impurezas maléficas ao bom funcionamento do
sistema de geração de energia.
65
Capítulo 5
Estudo de Caso
5.1 – Considerações Gerais
Em geral, as comunidades da Região Amazônica têm como características principais o
isolamento, o difícil acesso, o abastecimento de energia, quando há, por meio de geradores
diesel, entre outras. No entanto, apresentam vastas áreas para plantio e grande disponibilidade
de biomassa, que pode servir de suporte à sustentabilidade da solução proposta. Essa
biomassa pode ser aproveitada para a geração de energia de diversas formas, entre as quais a
gaseificação e a biodigestão. As localidades interioranas do Pará, especificamente as
litorâneas, dispõem de recursos solar e eólico para fins de aproveitamento de energia.
A comunidade de Praia Grande, localizada na Ilha de Marajó, Estado do Pará,
escolhida para estudo, dispõe de recursos renováveis solar e eólico com bons índices de
aproveitamento, conforme comentado e ilustrado por meio de figuras em outros tópicos deste
capítulo. Praia Grande possui cerca de 114 hectares, dos quais 22 hectares de sítios familiares,
23 hectares de açaizal nativo, 25 hectares de coqueiral cultivado coletivamente e 44 hectares
de mata. Grande parte desta área pode ser aproveitada no plantio de floresta energética14, na
geração de biomassa, como também disponibilidade na criação de animais para a produção de
esterco. Foram levantados para esta localidade dados de velocidade de vento, irradiância
solar, a carga elétrica a ser suprida e alguns aspectos socioeconômicos[79]. Outros dados
necessários ao projeto do sistema de geração por meio de célula a combustível e que ainda
não estão disponíveis para esta comunidade, foram estimados a partir da literatura pertinente
sobre o assunto.
A comunidade de Praia Grande dispõe de um sistema híbrido de geração de energia,
composto por um aerogerador de 7,5 kW, dois inversores de 4 kW cada, um retificador (VCS-
10), dois grupos geradores diesel de 7,5 kVA, cada e um sistema de armazenamento composto
de 20 baterias de 150 Ah/12V cada, além de uma mini-rede de distribuição monofásica.
14 Formação homogênea por meio de espécies, por exemplo, do tipo Eucalyptus, destinadas à produção de energia.
66
5.2 - Parâmetros Econômicos
Neste tópico são apresentados alguns conceitos necessários para a avaliação dos custos
de investimentos em um projeto, sendo apresentadas as figuras de mérito[80] tais como: fator
de recuperação de capital, tempo de retorno simples, e fator de capacidade. Portanto, essas
figuras de mérito são muito importantes, além de outras, na análise, definição e elaboração de
projetos de energia de diversos tipos de fontes de geração.
Fator de Recuperação de Capital (FRC) é a análise do valor de um determinado
investimento feito no presente, considerando uma determinada taxa (i) de desconto e um
período de N anos, podendo ser representado pela equação (5.1):
N
N(1 i)FRC i
(1 i) 1+
=+ −
(5.1)
Tempo de Retorno Simples (TRS) é definido como sendo a razão entre o investimento
inicial e o custo da energia economizada em um ano, podendo ser visto na equação (5.2). Esta
figura de mérito não leva em consideração o valor temporal do dinheiro. A energia
economizada é representada pela energia gerada no período considerado e multiplicando-se
pelo valor da tarifa convencional, aqui adotada em R$ 0,40:
Investimento(R$)TRSEnergiaEconomizada(R$ / ano)
= (5.2)
Fator de Capacidade (FC) é a relação entre a produção média de energia e a produção
de ponta (pico). A equação representativa pode ser vista por meio da equação (5.3):
EnergiaAnual(kWh)FCPN(kW)*8760(h)
= (5.3)
onde PN é potência nominal do equipamento.
A análise financeira na forma de figura de mérito também foi abordada de maneira
sucinta, de forma a dar suporte ao entendimento da viabilidade econômica de sistemas
híbridos de geração de energia, a qual é de fundamental importância para o estudo de caso
abordado no tópico seguinte.
67
5.3 – Escassez de Energia Elétrica
A Região Amazônica é, sem dúvida, marcada pela baixa densidade demográfica, baixa
renda da população, cultura diversificada e, principalmente, o alto índice de analfabetismo, se
comparada com as regiões Sul e Sudeste do Brasil. O baixo nível de desenvolvimento e a falta
de infra-estrutura básica fazem com que ocorra com freqüência o êxodo rural. Isto acontece
com mais intensidade em locais sem infra-estrutura básica, como escolas de nível
fundamental até o médio, assistência médica, serviço de água e esgoto, indústrias para
geração de renda para a população e impostos para a localidade, de forma que retornem em
benefícios para a população. No entanto, um elemento chave nesse contexto é a falta de
energia nas localidades isoladas e de difícil acesso. Portanto, é fato que a energia elétrica
presente na vida de qualquer ser humano gera desenvolvimento e progresso na localidade por
ela suprida.
