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. C K ) ipen
AUTARQUIA ASSOCIADA UNIVERSIDADE DE SO PAULO
ANLISE AMBIENTAL DA CLULA A COMBUSTVEL DE
MEMBRANA TROCADORA DE PROTNS SOB O ENFOQUE
DA AVALIAO DO CICLO DE VIDA
SANDRA HARUMI FUKUROZAKI
Dissertao apresentada como parte dos requisitos para obteno do Grau de Mestre em Cincias na rea de Tecnologia Nuclear-Mater ia is .
Orientadora: Dra. Emilia Satoshi Miyamaru Seo
So Paulo 2006
A U T A R Q U I A A S S O C I A D A UNIVERSIDADE DE S O P A U L O
A N L I S E A M B I E N T A L DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A
T R O C A D O R A DE PROTNS S O B O ENFOQUE DA A V A L I A O DO CICLO
DE VIDA
S A N D R A HARUMI F U K U R O Z A K I
D i s s e r t a o a p r e s e n t a d a c o m o par te
d o s r e q u i s i t o s para a o b t e n o d o Grau
de Mestre e m C i n c i a s na rea de
T e c n o l o g i a Nuc lear - Mater ia is
Or ien tadora :
Dra. Emi l ia S a t o s h i M i y a m a r u Seo
SO P A U L O
2006
INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E N U C L E A R E S
A U T A R Q U I A A S S O C I A D A UNIVERSIDADE DE S O P A U L O
A N L I S E A M B I E N T A L DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A
T R O C A D O R A DE PROTNS S O B O ENFOQUE DA A V A L I A O DO C ICLO
DE V IDA
S A N D R A H A R U M I F U K U R O Z A K I
D i s s e r t a o a p r e s e n t a d a c o m o par te
d o s r e q u i s i t o s para a o b t e n o d o G r a u
de Mest re e m C inc ias na rea de
T e c n o l o g i a Nuc lear - Mater ia is
O r i e n t a d o r a :
Dra. Emi l ia S a t o s h i M i y a m a r u Seo
S O P A U L O
2006
Aos meus pais e ao Miguel naturalmente.
Foram vrias as instituies e pessoas que colaboraram direta ou
indiretamente para a construo deste trabalho, a estas devo meus sinceros
agradecimentos.
Ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento - CNPq, pela bolsa
concedida e ao Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares - IPEN, pela
oportunidade de realizao do presente estudo.
minha faml ia, pelo apoio sempre constante e incondicional ao longo da
minha formao, em especial a Monize Kozu Fukurozaki pela pacincia nos
meus momentos de mau humor e madrugadas acordadas.
minha orientadora, Dra. Emil ia Satoshi Miyamaru Seo, pela amizade,
confiana, incentivo e, principalmente, pelos conhecimentos adquir idos no
decorrer da nossa convivncia.
Aos pesquisadores do Programa de Clulas a Combustvel - PROCEL, Dr.
Marcelo Linardi, Dr. Estevan Spinac e Dr. Almir Oliveira Neto, pelo suporte,
materiais e discusses essenciais para o desenvolvimento desta dissertao.
Aos profissionais da rea de Meio Ambiente, pelas crt icas e sugestes que
serviram de base para a formatao da aval iao ambiental : Dr. Jacques
Demajorovic e M.Sc Alcir Vilela Jnior - Faculdade de Engenharia Ambiental
/Centro Universitrio SENAC; Dr. Gil Anderi da Silva - Grupo de Preveno a
Poluio/ Escola Politcnica da Universidade de So Paulo e Dr. Milton Nono
Sogabe - Secretaria de Estado do Meio Ambiente (SMA)/ Companhia de
Tecnologia e Saneamento Ambiental (CETESB).
Aos doutores e tcnicos , pelos esclarecimentos e anl ises realizadas: Dr.
Nelson Batista de Lima, Dra. Mitiko Saiki, Dra. Vera Lcia Ribeiro Salvador, Dra.
El izabete Dantas Sonoda, Dra. Duclerc Fernandes Parra, Marco Andreol i , Marco
Scapin, Olandir Vercino Corra e Elias Silveira.
A Dra. Snia R. M. Castanho, Dr. Egberto Gomes Franco, M.Sc.Edgard
Ferrari da Cunha, M.Sc Antnio R. dos Santos, M.Sc Marcelo do Carmo, M.Sc
Thais Aranha, M.Sc Martha L. Bejarano, M.Sc Rubens Chiba, M.Sc Walter Kenji,
l ize Puglia, Bruno Ribeiro de Matos, pelo auxlio e informaes diversas. Por fim,
aos demais colaboradores e colegas de jornada acadmica do IPEN, pelas idias
e os momentos de distrao.
/\ nos/a cultura do desenvolvimento no prev o
retorno iluminao vela; projeta-se para o
futuro, no para o passado; leva em conta o
equilbrio biofsico, no em termos estticos, mas
dinmicos, avaliando os fatos conforme tempos
biolgicos, objetivando um fluxo estacionario de
energia, de populaes, de recursos.
Enzo Tiezze
A N L I S E A M B I E N T A L DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A
T R O C A D O R A DE PROTNS S O B O ENFOQUE DA A V A L I A O DO C ICLO
DE V IDA
S A N D R A HARUMI F U K U R O Z A K I
RESUMO
A energia o combustvel do crescimento e um requisito essencial para o
desenvolv imento scio-econmico. No entanto, o atual modelo de produo
baseado em combustveis fsseis considerado ameaador para o homem e a
natureza. Desta forma, as preocupaes relacionadas s atividades antrpicas e
os seus efeitos no meio ambiente so traduzidos pela implementao de padres
mais rgidos de controle ambiental e pela mobi l izao da sociedade em favor das
tecnologias energt icas menos impactantes. Diante desse cenrio, a Clula a
Combustvel de Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC tem sido reconhecida
como a resposta para a premente necessidade de energia limpa e eficiente. Em
relao aos sistemas convencionais de gerao de energia, suas vantagens
durante o uso a conf iguram como candidata ideal para diversas apl icaes, em
especial as mveis. Entretanto, embora o foco de diversas aval iaes ambientais
em sistemas de energia seja voltado para a etapa da sua util izao, os estgios
relacionados produo do sistema e dest inao final devem ser considerados j
que estes tambm apresentam impactos. No caso da PEMFC, nas fases
anteriores e posteriores ao uso, os aspectos relacionados aos catal isadores de
platina apontam cargas ambientais que no podem ser negl igenciadas. Neste
sentido, a Aval iao do Ciclo de Vida tem sido util izada para entender e
questionar os riscos e oportunidades que acompanham um determinado produto,
a partir de uma viso sistmica das suas relaes com o meio ambiente.
