Células de Combustível e as suas aplicações

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As aplicações mais importantes para as células de combustível são as centrais de produção de electricidade estacionárias e de distribuição, veículos eléctricos motorizados e equipamentos eléctricos portáteis [Hirschenhofer et al., 1998].

I. Centrais eléctricas estacionárias

Uma das características das células de combustível é o facto do tamanho exercer praticamente nenhuma influência sobre a eficiência. Isto significa que podem ser desenvolvidas centrais de produção eléctrica pequenas, com elevadas eficiências, evitando os custos excessivos envolvidos no desenvolvimento da centrais eléctricas convencionais [Hirschenhofer et al., 1998].

Como resultado deste facto, inicialmente, as centrais eléctricas com células de combustível foram desenvolvidas para produzirem potências na gama dos kW até aos MW.

Assim que estas unidades sejam comercializadas e a diminuição dos preços seja alcançada, as células de combustível podem passar a ser utilizadas em centrais estacionárias de produção de electricidade devido à sua elevada eficiência [Hirschenhofer et al., 1998].

Um exemplo prático pode ser uma central eléctrica a células de combustível produzida pela empresa UTC (ver figura).

Esta central está instalada numa cervejeira japonesa (Asahi Brewery) e produz energia eléctrica a partir de gases residuais do processo de fermentação. A potência máxima que produz é de 200 kW.

II. Centrais eléctricas de distribuição

As centrais eléctricas de distribuição com células de combustível são sistemas pequenos e modulares que apresentam a possibilidade de serem implementadas nas proximidades do ponto de utilização.

O sistema típico produz uma potência eléctrica inferior a 30 MW, envolvendo emissões de poluentes consideradas desprezáveis, comparativamente com os sistemas tradicionais de combustão [Hirschenhofer et al., 1998].

Sendo uma tecnologia recente, nos momentos iniciais de desenvolvimento esta envolvia custos elevados. No entanto, na actualidade os custos envolvidos são cada vez menores devido ao crescente aumento da capacidade de produção.

Aliás, para este tipo de sistemas, os custos são praticamente insensíveis em relação ao tamanho. Isto torna-os ideais para uma grande diversidade de aplicações onde podem ser utilizados para terem conformidade com as necessidades do consumidor [Hirschenhofer et al., 1998].

Os sistemas de células de combustível apresentam também a vantagem de emitirem baixos níveis de ruído. Esta qualidade possibilita a sua colocação junto dos pontos de consumo de energia eléctrica.

Estes sistema apresentam igualmente eficiências superiores comparativamente com outros sistemas convencionais. A eficiência pode ainda ser aumentada com a utilização de um sistema de aproveitamento do calor libertado pela água residual produzida. Desta forma, pode utilizar-se um sistema combinado de produção de calor e de potência eléctrica [Kordesch et al., 1996].

A primeira geração de células de combustível de ácido fosfórico já foram comercializadas com um sucesso relativo. Por sua vez, é esperado que a segunda geração de células de combustível venha a ser apresentada no decorrer do ano de 2002.

No presente estão a realizar-se diversos esforços de investigação para desenvolverem-se novos materiais cerâmicos e melhorar diferentes técnicas de fabrico de maneira a reduzir os custos de produção [Kordesch et al., 1996].

Na actualidade, a empresa H Power comercializa a unidade estacionária RCU 1-10 kW AC (ver figura). Este sistema de produção de energia eléctrica utiliza células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP).

Os combustíveis utilizados podem ser o gás natural e o propano. Esta unidade é capaz de produzir uma potência eléctrica na gama dos 3 a 10 kW. A unidade dispõe de um modulo adicional de recuperação de calor de maneira a produzir água quente para sistemas de aquecimento central.

III. Veículos eléctricos motorizados

Nos últimos anos da década de 1980 passou a existir um interesse crescente no desenvolvimento de células de combustível para utilização em veículos motorizados ligeiros e pesados [Kordesch et al., 1996].

O principal interesse deste desenvolvimento é a necessidade de meios de transporte menos poluentes e eficientes. Um veículo motorizado que utilize o hidrogénio como combustível não emite qualquer poluente para a atmosfera.

Com outros combustíveis, o sistema de células de combustível utiliza um processador para converter esses mesmos combustíveis em hidrogénio, possibilitando um poder de tracção eléctrico eficiente e com uma emissão praticamente desprezável de gases associados às chuvas ácidas e efeito de estufa.

Para além dos aspectos citados anteriormente, os veículos que utilizam células de combustível apresentam as vantagens de disponibilizarem electricidade extra para componentes do automóvel e de envolverem baixos custos de manutenção devido ao facto de terem poucas partes em movimento.