Segundo dados do Governo Federal[81], o Brasil possui cerca de 12 milhões de
habitantes sem acesso ao serviço de energia elétrica, dentre os quais 10 milhões estão na área
rural. Os dados indicam que somente na Região Norte, 2,6 milhões de pessoas (62,5% da
população) não possuem acesso aos serviços de energia elétrica. O objetivo do Ggoverno
Federal é disponibilizar energia elétrica a todas essas pessoas até o ano de 2008, que é a meta
a ser alcançada com a implantação do Programa Luz par Todos, que tem amparo da Lei
10.438 e no Decreto Nº 4873 de 11/11/2003.
5.4 – Caracterização da Localidade
O estudo foi realizado tomando-se como base uma localidade típica do interior do
Estado do Pará, Praia Grande, onde os parâmetros de recursos renováveis (solar e eólico)
foram obtidos por meio de uma estação meteorológica implantada pelo Grupo de Estudos e
Desenvolvimento e Alternativas Energéticas – GEDAE, do Departamento de Engenharia
Elétrica da Universidade Federal do Pará.
A localidade é composta por aproximadamente 25 residências, distribuídas ao longo
de uma via pública com comprimento de 1.600 metros ao longo da costa, composta por uma
mini-rede com postes de madeira.
A carga média da localidade é de aproximadamente 2 kW, atingindo picos próximos
de 3,5 kW, sendo composta basicamente de eletrodomésticos como aparelho de televisão,
68
rádio, geladeira e iluminação. O perfil da carga pode ser representado por meio da figura 5.1,
onde é observado que a partir das 17 até as 21 horas ocorre o período de maior entrada de
carga no sistema[79]. Deve-se observar que apesar da carga média ser 2 kW, existe a
possibilidade de aumento de carga, devido a demanda reprimida da comunidade.
Figura 5.1 – Curva de Carga.
5.4.1 – Recurso Renovável Eólico e Solar
Um perfil da velocidade média de vento local pode ser observado segundo a tabela
5.1. Neste caso nota-se uma maior intensidade de vento no mês de outubro (7,26 m/s) e uma
menor velocidade no mês de abril (3,26 m/s). A figura 5.2 ilustra esse perfil de vento para
melhor efeito de visualização.
Tabela 5.1 – Dados da Velocidade de Vento (25 m de altura).
Mês m/s Janeiro 4,70 Fevereiro 4,15 Março 3,72 Abril 3,26 Maio 4,58 Junho 5,15 Julho 5,09 Agosto 6,04 Setembro 6,84 Outubro 7,26 Novembro 6,14 Dezembro 5,80 Média 5,23
69
Figura 5.2 – Perfil da Velocidade de Vento a 25 m.
Na tabela 5.2 e na figura 5.3 pode ser visto que a irradiância solar global de maior
média mensal ocorre no período compreendido entre agosto e outubro. Os meses de janeiro e
fevereiro aparecem com os menores valores de média de irradiância.
Tabela 5.2 – Dados da Irradiância e Irradiação Solar
Mês W/m2 kWh/m2/diaJaneiro 383,54 4.602,48 Fevereiro 379,01 4.548,12 Março 525,71 6.308,52 Abril 480,98 5.771,76 Maio 485,00 5.820,00 Junho 489,76 5.877,12 Julho 485,26 5.823,12 Agosto 556,84 6682,08 Setembro 557,36 6.688,32 Outubro 528,79 6.345,48 Novembro 452,73 5.432,76 Dezembro 427,01 5.125,20
Irradiância Solar
0100200300400500600
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Mês
W/m
2
Figura 5.3 – Perfil da Irradiância Solar.
70
5.4.2 – Recurso Renovável de Biomassa
A comunidade de Praia Grande apresenta bons recursos solar e eólico, conforme foi
apresentado no tópico 5.1. No entanto, não se pôde obter dados precisos referentes à
disponibilidade de biomassa na comunidade para efeito de geração de energia elétrica, já que
esta alternativa de geração não existe nesta comunidade.
No entanto, percebe-se que a comunidade dispõe de área suficiente para se fazer um
estudo de planejamento, de modo a suprir as necessidades energéticas por meio de biomassa,
garantindo a sustentabilidade de um sistema de geração de energia por meio da contribuição
de diversas formas de utilização da biomassa.