precisamente nesse contexto que o presente trabalho pretende dar sua maior
contribuio, a partir de um estudo exploratrio almeja-se prover uma anl ise
ambiental dessa tecnologia na etapa ps-uso do conjunto eletrodo membrana,
nomeadamente em relao aos catal isadores de platina, sob o enfoque da
Aval iao do Ciclo de Vida - ACV. Para atingir tal propsito, so apresentadas e
discutidas as relaes entre energia, meio ambiente e desenvolvimento, bem
como a tecnologia de Clulas a Combustvel e os atuais estudos sobre ACV da
PEMFC. As contr ibuies das questes levantadas foram uti l izadas para o
desenvolvimento de um mtodo de recuperao dos catal isadores da PEMFC e,
especialmente, para a sua posterior aval iao ambiental . Dentre os resultados
significativos destaca-se a importncia da ACV como ferramenta til para
compreender o peso das questes ambientais relacionadas platina e, para
subsidiar as estratgias relacionadas ao desenvolvimento, consol idao e
inovao da PEMFC.
ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF THE PROTON EXCHANGE MEMBRANE
FUEL CELL ON THE SUBJECT OF LIFE CYCLE ASSESSMENT
S A N D R A HARUMI F U K U R O Z A K I
ABSTRACT
The energy is the fuel of growth and an essential requirement for the socioeconomic development. However, the current production model is based on fossil fuels, considered as threat to man and nature. As for, the relating to the human activities and their effects on the environment, they are handled by the implementation of a more rigid model of environmental control and the mobilization of the society in favor of technologies with less energy impact. In view of this scenario, the Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC has been recognized as a key for the vital need of a clean and efficient energy. Considering the conventional power generation system, their advantages during usage configure its application as an ideal option for several utilities, especially in the mobile sector. Even though, the focus on several environmental evaluations in energy systems is referred back to the initial stage of it use, the employment relating to production of the system and to final destination should be considered, since these also present impacts. In the case of PEMFC, their previous and subsequent phases of use are issues related to the platinum catalysts, which indicates an environmental importance that cannot be overlooked. In this sense, the Life Cycle Assessment has been used to understand and to question the risks and opportunities that are associated to certain product, starting from a systemic concept of their relationships with the environment. It is precisely in this context that the present research intends to present its major contribution, starting from an exploratory study towards the its objectives to provide an environmental analysis of such technology linked to post stage of powder-use of the membrane electrode assembly - MEA, concerning the platinum catalysts, on the subject of Life Cycle Assessment - LCA. To attain such aim, the relationships between energy, environment and development are presented and discussed, as well as, the Fuel Cell technology and the current studies on LCA of PEMFC. Several questions raised up on this issues have conthbuted in the development of a method of recuperating the PEMFC catalysts and, particularly, for its subsequent environmental evaluation. Among significant results are the importance of LCA, out lined as useful tool for perceiving the weight of environmental matters concerning the platinum and its subsidy strategies relating to the development, consolidation and to the innovation of PEMFC.
INTRODUO 15
OBJET IVO 19
F U N D A M E N T A O TERICA
1 - ENERGIA, MEIO A M B I E N T E E DESENVOLVIMENTO 21
1.1 - Energia e Meio Ambiente 22
1.1.1 - Mudanas Climticas 24
1 . 1 . 2 - Deposies cidas 25
1 . 1 . 3 - Poluio Urbana do Ar 26
1.1.4 - Centrais Termoeltr icas 27
1 . 1 . 5 - Centrais Hidroeltricas 28
1.1.6 - Centrais Nucleares 28
1.2 - Energia e Desenvolvimento 29
2 - C L U L A S A C O M B U S T V E L 31
2.1 - Sonho ou Desafio? 31
2.2 - Or igem e Histria da Tecnologia 32
2.3 - Sistema Conversor de Energia 34
2.3.1 - Classif icao das Tecnologias 36
2.4 - Principais Vantagens 38
2.4.1 - Alta Eficincia e Segurana 38
2.4.2 - Flexibil idade de Planejamento 40
2.4.3 - Desempenho Ambiental 41
2.5 - Tecnologia da Clula a Combustvel de Membrana Trocadora de Prtons 42
2.5.1 - Evoluo Histrica do Desenvolv imento 45
2.5.2 - Apl icaes 46
3 - A V A L I A O DO CICLO DE V IDA 50
3.1 - Breve Histrico e Definies 51
3.2 - Guia e Marco Metodolgico 54
3.2.1 - Objetivo e Escopo 55
3.2.2 - Inventrio do Ciclo de Vida - ICV 57
3 . 2 . 3 - A v a l i a o do Impacto do Ciclo de Vida - A lCV 58
3.2.4 - Interpretao 60
3.3 - Aval iao do Ciclo de Vida Simplif icada 61
3.4 - Restries a Prtica da Aval iao do Ciclo de Vida 63
3.5 - Importancia do Uso da Aval iao do Ciclo de Vida 64
4 - A V A L I A O DO CICLO DE VIDA DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE
M E M B R A N A T R O C A D O R A DE PRTONS 66
4 - Emisses Ambientais da SOFC e SPFC: sistema de produo e disposio
final 67
4 . 1 . 1 - S i s t e m a PEMFC 69
4.1.2 - Processo Produtivo do MEA 70
4 . 1 . 3 - I n v e n t r i o 72
4 . 1 . 4 - Anlise do Inventario e Consideraes sobre o Estudo 75
4.2 - Aval iao do Ciclo de Vida de Mdulos de Clulas a Combustvel 77
4.3 - Impactos da Legislao de Residuos Veiculares na Unio Europia: opes
de fim de vida para as clulas de eletrlito polimrico 78
4.5 - Anl ise Geral dos Estudos sobre a Aval iao do Ciclo de Vida da PEMFC 78
M E T O D O L O G I A
5 - DESENVOLVIMENTO E A N L I S E DO PROCESSO DE R E C U P E R A O
DOS C A T A L I S A D O R E S DE P L A T I N A DA PEMFC 81
5.1 - Rota Experimental 81