A investigação e o desenvolvimento da tecnologia das células de combustível aplicada aos veículos motorizados é financiada pelo governos do Norte da América, Europa e Japão, assim como, pelas principais construtoras mundiais de automóveis [Hirschenhofer et al., 1998].

Recentemente, a maior actividade no desenvolvimento de células de combustível para meios de transporte foi focada nas células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP).

Em 1993, a empresa Ballard Power Systems apresentou um autocarro com 10 metros de comprimento com um sistema de 120 kW (ver figura), seguido de um sistema de 200 kW, com 12 metros, em 1995 [Hirschenhofer et al., 1998]. Estes autocarros utilizam o hidrogénio como combustível (veículos com emissões zero).

Em colaboração com a Ballard, a Daimler-Chrysler construiu uma série de veículos motorizados ligeiros que utilizam células de combustível do tipo CCMPP (ver figura). Estes veículos foram intitulados pela abreviatura NECAR (Non Emission Car).

A primeira geração destes veículos, NECAR 1 e 2, foi alimentada a hidrogénio. Por sua vez, o NECAR 3 (modelo classe A) introduziu a utilização do metanol como fonte de hidrogénio (utilização de reformador).

De seguida, em 1999, com o NECAR 4 foi adoptado novamente o hidrogénio como combustível directo das CCMPP. Mais recentemente, em Novembro de 2000, a Daimler-Chrysler apresentou o modelo mais recente da família NECAR, o NECAR 5.

Este automóvel adoptou novamente o metanol líquido como fonte de hidrogénio. A velocidade máxima deste veículo é de 150 km/hr e apresenta uma autonomia de ~480 km. Comparativamente com o NECAR 3, o sistema de células de combustível da versão 5 é 50% mais eficiente, tem metade do tamanho e pesa menos 300 kg.

No ano de 2004, a Daimler-Crysler planeia introduzir no mercado os automóveis eléctricos movidos a células de combustível. Até essa data, os engenheiros da empresa irão focar os seus esforços na optimização da confiança do sistema de condução e na redução dos custos.

Na opinião dos engenheiros da Daimler-Crysler, o futuro da aplicação das células de combustível em meios de transporte passa pelo desenvolvimento da tecnologia CCDM. Desta maneira, o sistema de produção de electricidade é simplificado porque não existe a necessidade da utilização de reformadores para a produção de hidrogénio a partir do metanol.

Outros construtores de automóveis, incluindo a General Motors, Volkswagen, Volvo, Honda, Nissan, Toyota e Ford, anunciaram igualmente planos para o desenvolvimento de protótipos que utilizam células de combustível com membrana de permuta protónica e são alimentados a hidrogénio, metanol ou gasolina [Hirschenhofer et al., 1998].

IV. Equipamentos eléctricos portáteis

O tipo de células de combustível mais utilizadas em equipamentos portáteis são as células de combustível alcalinas e com membrana de permuta protónica. Isto porque estes tipos de células são aquelas que apresentam uma maior independência da performance em relação ao tamanho.

Os combustíveis com maior potencialidade de utilização são o metanol e o etanol, devido à sua facilidade de armazenamento e de abastecimento [Hirschenhofer et al., 1998].

Estas miniaturas de células de combustível, quando disponíveis no mercado, irão possibilitar aos consumidores a utilização de telemóveis durante um mês sem a necessidade de recarga eléctrica.

As células de combustível irão revolucionar o mundo da energia portátil, fornecendo energia durante períodos de tempo muito mais alargados a computadores portáteis e equipamentos electrónicos.

Outras aplicações para células de combustível em miniatura são as câmaras de vídeo, agendas electrónicas, televisores portáteis, leitores de DVD e todos os outros equipamentos portáteis que utilizam energia eléctrica [Hirschenhofer et al., 1998].

Recentemente, o Instituto de Tecnologia Avançada da empresa Samsung desenvolveu uma célula de combustível que pode ser utilizada num telemóvel.

Esta trata-se de uma célula de combustível com alimentação directa de metanol (CCDM) que produz uma densidade de potência de 32 mW/cm2. O tamanho desta é igual ao de um cartão de crédito e a temperatura de funcionamento é de 20 ºC.

A transferência de metanol através da MPP foi reduzida em 30%, resultando num aumento da densidade de potência para 180 mW/cm2 a 80 ºC, 100 mW/cm2 a 30 ºC e 32 mW/cm2 a 20 ºC. A empresa irá comercializar esta célula de combustível em 2004 ou 2005.