A criação de animais (bovinos, suínos, aves, etc.) em regime de confinamento
apresenta-se como uma solução para a geração de esterco. Existe uma grande disponibilidade
de área para o plantio de árvores que não necessitem de muito tempo para o crescimento até o
ponto de derrubada para fins energéticos. Uma situação também favorável é a presença de
igarapé, possibilitando a plantação e cultivo do aguapé.
Todas essas alternativas de cultivos são possíveis e podem ser adequadas às
necessidades requeridas, desde que haja previamente um estudo de viabilidade e
sustentabilidade, possibilitando o rodízio no uso entre as biomassas disponibilizadas na
localidade.
5.5 – Premissas para o Estudo
As diversas situações colocadas neste estudo são feitas com base em dados reais sobre
a disponibilidade dos recursos renováveis solar e eólico e na curva de carga da comunidade.
Os recursos renováveis de biomassa supõem-se que estejam disponíveis conforme as
potencialidades, os espaços e a sustentabilidade para cada tipo de biomassa, necessários para a
situação de geração de energia por meio de célula a combustível integrada a um gaseificador
ou biodigestor.
Os estudos de viabilidade técnico-econômica são realizados para o atendimento da
demanda de Praia Grande pelas alternativas de geração baseadas nas fontes solar fotovoltaica,
eólica, diesel elétrica, a hibrida solar-eólica-diesel e a célula a combustível combinada com a
gaseificação ou biodigestão. Comparações são feitas entre essas alternativas.
71
A taxa de juros adotada em todos os casos é de 10% a.a., valor praticado geralmente,
em países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil. Para todos os casos de planejamento
aqui apresentados, utilizou-se um horizonte de 10 anos.
Os valores dos investimentos nos equipamentos são com base nas literaturas
pertinentes e no mercado específico de cada componente. Todos os custos dos equipamentos
estão em dólar americano e adotou-se a seguinte conversão (US$ 1,00 igual a R$ 2,50).
5.5.1 – Caso 1: Sistema Solar Fotovoltaico
Com base nos dados citados anteriormente, fez-se então uma simulação de um sistema
somente com fonte de geração solar fotovoltaica (FV), utilizando o programa HOMER –
Hybrid Optimization Model for Electric Renewables[82]. A taxa de juros adotada foi de 10 %,
além da utilização de uma carga dump de 1 kWh/dia e 1,5 kW pico como forma de dissipar a
energia excedente. A potência total instalada foi de 15 kW, com um banco composto de 128
de baterias de 12 V/200Ah e um inversor de 6 kW. Aos custos dos equipamentos foram
atribuídos os seguintes valores: módulo fotovoltaico R$ 12.500,00/kW pico (US$
5.000,00/kWp), bateria R$ 600,00/unidade (US$ 240,00/unidade), inversor R$ 2.500,00/kW
(US$ 1.000,00/kW). As quantidades e as potências dos equipamentos foram estabelecidas
conforme os resultados das simulações. O custo total do investimento obtido para esta
alternativa foi de R$ 279.300,00 (US$ 111.720,00) com um custo de energia gerada de R$
2,14/kWh (US$ 0,857/kWh) dentro do horizonte de planejamento.
As figuras 5.4, 5.5 e 5.6 mostram algumas telas de resultados obtidos com a simulação
do custo da energia gerada, o estado de carga do banco de baterias e a potência gerada pelo
sistema em comparação com a carga (referente a um período do mês de abril),
respectivamente. O mês de abril foi escolhido por se tratar de um período de baixa irradiância
solar, contudo a simulação foi realizada para o período de um ano.
A figura 5.4 apresenta a composição do sistema, além dos valores de capital inicial,
valor líquido presente (NPC) corrigido pela taxa de juros (i) de 10 % a.a. e o valor da energia
gerada (COE).
Nota-se que o estado de carga do banco de baterias está na maioria do tempo
concentrado na faixa compreendida entre 80 % e 100%, com isso pode-se assegurar uma
maior vida útil para o banco de baterias. A curva de carga em função da geração foi escolhida
72
por se tratar de um período de pouca irradiância solar, no entanto mesmo assim foi possível
atender a carga em complementação com o banco de baterias.
Figura 5.4 – Valor do Custo da Energia (FV).
Figura 5.5 – Estado de Carga da Bateria (FV).
Figura 5.6 – Potência Gerada vesus Carga (FV).
73
5.5.2 – Caso 2: Sistema Eólico
Da mesma forma como foi simulado o caso do sistema solar fotovoltaico, utilizou-se
os mesmos dados de carga e velocidade de vento disponível, conforme as figuras 5.1 e 5.2,
respectivamente.