5.2 - Aval iao do Ciclo de Vida Simplif icada do Processo 85
5.2.1 - Objetivo e Escopo 87
5.2.2 - Inventrio 88
5.2.2.1 - A n l i s e T e r m o g r a v i m t r i c a - A T G 91
5.2.2.2 - Espectrometra de Fluorescncia de Raios X - FRX 91
5.2.2.3 - D/frao de Raios X - DRX 92
5.2.2.4 - Anl ise por At ivao Neutrnica 93
5.2.2.5 - Anl ise de Voltametr ia Cclica 94
5.2.3 - Aval iao de Impactos 95
5.2.4 - Interpretao 99
R E S U L T A D O S E D ISCUSSES
6 - A V A L I A O DO C ICLO DE VIDA DO PROCESSO DE R E C U P E R A O
DOS C A T A L I S A D O R E S DE PLAT INA DA PEMFC 100
6.1 - Pr Aval iao da ACV: questes relevantes sobre a Platina 100
6.1.1 - Propriedades gerais da platina 102
6.1.2 - Demanda e Apl icaes 104
6.1.3 - Suprimento e Preo 107
6 . 1 . 4 - Impactos Ambientais e Restr ies Legais 109
6.1.5 - Consideraes sobre a Etapa de Simpli f icao 112
6.2 - Inventrio: coleta e anlise dos dados 113
6.2.1 - Processo de Produtivo do MEA 113
6.2.2 - Processo de Recuperao 121
6.2.3 - Anl ises de Verif icao: eficincia do processo 121
6.2.4 - Anl ises de Caracterizao: potencial de reciclagem 126
6.3 - Aval iao de Impactos 130
6.3.1 - Identif icao de Aspectos e Impactos 130
6.3.2 - Anl ise da Signif icncia 134
C O N C L U S E S
Concluses 137
REFERNCIAS
Referncias 140
Tabela 1.1 - Escala de problemas ambientais associados energia 23
Tabe la 1.2 - Contr ibuio relativa de gases provenientes de combustveis fsseis
ao efeito estufa 24
26
37
59
60
62
Tabe la 1.3 - Fontes de poluio e seus poluentes
Tabe la 2.1 - Classif icao das CaC conforme o eletrlito uti l izado
Tabe la 3.1 - Exemplos de listas de seleo de categorias de impactos
Tabela 3.2 - Exemplos de indicadores e modelo de caracterizao
Tabela 3.3 - Anl ise dos mtodos de simplif icao da ACV
Tabela 4.1 - Quant idade dos principais materiais e os requerimentos em termos
de energia 72
Tabe la 4.2 - Entrada de energia para cada processo de produo do MEA. 72
Tabe la 4.3 - Perdas de materiais no processo de produo do MEA 73
Tabe la 4.4 - Emisses para o meio ambiente da produo de platina. 74
Tabe la 4.5 - Total de emisses para o meio ambiente na produo do MEA 74
Tabe la 4.6 - Custo das perdas de platina 75
Tabe la 5.1 - Caracterst icas do MEA 83
Tabe la 5.2 - Exemplo de aspectos e impactos 96
Tabe la 5.3 - Escala de probabil idade 97
Tabela 5.4 - Escala de severidade 97
Tabe la 5.5 - Escala de limites 98
Tabela 5.6 - Escala de status regulatrio 98
Tabe la 5.7 - Aval iao mltipla dos critrios 99
Tabe la 6.1 - Propriedades da platina 103
Tabe la 6.2 - Estado de oxidao e compostos de platina 103
Tabe la 6.3 - Demanda de platina por setor em qui logramas 106
Tabela 6.4 - Suprimento de platina por regio em qui logramas 107
Tabela 6.5 - Custo da fabr icao do eletrodo e porcentagem do aumento entre os
anos 2004 e 2005 108
Tabe la 6.6 - Referncias de estudos sobre a concentrao de platina em
diferentes compart imentos ambientais, na fauna, f lora e outros locais 110
Tabe la 6.7 - Composio da tinta cataltica 114
Tabe la 6.8 - Carga cataltica e massa est imada por eletrodo 115
Tabe la 6.9 - Especif icaes do eletrlito e da camada difusora. 115
Tabe la 6.10 - Valores obtidos na pesagem do MEA e dos seus componentes em
gramas 116
Tabe la 6.11 - Comparao entre a massa inicial e final do MEA em gramas 116
Tabe la 6.12 - Comparao entre a massa do eletrlito padro (P) e do eletrlito
obtido no processo em (R ) em gramas 117
Tabe la 6.13 - Comparao entre a massa da camada difusora padro e da
camada obtida no processo (R ) em gramas 117
Tabe la 6.14 - Comparao entre a massa da camada cataltica terica (T) e a
camada obtida no processo em gramas. 118
Tabe la 6.15 - Massa est imada para os elementos da camada cataltica obtida no
processo de recuperao em gramas 119
Tabe la 6.16 - Perfil das amostras encaminhadas para anlise em gramas 119
Tabe la 6.17 - Determinao da platina e outras impurezas 124
Tabe la 6.18 - Dimetro mdio das partculas de catal isadores de platina
preparados por diferentes tcnicas 128
Tabe la 6.19 - Identif icao de atividades, aspectos e potenciais impactos 132
Tabe la 6.20 - Aval iao da signif icancia dos impactos 134
Tabe la 6.21 - Critrios considerados durante a pontuao 135
Figura 1.1 - Efeito estufa 25
F i g u r a 2 . 1 - Converso direta de energia das CaC em comparao as tecnologas
de converso indireta 35
F igura 2.2 - Classif icao das Clulas a Combustvel 36
F igura 2.3 - Comparao das eficiencias em porcentagem (%) 38
F i g u r a 2.4 - Desenho esquemtico da PEMFC 43
F igura 2.5 - MEA e clula unitria da PEFC 43
F i g u r a 2.6 - Mdulo do PEMFC 44
F igura 2.7 - Exemplo de apl icao porttil ( laptop) da PEFC 47
F i g u r a 2.8 - Veculo de emisso nula - NECAR 47
F igura 3.1 - Etapas da aval iao do ciclo de vida. 54
F igura 3.2 - Dimenses do escopo de estudo da A C V 55
F igura 3.3 - Exemplo de um diagrama de fluxo de um sistema e processos de um
produto 57
F i g u r a 3.4 - Estrutura conceituai da A lCV 59
F igura 3.5 - Procedimentos de simpli f icao da A C V 63
F igura 4 . 1 - Diagrama conceituai do ciclo de vida de um sistema CaC em 7
estgios 68
F i g u r a 4.2 - Diagrama do f luxo de produo do MEA 71
F i g u r a 5 . 1 - Proposta de recuperao da platina do MEA da PEMFC encontradas
na literatura 82
F igura 5.2 - Diagrama simplif icado do procedimento experimental 84
F igura 5.3 - Software de ACV - Sima Pro Demo 89
F igura 5.4 - Ficha de coleta de dados 90
F i g u r a 6.1 - Diagrama geral do ciclo de vida da platina 101
Figura 6.2 - Jia de platina 104
F igura 6.3 - Platina em barra em gros 104
F igura 6.4 - Sensor de platina utilizado para detectar monxido de carbono 105
F igura 6.5 - Platina ancorada em substrato de alumina, util izada como
catalisador em processos da industria petrolfera 106
F igura 6.6 - Disco rgido com camada magnt ica de platina 106
F igura 6.7 - Preo da platina no perodo de janeiro de 2004 a dezembro de 2005
108
F igura 6.8 - Escala de risco ecolgico 111
F igura 6.9 - Ciclo de vida da platina na PEMFC 113
F igura 6.10 - Diagrama de blocos de preparao do MEA 114
F igura 6.11 - Inventrio do processo de recuperao 120
F igura 6.12 - Curva da ATG para a massa cataltica 122
F igura 6.13 - Curva da ATG para tinta cataltica 123
F igura 6.14 - Curva da A T G para a platina comercial 123
F igura 6.15 - Elementos detectados pela anlise de at ivao neutrnica 125
F igura 6.16 - Difratogramas de raios X para a camada cataltica 126
F igura 6.17 - Difratogramas de raios X para a tinta cataltica 126
F igura 6.18 - Difratogramas de raios X para a platina comercial 127
F igura 6.19 - Vol tamogramas cclicos para a massa cataltica, tinta e platina
comercial 129
F igura 6.20 - At iv idades do processo de recuperao nas quais so
identif icados os aspectos ambientais 131
F igura 6.21 - Exemplo de uma cadeia de efeitos relativos ao consumo de
energia 132
15
No decorrer do tempo, a produo de energia eltrica constituiu-se como
um fator ct iave no desenvolvimento das sociedades. A partir da I Revoluo
Industrial, em meados do sculo XVIII , uma transformao indubitvel ocorreu
nas relaes produtivas e sociais, favorecida pela descoberta de novos
mecanismos de converso energtica e fomentada pelo uso do carvo. A
substituio gradativa dessa fonte por outras, como o petrleo e o gs natural,
propiciou uma nova organizao de mbito global, concomitamente a II
Revoluo Industrial, sobrevinda um sculo depois.
Desenvolveu-se ento toda uma gama de indstrias baseadas na
economia de energia fssil, por um lado, voltadas para a produo e suprimento
de energia: mquinas diversas, turbinas, sistemas de transmisso; por outro, para
a sua uti l izao: equipamentos de uso industrial e domstico, i luminao, fora
motriz, cl imatizao e comunicao. Conseqentemente, esse conjunto de
instrumentos alterou de forma profunda o ritmo e o curso dos processos de
formao scio-espacial e econmicas da humanidade, moldando as
caracterst icas do atual desenvolvimento.
Contudo, nos anos 7 0 \ uma crise mundial sem precedentes, acarretada
pelo boicote internacional realizado pelas naes rabes, membros da
Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo - OPEP, propiciou uma busca
frentica por fontes alternativas de energia e despertou o mundo para a
necessidade de melhor util izao dos recursos naturais. No mesmo perodo,
internacionalmente, assistia-se ao surgimento de uma economia ambiental , como
conseqncia da inquietao global quanto a sustentabi l idade dos sistemas de
produo vigente.
Pelo prisma do crescimento econmico, formularam-se conceitos como
Integrated Resources Planning e o Demand Side Management, voltados para o
planejamento e uso racional dos recursos, os quais ainda hoje const i tuem modos
de gesto e expanso de sistemas energt icos, como alternativa ao paradigma
meramente demogrf ico de oferta crescente para consumo crescente (GRIMONI
e. al., 2004).
' Em 1973 a crise do petrleo foi provocada pelo embargo ao fornecimenlo de petrleo aos Estados Unidos e s potencias europias e posteriormente, em 1979, causada pela revoluo iraniana que derruba o .\ Reza Pahlevi.
16
Do ponto de vista ecolgico, os desastres ambientais fatais como o fog em
Londres, a contaminao por mercrio na baa de Minamata no Japo, o acidente
nuclear em Three Mile Island nos Estados Unidos, a contaminao por gases
txicos em Bhopal na ndia, bem como as conseqncias locais, regionais e
globais associadas ao uso intensivo de combustveis fsseis, como chuva cida,
camada de oznio e aumento da temperatura (PENNA, 1999), indicaram a
insustentabil idade do modelo energtico corrente e a necessidade de fomentar o
desenvolvimento de sistemas geradores de energia que possibi l i tassem uma
contr ibuio decisiva para um futuro ambientalmente seguro.
Paralelamente, o pensamento inaugurado pelo Clube de Roma (1960),
prosseguido pela Conferncia de Estocolmo (1972), o Relatrio da Comisso de
Brundtland (1987) e a Reunio da Cpula da Terra (1992) conduziram a
concluses similares, segundo os quais o modelo de produo e consumo em
vigor, incluindo o atendimento as exigncias energticas, no compatvel com
uma perspect iva de sustentabi l idade intergerencial e nem equidade, em mbito
mundial no presente.
Estas constataes resultaram no paradigma do desenvolvimento
sustentvel, no qual a capacidade de assegurar os direitos das geraes
presentes e futuras esto int imamente relacionadas energia (REIS & SILVEIRA,
2001). No obstante, tambm emergiu a crescente tendncia de padres mais
rgidos de controle ambiental a valorizao das fontes renovveis, menos
poluidoras e, os instrumentos de preveno e mit igao das external idades
ambientais negativas, sobretudo os que visam auxil iar na compreenso, reduo
e controle dos impactos na natureza, entre os quais ressalta-se a Aval iao do
Ciclo de V i d a - A C V .
Dentre as diferentes rotas inovadoras para a gerao de energia mais
sustentvel est, atualmente, o hidrognio, cuja viabil idade energtica encontra-
se na tecnologia de clulas a combustvel - CaC. Estas so dispositivos
eletroqumicos que podem converter continuamente a energia qumica de certas
fontes renovveis ou no, em eletr icidade sem a necessidade de combusto a
quente e com um rendimento global superior aos equipamentos de transformao
convencionais. Em adio a natureza eletroqumica da reao produzindo gua
17
(KORDESCH & SIMADER, 1996), a alta eficincia pode propiciar urna
significativa reduo do uso de combustveis fsseis e da l iberao de gases do
efeito estufa, resultando em emisses locais extremamente baixas durante o uso,
fator especialmente importante em reas densamente povoadas.