Para esse estudo foram considerados 5 aerogeradores de 7,5 kW (total de 37,5 kW) (@
12 m/s), um banco composto de 128 baterias com as mesmas especificações do sistema solar
fotovoltaico, um inversor de 8 kW, além da carga dump com a mesma característica do
sistema solar fotovoltaico. Os custos dos aerogeradores utilizados foram de R$
48.500,00/unidade (US$ 19.400,00/unidade), o inversor e as baterias seguiram os mesmos
valores utilizados no sistema fotovoltaico, sendo que o custo total do sistema foi de R$
393.300,00 (US$ 135.720,00). Dessa forma encontrou-se o valor da energia gerada de R$
3,47/kWh (US$ 1,395/kWh). Percebe-se que para o atendimento da carga é necessário inserir
uma grande quantidade de aerogeradores, devido ocorrer ao longo do ano períodos de baixa
velocidade de vento. Por exemplo, no mês de abril, período de menor velocidade o banco de
baterias deve atuar bastante, devido ao déficit na geração eólica.
Figura 5.7 – Potência Gerada vesus Carga (Aerogerador).
Figura 5.8 – Estado de Carga da Bateria (Aerogerador).
74
5.5.3 – Caso 3: Sistema Grupo Gerador Diesel
Para o estudo do sistema diesel, utilizou-se um grupo gerador diesel de 7,5 kVA
(6 kW) e o seu custo de R$ 1.250,00/kW (US$ 500,00/kW) e o valor total do investimento em
R$ 7.500,00 (US$ 3.000,00) com um custo de energia gerada de R$ 3,625/kWh (US$
1,45/kWh) e o custo do diesel de R$ 2,00/litro, significando que o consumo de óleo diesel foi
de 10.375 litros/ano.
As figuras 5.9 e 5.10 mostram os resultados obtidos com a simulação do custo da
energia e a potência gerada pelo sistema em comparação com a carga (referente a um período
do mês de abril), respectivamente. O investimento apesar de ser pequeno quando comparado
aos outros sistemas, apresenta o maior custo da energia gerada.
Figura 5.9 – Valor do Custo da Energia (Diesel).
Figura 5.10 – Potência Gerada versus Carga (Diesel).
75
5.5.4 – Caso 4: Sistema Híbrido Solar – Eólico - Diesel
Neste estudo optou-se por atender a localidade com um sistema híbrido de geração de
energia com as fontes solar, eólica e diesel elétrica e um banco de baterias como sistema de
armazenamento de energia.
O sistema foi concebido para funcionar, principalmente, com as fontes renováveis,
entrando o sistema diesel somente como backup, ou seja, nos momentos em que não haja
geração por meio dos recursos renováveis e o sistema de armazenamento esteja descarregado.
Isso faz com que se tenha uma considerável economia de óleo combustível.
O sistema proposto é composto de 6,4 kWp de módulos fotovoltaicos, 7,5 kW de
aerogerador, 5 kW de gerador diesel, 5 kW de inversor e 105,6 kWh de baterias, resultando
em um investimento de R$ 173.650,00 (US$ 69.460,00). O custo da energia gerada foi
calculado em R$ 2,08/kWh (US$ 0,833/kWh). Também foi adicionada uma carga dump de
1kWh/dia e 3 kW de pico, com o objetivo de aproveitar a energia gerada em excesso nos
momentos de altas produções de energia. As figuras 5.11, 5.12 e 5.13 ilustram a configuração
geral do sistema, as contribuições das fontes de geração em confronto com a carga e o estado
de carga do banco de baterias, respectivamente.
Observa-se que o grupo diesel atua durante alguns períodos do ano, isso devido ao
período em que as fontes renováveis produzem pouca energia por escassez do recurso. Com
as atuações do grupo gerador diesel, nota-se que este trabalha somente 441 horas/ano,
consumindo 727 litros de combustível no mesmo período. Também percebe-se que o banco
de baterias apresenta-se 40 % do tempo na faixa de 100 % do estado de carga.
Figura 5.11 – Configuração Geral do Sistema Híbrido.
76
Figura 5.12 – Fontes de Geração versus Carga do Sistema Híbrido.
Figura 5.13 – Estado de Carga do Banco de Baterias do Sistema Híbrido.
5.5.5 – Caso 5: Sistema Célula a Combustível/Biodigestão/Gaseificação
O sistema proposto refere-se aos dimensionamentos de um biodigestor e um
gaseificador alimentados por biomassas para suprirem a célula a combustível de uma mistura
gasosa. Os métodos de filtragem gasosa já foram apresentados no capítulo 4 e supõem-se
funcionar perfeitamente. Para efeito de simplificação de cálculos de investimentos, foi
atribuído um valor para a realização da reforma dos gases, o qual já está embutido no custo da
célula a combustível. Para realização das simulações com o sistema de geração a célula
combustível, não se utilizou o programa HOMER (versão 2.19), pelo fato do mesmo só
trabalhar com o hidrogênio puro alimentando a célula (eletrolisador), não tendo opção para
biomassa. Para atender às características da aplicação aqui desenvolvida, utilizou-se uma
planilha Excel para a realização dos cálculos, como serão apresentados a seguir.