Deste modo, os diferentes tipos de tecnologia CaC configuram-se em
candidatas ideais para uso em apl icaes mveis e estacionrias, incluindo
pequenas residncias, plantas de energia e calor de mdia e larga escala,
respect ivamente. No setor mvel, as CaC, part icularmente as de baixa
temperatura de operao (80 a 90 C), como a Clula a Combustvel de
Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC, podem ser usadas em veculos
particulares e coletivos, trens, avies, barcos, a lm de sistemas portteis de
diversos usos (BAUEN et. al., 2003).
Perante essas part icularidades, os distintos setores da sociedade tm
direcionado uma maior ateno para as CaC, pr incipalmente em relao a
PEMFC, visto a crescente demanda por energia e a preocupao em relao
qual idade urbana do ar, acidif icao regional e mudanas climticas. Entretanto,
essas caractersticas vinculadas uti l izao da tecnologia refletem apenas parte
deste quadro, pois recursos so consumidos e emisses so geradas em outras
etapas do contexto global do ciclo de vida desse produto, incluindo a manufatura
e a disposio final.
Segundo KARAKOUSSIS et. al (2000), o estgio em uso t ipicamente
dominante na aval iao de todo o ciclo de vida dos sistemas convencionais de
gerao de energia e engenhar ia de transporte. Contudo, os sistemas de CaC
comprometem uma escala relat ivamente extica de materiais e requerem
processos de manufatura que ainda esto em desenvolvimento,
conseqentemente a anl ise dos seus outros estgios do ciclo de vida so de
suma importncia, visto apresentarem vantagens ambientais durante sua
util izao.
No caso da PEMFC, mesmo encontrando-se no limiar do estgio comercial,
o fator determinante para a sua ampla insero no mercado envolve, alm de
questes econmicas relacionadas ao alto custo dos materiais da membrana e
dos catal isadores de platina, os aspectos ambientais relacionados a este metal
18
durante a fase de produo e ps-consumo do mdulo da PEMFC (PEHNT, 2 0 0 1 ;
HANDLEY, 2002).
Neste sentido, a Aval iao do Ciclo de Vida tem se consol idado como uma
ferramenta lder, tanto no mundo empresarial como governamental , para entender
e questionar os riscos e oportunidades que acompanham os produtos ao longo de
sua vida, desde a fase de extrao de recursos para a manufatura at o seu
destino final, ps-consumidor.
Por conseguinte, os processos de deciso baseados em uma A C V
conduzem a aes mais efetivas e, com maior sustentao no longo prazo com
relao reduo dos custos econmicos e ambientais das companhias e para o
pas (CALDEIRA-PIRES et. al, 2005). Portanto, para o desenvolvimento e
promoo de novos modelos energticos, torna-se imperativo a adoo desse
instrumento.
Face s consideraes acima, a preocupao primordial deste estudo est
em convergncia com o momento atual, isto , na necessidade de aprofundar o
conhecimento relacionado ao peso das questes ambientais no desenvolvimento,
consol idao e inovao da Clula a Combustvel de Membrana Polimrica
Trocadora de Prtons - PEMFC, visto, no mbito do desenvolvimento sustentvel,
a premncia pelo fornecimento de energia limpa e segura ao meio ambiente.
19
Tendo em vista as consideraes apresentadas na introduo e
principalmente, dada a importncia dos catal isadores de platina no mbito
econmico e ambiental de desenvolvimento da Clula a Combustvel de
Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC, o presente trabalho tem por objetivo
geral prover uma anl ise ambiental dessa tecnologia na etapa ps-uso do
conjunto eletrodo membrana, nomeadamente em relao platina, sob o
enfoque da Aval iao do Ciclo de Vida - ACV. Neste sentido, os seguintes
objetivos especf icos foram del imitados:
1)- Apresentar os aspectos gerais sobre energia, sua relao com o meio
ambiente e desenvolvimento sustentvel, bem como a tecnologia PEMFC;
2) - Proporcionar informaes sobre a abordagem metodolgica da Aval iao do
Ciclo de Vida e sua importncia no contexto do estudo;
3)- Analisar e discutir as principais publicaes existentes sobre a A C V da
PEMFC, especi f icamente no que tange as questes relacionadas aos
eletrocatal isadores de platina;
4)- Desenvolver um mtodo de recuperao de platina e exemplif icar o uso da
ACV, aval iando a sua funcional idade na definio de mtodos para a recuperao
e reciclagem do catalisador da PEMFC, a partir de um estudo exploratrio.
Para atingir tal propsito, o desenvolvimento da pesquisa consistiu
inicialmente na pesquisa bibliogrfica em base de dados especial izados. Esta
etapa consol idou-se na construo de quatro captulos nos quais so
apresentadas as fundamentaes tericas do estudo que serviram de alicerce
para o desenvolv imento do mtodo de recuperao dos catal isadores de platina
da PEMFC e, especialmente, para a sua posterior avaliao ambiental .
Os procedimentos real izados na construo e aval iao do processo
configuraram na metodologia aqui apresentada como quinto captulo, sendo os
dois ltimos captulos subseqentes os resultados e discusses e, as concluses
da pesquisa. Portanto, o trabalho est estruturado da seguinte forma:
20
O captulo I apresenta concisamente os aspectos relevantes sobre energa,
meo ambiente e desenvolv imento, cujo contexto aborda a importncia da
tecnologia de CaC no cenrio atual. Na seqncia, o captulo II aglutina
Informaes sobre a CaC, apontando sua origem, histrico do desenvolvimento,
suas principais caractersticas e vantagens, com especial ateno tecnologia
PEMFC, inserindo as questes relevantes para a abordagem metodolgica da
ACV.
Subseqentemente, o capitulo III introduz a Aval iao do Ciclo
apresentando o histrico, guia e marco metodolgico, simpli f icao da ACV e
outros aspectos como importncia do uso dessa ferramenta de gesto no
desenvolv imento industriai e no Brasil.
O captulo IV aglutina informaes sobre os atuais estudos realizados
sobre a Aval iao do Ciclo de Vida da PEFC e, dada a ausncia de literatura
nacional sobre o assunto, optou-se por descrever e discutir trs dos principais
estudos realizados internacionalmente, identif icando os problemas ambientais
associados ao ciclo de vida de um mdulo da PEFC e, ainda, suas implicaes
para a sustentabi l idade da tecnologia.
No captulo V apresenta-se o desenvolvimento e a anl ise do processo de
recuperao da platina da PEMFC em duas etapas. A primeira caracteriza-se pela
descr io dos procedimentos uti l izados na rota experimental, enquanto a segunda
trata daqueles relacionados anlise simplif icada da ACV dos MEA da PEFC,
produzida e util izada no Programa de Pesquisa e Desenvolvimento de Clulas a
Combustvel do IPEN (PROCEL) .
O captulo VI traz os resultados e discusses decorrentes da aval iao do
ciclo de vida simplif icada. No entanto, dada as dif iculdades notrias e grande
divergncia no tratamento das questes levantadas, este captulo se coloca como
uma contr ibuio e discusso no sentido de criar abordagens ou mtodos que
incluem as questes ambientais sistematicamente na pesquisa e desenvolvimento
da tecnologia PEFC. Por fim, as principais constataes da pesquisa, incluindo as
recomendaes e as sugestes futuras sobre as questes tratadas neste estudo
so apresentadas nas concluses.
21
1 - ENERGIA, MEIO AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO
A histria do desenvolvimento humano possui uma estreita relao com o
uso da energia, cuja part icipao imprimiu e imprime, o ritmo das modif icaes no
contexto scio-econmico. A partir da segunda metade do sculo XVII I , a
referncia ao uso intensivo das fontes energticas, em termos produtivos , pode
ser verif icada na Europa Ocidental, part icularmente durante a Revoluo
Industrial.
Neste perodo, o apogeu das mquinas a vapor elege o carvo mineral
como fonte de energia primria, devido s suas caractersticas e quant idade
disponvel, superando assim, o uso da lenha. Na segunda metade do sculo XIX,
a indstria do petrleo dava seus primeiros passos na participao da matriz
energtica mundial, inicialmente em solo norte-americano (at meados da
Primeira Guerra Mundial) e, posteriormente no Oriente Mdio, consol idando os
pases desta regio em uma das principais fontes de energia no mundo.
Paralelamente, a energia com qual idade, de fcil acesso, com alto grau de
fracionamento se desenvolve no final do sculo XIX, marcando o surgimento da
indstria da eletricidade. Tratando-se de uma fonte secundria de energia
(depende de t ransformaes a partir de fontes primrias), a eletricidade destacou-
se ao longo do sculo X X face sua participao na viabil izao de at ividades e
processos, desde os pr imrdios da i luminao pbl ica at os atuais equipamentos
eletrnicos, em especial os motores eltricos.
O motor eltrico trifsico representou um importante passo no sistema
energtico, estabelecendo estruturas e conceitos que evoluram e prevalecem at
os dias de hoje. Para a indstria, o uso da eletricidade, significou a possibi l idade
de concepo de layout's adequados de forma independente aos processos
produtivos (FERNANDES FILHO ef. al, 2004). Quanto sociedade, o acesso
eletricidade proporcionou, alm de bens de consumo e servios necessrios
qual idade de vida, o desenvolv imento social no seu sentido mais amplo.
No obstante, o surgimento de novas tecnologias tambm propicia, a partir
dos anos 50, o uso da energia nuclear, na qual acreditava-se na poca que esta
22
viria a substituir a economia de energia fssil. De acordo com UDAETA ef. al
(2004), nos tempos modernos, as energias renovveis se consol idaram apenas
por meio de grandes hidroeltricas. No entanto, a primeira grande crise do
petrleo em 1973, desperta o desenvolvimento de novos mecanismos de
converso de energia baseada em recursos renovveis e, a busca pela garantia
de atendimento s necessidades futuras.
Desta forma, ao longo do tempo foram vrias as fontes energt icas que
part iciparam no cotidiano das populaes, umas sucedendo s outras, ou ainda,
atuando simultaneamente, em propores variadas, conforme a sua
disponibi l idade e custo. Todavia, o uso da energia em equil brio com o
desenvolv imento scio-econmico representa um dos grandes desafios da
humanidade. Para tanto torna-se importante ter uma compreenso minimamente
clara dos processos envolvidos nas transformaes energt icas e suas
conseqncias ambientais.
1.1 Energia e Meio Ambiente
No decorrer da sua histria, a humanidade tem selecionado os sistemas
energt icos em funo de dois elementos: a disponibi l idade tcnica e a
viabi l idade econmica. Porm, o modelo energtico vigente tem se revelado
insustentvel, comprometendo, cada vez mais a curto prazo, os equilbrios
ecolgicos e cl imticos e, conseqentemente o desenvolvimento scio-econmico
e o bem estar social. Desta forma, na ltima dcada, um novo parmetro tem
progressivamente condicionado a aceitao ou recusa dos sistemas de energia:
os impactos ambientais resultantes da sua implementao.
Conforme OLIVEIRA ef. al (2004) o setor energtico produz efeitos nocivos
ao meio ambiente em toda a sua cadeia de desenvolvimento, desde a extrao de
recursos naturais at os seus usos finais. Por exemplo, a extrao de recursos
energt icos, seja petrleo, carvo, biomassa ou hidroeletricidade, tm impl icaes
em mudanas nos padres de uso do solo, recursos hdricos, al terao da
cobertura vegetal e na composio atmosfrica.
23
J os processos relacionados com a produo e uso de energia l iberam
para a atmosfera, a gua e o solo diversas substncias que comprometem a
sade e sobrevivncia no s do homem, mas tambm da fauna e flora. Embora
seja difcil identificar com clareza todos esses impactos, uma vez que estes
podem ocorrer de forma direta e indiretamente, a energia , do ponto de vista
global, pode ser apontada como uma das principais fontes de desequilbrio da
natureza causada pelo homem.
No obstante, os danos ambientais no se restr ingem ao local onde se
realizam as atividades de produo ou de consumo de energia, mas tambm
abrangem as escalas regionais e globais (TAB 1.1). No nvel regional pode-se
mencionar, por exemplo, o problema de precipitaes cidas, ou ainda o
derramamento de petrleo em oceanos, que pode atingir vastas reas.