77
5.5.5.1 – Dimensionamento do Biodigestor
Primeiramente, partiu-se do mesmo valor de carga média sugerida anteriormente de
2 kW para dimensionar o tamanho do biodigestor indiano a ser empregado no acoplamento
com a célula a combustível. Foi adotado um período de 40 dias de fermentação da biomassa
(esterco bovino), uma mistura de 50 % de esterco e 50 % de água, a equivalência de 1 m3 de
biogás igual a 1,428 kWh, poder calorífico de 5.800 kcal/m3 (24.244 kJ/m3) e um animal
produzindo em média 0,36 m3/dia de biogás. Supõe-se que a biomassa tem custo zero e a sua
disposição local. Portanto, a partir dos cálculos chegou-se nos seguintes dados da tabela 5.3.
Para o cálculo do valor da potência do biodigestor, utilizou-se a equação (5.4) e obtiveram-se
os seguintes resultados:
3 3BP (kW) Vol.gás (m / dia)*PCI(kcal / m )= (5.4)
Tabela 5.3 – Dados do Biodigestor. Volume Gás VG (m3/dia) 50Volume Biodigestor (m3) 110Altura a ser arbitrada h (m) 6Altura do Biodigestor H (m) 6,3Diâmetro Interno Di (m) 4,83Potência (kW) 14,05Volume gás produzido (m3/h) 4,08Diâmetro Externo Gasômetro (m) 4,77Altura Gasômetro (m) 2,80Altura Parede Divisória (m) 3,50Carga Diária Cd (m3/dia) 2,75Quantidade de Bovinos 139Custo do Biodigestor (US$) 6.656,60Custo do Biodigestor (R$) 16.641,50Custo da energia gerada (R$/kWh) 0,08
Da mesma forma (premissas), caso fosse utilizado o aguapé como biomassa para o
biodigestor, e assumindo que 1 kg de aguapé seco pode produzir 0,35 m3 de biogás, então
seriam necessários 143 kg/dia de aguapé seco. E adotando-se que um hectare produz 600 kg
de aguapé seco, logo para a produção de 143 kg/dia, são necessários 0,24 hectares de
plantação de aguapé, conforme mostrado a seguir:
3
350m .1kgQuantAguapé 142,86kg aguapéseco / dia0,35m
= = ;
78
143kg / dia.1haÁrea 0,24ha / dia600kg
= = .
Para o cálculo da célula do tipo PEM de 5 kW, suficiente para atender a carga da
comunidade, foi adotado que a vazão do hidrogênio pode ser expressa conforme a equação
(5.5)[83], encontrando-se o valor de 3,35 m3/h, valor este que leva em consideração as perdas.
Considerando algumas perdas no sistema, considera-se 4 m3/h.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
PCIPQ
η1 (5.5)
onde:
Q: vazão máxima (m3/h);
P: potência instalada (kW);
PCI: poder calorífico inferior do hidrogênio (10.742,6 kJ/m3);
η: rendimento da célula a combustível (50 %).
Calculada a vazão máxima, determina-se a vazão média do hidrogênio necessária por
intermédio da equação (5.6), chegando ao valor de 1,34 m3/hora. Considerando-se as perdas
encontra-se o valor de 1,6 m3/hora. O fator de carga adotado de 40 % deve-se ao fato de
corresponder ao valor de 2 kW de carga média.
FCQQm ∗= (5.6),
onde:
Qm: vazão média (m3/h);
FC: fator de carga (40 %).
O valor da energia gerada pela célula a combustível foi calculado pela equação (5.7) e
o custo do combustível (hidrogênio) foi considerado a R$ 9,50/m3 (US$ 3,80/m3), chegando a
um valor de R$ 6,37/kWh.
Henerg
C1CPCI
⎛ ⎞= ⎜ ⎟η ⎝ ⎠
(5.7),
onde:
Canerg: custo da energia (R$/kWh);
79
PCI: poder calorífico do combustível;
η: rendimento da célula a combustível (50 %);
CH: Custo do combustível (R$/m3).
5.5.5.2 – Dimensionamento do Gaseificador
Os cálculos feitos para o gaseificador com potência de 15.000 kcal/h (17,45 kW)
foram definidos a partir da quantidade de biomassa necessária para alimentar este
gaseificador. Essa quantidade de biomassa pode ser calculada por meio da equação (3.6) que
resultou em uma quantidade de 10 kg/h. A vazão de gás extraído do gaseificador nas
condições de um PCI gasoso de 1.400 kcal/m3 é de 5,36 m3/h. A equivalência de 0,9 kg de
biomassa para gerar 1HPh[84] foi adotada, então 1 kg de biomassa gerará 0,829 kWh, logo 10
kg de biomassa geram 8,29 kWh. A tabela 5.4 mostra os dados do gaseificador.
Tabela 5.4 – Dados do Gaseificador. Potência (kcal/h) 15.000Potência (kW) 17,45PCI madeira (kcal/kg) 3.000PCI gás (kcal/kg) 1.400Eficiência Gaseificador 0,5Quantidade Biomassa (kg/h) 10,00Energia Gerada (kWh) 8,29R$/m3 0,19Vazão Gás (m3/h) 5,36
Considerando que o número de árvores (NA) por hectare, depende do espaçamento
entre elas e se o mesmo for considerado de 3x2 m em um período compreendido de sete (7)
anos, tem-se que o cálculo pode ser feito por meio da equação 5.8.
1 2
4 2
(e ,e )1 2
10 mNAe e
= (5.8),
onde:
NA – é o número de árvores,
1 2e e - é a distância entre as espécies, dada em metros.
Então:
80
4 2 4
(3,2)10 m 10NA 1.666 árvores.
3.2 6= = =
O peso de cada árvore pode ser definido pela equação 5.9 e supondo que a produção
média é de 180 m3/hectare e que a densidade média da madeira[47] é da ordem de 0,625
ton/m3, então:
3 3(ton / ha) d(m / ha) (t / m )P P dens= (5.9),
Logo:
112,5 t 112500kgP 180.0,625.t 67,5kg / árvoreha 1.666árvores
= = = = .
Como a quantidade requerida de biomassa (madeira) para o gaseificador é de 10
kg/hora, então são necessários 240 kg/dia, ou seja, a quantidade suficiente para a alimentação
do gaseificador é de 3,55 árvores/dia. Em um período de um ano seriam necessárias 1.295,75
árvores. Quantidade essa perfeitamente adequada em um hectare de floresta energética
plantada.
Como a necessidade requerida de madeira por ano é de 87.600 kg e tomando-se como
base que em um metro cúbico de madeira tem-se 625 kg, então em um ano a necessidade de
madeira requerida é de aproximadamente de 140m3/ano, a área total necessária para o plantio
é dada como sendo de 5,45 hectare e a área de corte anual de 0,78 hectare, ou seja:
33
87.600kg / anoNesc.Mad 240kg / dia .365dias / ano 140,167 m / ano625kg / m
= = = ;
3
total 3140m / ano.7anosA 5,45ha
180m / ha= = , então,
corte anual1A . 5,45ha 0,78ha / ano
7ano= =
Fazendo-se os cálculos para que a célula a combustível de 5 kW seja alimentada por
gases gerados a partir da gaseificação ou biodigestão, encontraram-se os valores contidos na
tabela 5.5.
81
Tabela 5.5 – Dados da Célula a Combustível Alimentada por Gaseificação ou Biodigestão. Gaseificação Biodigestão
Vazão Máxima (m3/h) 6,15 1,80 Vazão Média (m3/h) 2,46 0,72 Custo Comb. (R$/kWh) 0,14 0,12
Aplicando-se uma taxa de juros (i) de 10 % ao ano (a.a), o valor do fator de
recuperação de capital (FRC) para esta situação foi de 0,16. A partir do FRC encontrado e
assumindo os valores de R$ 25.000,00/kW (US$ 10.000,00/kW) para a célula a combustível e
o processo de reforma dos gases, operação e manutenção determinada a partir dos gastos
horários com combustível a ser utilizado e fator de capacidade de 40 %, determinou-se que os
custos da energia gerada a partir da célula a combustível, para as alternativas de biodigestão e
gaseificação, e também considerando taxas de juros diferenciadas, estão apresentados na
Tabela 5.6. Para determinar esses custos, utilizou-se da equação (5.10). Valor de operação e
manutenção (OM) utilizado para esta situação foi baseado na equação (5.11).
Investimento (R$)Energ.(R$ / kWh) (FRC OM)8760(h)*FC*Pot (kW)
= + ∗ (5.10),
3 3Cons.Combust.(m / dia)*CustoCombust.(R$ / m )*365diasOM
Investimento (R$)= (5.11),
Considerando os casos da tabela 5.6, obtêm-se diversos valores de custo de energia
gerada. O valor de R$ 0,97/kWh foi encontrado para uma taxa de juros de 5 %, isso significa
dizer que, se os juros praticados no país para incentivo das energias renováveis fossem
menores, com certeza ter-se-ia maior competitividade dessas fontes. A figura 5.14
exemplifica o que foi comentado acima, para tanto se empregou o conjunto célula a
combustível/biodigestão.