TABELA 1.1 - Escala de problemas ambientais associados energia
Prob lemas G l o b a i s Mudana no Clima Global Depleo do Oznio Estratosfrico Reduo da Biodiversidade
Prob lemas Reg iona is
Degradao e Uso da gua e do Solo Contaminao ocenica Mobilizao de Contaminantes Txicos Precipitao cida Radioatividade e lixos radioativos
P r o b l e m a s L o c a i s
Poluio do ar urbano Poluio do ar interno Poluio das guas subterrneas e de superfcies Resduos slidos e perigosos Campos eletromagnticos Sade e Segurana ocupacional Acidentes de larga escala Esttica e outros aspectos (por ex. rudos, perturbao visual)
Fonte : CARVALHO (2000)
Em relao aos impactos globais, e os exemplos mais contundentes so as
alteraes climticas resultantes do acmulo de gases na atmosfera (efeito estufa)
e, a depleo da camada de oznio devido ao uso de clorof iuorcarbonetos
uti l izados em equipamentos de ar condicionado e refr igeradores. Neste sentido,
apresenta-se a seguir a principal conseqncia ambiental de cada escala de
24
abrangncia, e posteriormente os impactos der ivados dos atuais sistemas de
energia.
1.1.1 M u d a n a s C l i m t i c a s
Um dos mais complexos e maiores efeitos das emisses do setor
energtico so os problemas globais relacionados a mudanas cl imticas.
Segundo REIS e. al (2005), o aquecimento global resulta da modif icao na
intensidade de radiao trmica emit ida pela superfcie da Terra, em funo da
crescente concentrao de gases do efeito estufa (GEE), cujas emisses esto
relacionadas ao uso de combustveis fsseis (TAB .1.2).
TABELA 1.2 - Contribuio relativa de gases provenientes de combustveis fsseis ao efeito estufa
Gs CarbAnico Metano (CH
25
Parte da radiao solar refletida pela Terra e atmosfera
A radiao solar atravessa a atmosfera limpa
A maior parte da radiao solar absorvida pela superfcie da Terra , aquecendo-a
TERRA
Parte da radiao infravermeltia absorvida na Terra e re-emitida pelos gases estufa. O efeito disso o aquecimento da superfcie e da atmosfera baixa
A superfcie da Terra , emite radiao infravermelha
FIGURA 1.1 - Efeito estufa
Fonte: CARVALHO, 2000
Neste sentido, as impl icaes no clima mundial para os pases e suas
populaes encontram-se na alterao da produtividade agrcola e da pesca,
inundaes de regies costeiras e aumento de desastres naturais. A seriedade
desses efeitos tem sido reconhecida por diversos estudos cientficos
internacionais e vrios pases esto procurando consenso para uma agenda
mnima de at ividades para controle e mit igao de emisses, como o Protocolo de
Kyoto, discutido no mbito dos pases signatrios da Conveno Climtica .
1.1.2 D e p o s i e s c i d a s
Embora o termo chuva cida seja amplamente uti l izado nas publ icaes
sobre o assunto em questo, de acordo com OLIVEIRA et. al (2004), a
denominao mais adequada para o fenmeno precipitaes cidas, visto que
as deposies podem ocorrer em forma de chuva, neve, partculas slidas ou
g a s e s .
Os principais componentes encontrados nas precipitaes cidas so o
cido sulf i jr ico (H2SO4) e o cido ntrico (HNO3), formados na atmosfera a partir
26
do dixido de enxofre (SO2) e dos xidos de nitrognio (NOx), ambos produtos
daqueima de combustveis fsseis. Os danos causados pelos cidos l iberados no
uso desse energtico, precipitados tanto na sua forma seca quanto mida,
prejudicam a cobertura de solos, vegetao, agricultura e materiais
manufaturados.
No que tange a sade humana, a presena de particulados contendo SOae
NOx provocam ou agravam doenas respiratrias como bronquite e enfisema,
especialmente em crianas. Esse tipo de problema tem sido verif icado em regies
da China, Hong Kong e Canad que sofrem os efeitos de termoeltr icas a carvo
situadas muitas vezes em locais distantes de onde ocorrem s precipitaes
cidas.
1.1.3 P o l u i o Urbana d o Ar
Um dos problemas mais antigos da civil izao a poluio urbana do ar,
sendo responsvel por inmeras doenas, inclusive mortal idade nas populaes
das grandes cidades. A principal fonte de poluio em reas urbanas advm da
queima de combustveis fsseis para fins de aquecimento domstico, gerao de
energia, funcionamento de motores a combusto interna, processos industriais e
incinerao de resduos slidos (TAB 1.3).
TABELA 1.3 - Fontes de poluio e seus poluentes
Caldeiras e fornos industriais
Motores de combusto interna
Indstria de refino de petrleo
Indstria qulmics
Metalurgia e qumica do coque
Indstria extrativa mineral
Indstria alimentcia
Indstria de materiais de construo
F * a r t i C L i lados
Cinzas e fuligem
Fuligem
R, fuligem
P, fuligem
P. xidos de ferro
Emisses Gasosas
NlOx. SO2, CO. aldedos, cidos orgnicos. 3,4-
benzopireno
CO, rMOx. aldedos, hidrocarbonetos 3,4-
benzopireno
SO2, H2O, NtHs, NOy. CO, cidos, hidrocarbonetos,
aldedos, cetonas
Depende do processo (Ex.: SO2CO, hidrocarbonetos,
solventes)
SO2, I H3, ISIO. CO, composto de flor,
substncias orgnicas
Depende do processo (Ex.: CO, compostos de flor)
MH3. l-lzS (multicomponentes de composto orgnicos)
CO. compostos orgnicos
Fonte: Conservao de Energia - Eficincia Energtica de Instalao e Equipamentos, 2001 apue/CARVALHO (2000)
CCWSSO Ru-H^ f c - i p. ,r/
27
O consumo de derivados de petrleo pelo setor de transporte o que
apresenta a maior contribuio para a degradao do meio ambiente no nivel
local. Est ima-se que 5 0 % dos hidrocarbonetos emit idos em reas urbanas e
aprox imadamente 2 5 % do total das emisses de todo dixido de carbono gerado
no mundo, resultem das at ividades desenvolvidas com os sistemas de transporte.
Ademais, a baixa qual idade desses combustveis em muitos pases, aliada
precar iedade de veculos, trnsito congest ionado e condies cl imticas
desfavorveis em grandes cidades, contr ibuem para que exista uma quase
permanente concentrao de f inas partculas no ambiente urbano, que
comprometem signif icat ivamente a qual idade do ar e, desta forma, a sade
humana (GRIMONI et. al, 2004).
1.1.4 C e n t r a i s T e r m o e l t r i c a s
A produo de eletr icidade em termoeltr icas representa em escala
mundial cerca de um tero das emisses antropognicas de dixido de carbono,
sendo seguida pelas emisses do setor de transporte e industrial. Os principais
combustveis uti l izados em todo o mundo so o carvo, der ivados de petrleo e,
crescentemente, o gs natural. Existem ainda outros t ipos de usinas
termoeltr icas que queimam resduos de biomassa ( lenha, bagao) e at mesmo
resduo urbano.