Tabela 5.6 – Cenários de Taxas de Descontos e FRC. Taxa de Desconto
5% 10% 15% FRC
0,13 0,16 0,20 Célula a Combustível
(R$/kW) (R$/kW) (R$/kW) 25.000,00 25.000,00 25.000,00
Gaseificação R$/kWh 1,15 1,39 1,48
Biodigestão R$/kWh 0,97 1,20 1,46
82
Na figura 5.14 pode-se observar que mantendo o valor de R$ 25.000,00/kW e variando
a taxa de juros de 5, 10 e 15 % em um período de funcionamento de 24 horas por dia, o custo
da energia gerada varia significativamente, correspondendo aos valores de R$ 0,97/kWh, R$
1,20/kWh e R$ 1,46/kWh. Vale ressaltar que o valor da taxa de juros praticada no mercado
influencia substancialmente no custo da energia gerada[85].
Figura 5.14 – Custo da Energia do Sistema com Célula a Combustível/Biodigestão.
A seguir na tabela 5.7, são mostrados os diversos valores de energia para uma variação
no preço da célula a combustível. Os valores inseridos para este cenário estão baseados em
literaturas pertinentes ao assunto e que estão compreendidos entre US$ 5.000,00 e US$
7.000,00, acrescido de US$ 4.000,00 do reformador, obedecendo a uma variação na taxa de
juros de 5% a 15%. Observa-se que a uma taxa de juros de 5% e o preço do kW da célula a
combustível de R$ 22.500,00 (US$ 5.000,00 + US$ 4.000,00) o preço da energia gerada varia
de R$ 0,97 a R$ 1,06. Implicando em dizer que caso as taxas de juros de mercado e os preços
do kW da célula a combustível baixem ainda mais, tem-se maior competitividade desse tipo
de fonte de geração com as demais fontes já consagradas.
Tabela 5.7 – Cenários de Custos de Energia versus Investimentos.
R$/kW R$/kWh 5% 10% 15%
22.500,00 0,87 1,08 1,32
25.000,00 0,97 1,20 1,46
27.500,00 1,06 1,32 1,61
83
5.5.6 – Caso 6: Sistema Híbrido Solar – Eólico – Célula a Combustível (Eletrólise)
Neste estudo optou-se por atender a localidade com um sistema híbrido de geração de
energia com as fontes solar, eólica, célula a combustível e um banco de baterias como sistema
de armazenamento de energia.
O sistema foi concebido para funcionar, principalmente, com as fontes renováveis,
entrando a célula a combustível como backup, ou seja, nos momentos em que não haja
geração por meio dos recursos renováveis e o sistema de armazenamento esteja descarregado.
O sistema proposto é composto de 3 kWp de módulos fotovoltaicos, 15 kW de
aerogerador, 2 kW de Célula a combustível, 5 kW de inversor e 38,4 kWh de baterias,
resultando em um investimento de R$ 208.600,00 (US$ 83.440,00). O custo da energia gerada
foi calculado em R$ 2,08/kWh (US$ 0,833/kWh). As figuras 5.15, 5.16 e 5.17 ilustram a
configuração geral do sistema, as contribuições das fontes de geração em confronto com a
carga e o estado de carga do banco de baterias, respectivamente.
Observa-se que a célula a combustível atua durante alguns períodos do ano, isso
devido ao período em que as fontes renováveis produzem pouca energia por escassez do
recurso. Com as atuações da célula a combustível, nota-se que esta trabalha somente 2.631
horas/ano, produzindo 2.726 kWh/ano. Também percebe-se que o banco de baterias
apresenta-se 40 % do tempo na faixa de 100 % do estado de carga.
Figura 5.15 – Configuração Geral do Sistema
84
Figura 5.16 - Contribuições das Fontes de Geração em Confronto com a Carga
Figura 5.17 - Estado de Carga do Banco de Baterias
A seguir mostra-se por intermédio da figura 5.18 a variação no preço da energia
gerada a partir das fontes descritas nos tópicos anteriores. Observa-se que nas condições aqui
adotadas como premissas básicas para o efeito de cálculo, o conjunto célula a
combustível/biodigestor apresenta-se como uma das melhores opções para a geração de
energia em pequena escala para localidades isoladas, como as da região amazônica. Em
ordem crescente de apresentação dos valores de energia para as diversas fontes de geração,
tem-se: célula a combustível/biodigestor (R$ 1,20); célula a combustível/gaseificador (R$
1,39); sistema híbrido –solar – eólico- diesel (R$ 2,08); solar (R$ 2,14); eólica (R$ 3,47),
diesel (R$ 3,63) e sistema híbrido – célula (R$ 2,02).
85
Figura 5.18 – Custo da Energia Gerada para Diversas Fontes de Geração.
Nota-se que gerar energia via biogás é sem dúvida uma das alternativas que se tem,
bastando, no entanto que se incentivem as tecnologias já existentes e se dê as devidas
aberturas de mercados.
5.6 - Conclusão
Neste capítulo abordou-se de forma sucinta a caracterização da localidade escolhida
para efeito de estudos de casos e as especificações dos equipamentos que formam os vários
tipos de geração de energia para suprimento da mesma. Primeiramente levantaram-se os
potenciais de energias solar e eólica disponíveis, além da carga a ser suprida. Em seguida, a
partir de dados encontrados em literatura e supondo a disponibilidade local de recursos de
biomassa, partiu-se então para os cálculos de geração de energia a partir de parâmetros
econômicos.
Os estudos foram realizados para suprir a carga da localidade com as diversas formas
de geração de energia, entre as quais a solar fotovoltaica, a eólica, a diesel-elétrica, a híbrida
(solar-eólica-diesel), a célula a combustível combinada com o biodigestor e com o
gaseificador, e a híbrida (solar-eólica-célula a combustível (eletrólise)). Assim sendo, pôde-se
observar que o valor da energia gerada a partir dessas fontes de geração de energia indicou
uma tendência para o conjunto célula a combustível/biodigestor, pois apresentou a melhor
opção em termos de valores monetários, além de que essa forma de geração de energia emite
pouca ou quase nenhuma poluição para o meio ambiente.
86
Conclusão Nesse trabalho foram abordadas algumas formas de geração de energia para
suprimento de comunidades isoladas da Região Norte. Dentre elas, pode-se destacar a célula a
combustível alimentada por meio de gases provenientes da gaseificação e biodigestão.
Alguns tipos de biomassa foram estudados. No entanto, priorizou-se a madeira como
elemento para estudo da matéria prima na produção de gás proveniente da gaseificação,
devido a sua disponibilidade em diversos locais da Região, ou até mesmo a facilidade de se
obter uma floresta energética para fins de geração de energia.
Também, devido a algumas características locais da Região Norte, optou-se por
concentrar os estudos na biomassa do aguapé e esterco bovino como matérias-primas na
geração de energia por meio do biodigestor. A opção foi em função da produção e
produtividade de biogás gerado a partir desses dois tipos de biomassa, como também pela
facilidade de obtenção local dessas matérias-primas, visto que geralmente dispõem-se de rios,
lagos ou igarapés para a proliferação do aguapé e pastos para a criação de gado.
O gás proveniente da gaseificação e/ou biodigestão pode ser aproveitado na
alimentação de células a combustível, desde que se possa fazer um tratamento adequado,
conforme os diversos métodos apresentados a seguir: conversão do CH4 e do CO, remoção
ácida, remoção de umidade, remoção de enxofre, e metanação.
Dentre as diversas fontes de geração de energia, a célula a combustível alimentada por
meio do biogás gerado a partir do aguapé ou esterco bovino, apresenta-se como uma
alternativa viável, devido à disponibilidade local e ao custo de produção de energia.
Os estudos mostraram que a gaseificação da madeira para a produção de energia em
conjunto com a célula a combustível também é de baixo custo, se comparado com as outras
formas de geração citadas neste trabalho.
Pode-se concluir que as fontes alternativas apresentam-se como uma forma para a
geração de energia em comunidades isoladas, principalmente quando a elas for associada a
célula a combustível alimentada por biodigestão ou gaseificação a partir de biomassas locais,
reforçando a sustentabilidade energética e contribuindo para uma baixa poluição ao meio
ambiente.
87
Sugestões para Futuras Pesquisas
Futuros trabalhos podem ser desenvolvidos a partir do atual, envolvendo
principalmente os pontos a seguir:
1 – Implantação de um projeto de integração célula a combustível com a biodigestão ou
gaseificação, para levantamento de parâmetros técnicos, sociais, econômicos, e de
sustentabilidade, considerando um caso real de atendimento de localidade isolada na
Amazônia.
2 – Desenvolvimento de modelos computacionais, integrando os processos de gaseificação e
de biodigestão com a célula PEM, de modo a automatizar os procedimentos de projeto.
3 – Estudo para inserção prática da integração célula a combustível PEM com as diversas
formas de eliminação de impurezas provenientes do gás da biodigestão ou gaseificação,
citadas neste trabalho.
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