A lm das emisses de gases e partculas, ocorrem outros problemas
associados com util izao de gua para o processo de gerao termoeltrica,
pois muitas centrais usam a gua para refr igerao ou para produo de vapor.
Esse tem sido um dos principais obstculos para a implantao de termoeltr icas
no pas, uma vez que diversos projetos se localizam ao longo do principal
gasoduto construdo, seguindo exatamente as bacias hidrogrficas com
problemas de abastecimento e de qual idade de gua em regies densamente
povoadas (JANUZZI , 2004).
importante notar tambm que houve bastante progresso com relao ao
aumento da eficincia de usinas termoeltr icas pela introduo de tecnologias de
co-gerao e turbinas a gs. As possibi l idades de gaseif icao de carvo.
28
madeira e bagao oferecem novas oportunidades de usinas mais eficientes e com
menores impactos em relao s convencionais.
1.1.5 Cent ra is H i d r o e l t r i c a s
Segundo JANUZZI (2004), muitas vezes faz-se referncia
hidroeletricidade como sendo uma fonte " l impa" e de pouco impacto ambiental .
Na entanto, embora a construo de reservatrios (grandes ou pequenos) tenha
resultado em enormes benefcios para o pas, a judando a regularizar as cheias,
promover irr igao e navegabi l idade de nos, tambm produziram impactos
irreversveis ao meio ambiente;
No caso de grandes reservatrios, existem problemas com mudanas na
composio e propriedades qumicas da gua, alterao na temperatura,
concentrao de sedimentos, e outras modif icaes que ocasionam problemas
para a manuteno de ecossistemas jusante da localizao da barragem alm,
daqueles relacionados ao reassentamento de populaes locais. Esses
empreendimentos, ainda que bem controlados, tm promovido impactos na
diversidade de espcies (fauna e flora) e na densidade das populaes de peixes.
No Brasil, um dos maiores exemplos o caso da hidroeltrica de Balbina,
que provocou a inundao de parte da f loresta nativa, ocasionando alteraes na
composio e acidez da gua, nas quais poster iormente teve impacto no prprio
desempenho da usina. At recentemente as turbinas apresentavam problemas de
corroso e depsito de material orgnico, em funo das modif icaes que
ocorreram na composio da gua.
1.1.6 Cent ra is Nuc lea res
A energia nuclear talvez aquela que mais tem chamado ateno quanto
aos seus impactos ao meio ambiente e sade humana. So trs os principais
problemas ambientais dessa fonte de energia. O primeiro a manipulao de
material radioativo no processo de produo de combustvel nuclear e nos
reatores nucleares, com riscos de vazamentos e acidentes. O segundo est
29
relacionado com a possibi l idade de desvios clandest inos de material para
uti l izao em armamentos e conseqentemente, acentuando riscos de
associados ao uso de energia nuclear (JANUZZI, 2004).
Finalmente, o ltimo relaciona ao armazenamento dos rejeitos radioativos
das usinas. Embora, tenha ocorrido substancial progresso no desenvolvimento de
tecnologias que diminuem prat icamente os riscos de contaminao radiativa por
acidente com reatores nucleares, aumentando consideravelmente o seu nvel de
segurana, ainda no se apresentam solues satisfatrias e aceitveis para o
problema do resduo nuclear {ibidem, 2004).
Desta forma, os desafios para continuar a expandir as necessidades
energt icas da sociedade com menores efeitos ambientais so enormes, o que
implica na premncia de significativas mudanas nas estratgias de
desenvolvimento, nas tecnologias em vigor, bem como nos padres de consumo
da sociedade moderna, antes que esses efeitos nocivos aqui mencionados
atinjam um ponto irreversvel.
1.2 Energia e Desenvolvimento
Os valores que sustentam o atual modelo de desenvolvimento na
sociedade estruturam-se na exagerada nfase do progresso econmico, no qual
f reqentemente encontra-se a explorao descontrolada dos recursos naturais,
uso de tecnologias de larga escala e consumo desenfreado, responsveis pela
degradao ambiental , disparidades econmicas, desintegrao social e, entre
outros, na falta de perspect ivas futuras.
Diante deste quadro, no caminho para atingir um desenvolvimento
sustentvel, a questo energtica tem um signif icado bastante relevante,
medida que os vrios desastres ecolgicos e humanos das lt imas dcadas tm
relao ntima com a produo de energia e, o fornecimento eficiente
considerado uma das condies bsicas para o desenvolvimento scio-
econmico (SILVEIRA ef. al,. 2001).
De acordo com o Relatrio da Comisso de Brundtland, o desenvolvimento
sustentvel responde necessidade do presente sem comprometer a capacidade
30
das geraes futuras de satisfazer s suas prprias. Tal conceito agrega em sua
definio, trs pontos fundamentais: crescimento econmico, equidade social e
equilbrio ecolgico (DONAIRE, 1995).
Concretamente, este novo paradigma apia-se nos modos de produo e
consumo viveis a longo prazo para o meio ambiente, associados ao
fornecimento de servios e produtos que atendem as necessidades bsicas da
populao e proporcionem melhor qual idade de vida, alm, dentre outros
aspectos, minimizao do uso dos recursos naturais.
Neste contexto, sendo a produo de eletr icidade responsvel por
aprox imadamente um tero do consumo de energia primria mundial e com
tendncias a expandir nas prximas dcadas f icam evidentes a necessidade de
profundas mudanas na gerao, distribuio e uso da energia. Trata-se de
transformaes em direo a um maior uso de recursos renovveis e um
afastamento gradual dos combustveis fsseis.
Para tanto, os esforos de inovao tecnolgica na rea energt ica para
um futuro com menos impactos ambientais so imprescindveis, pois o fomento
das energias renovveis poder, por ventura, constituir-se na chave para um
desenvolv imento sustentvel, nomeadamente para cumprir as polticas de
preservao do meio ambiente e, em particular para travar as alteraes
climticas.
Nesta perspect iva e em meio as diferentes rotas tecnolgicas, as clulas a
combustvel (CaC) tm sido identif icadas como parte da resposta para a premente
necessidade mundial de energia limpa e eficiente. Esta tecnologia de gerao de
eletricidade, tambm reconhecida como um componente fundamental para a
futura "Economia do Hidrognio" poder reduzir substancialmente emisses de
gases do efeito estufa, associados ao atual sistema de transporte e produo de
energia (PEHNT & RAMESOHI , 2002).
31
2- CLULAS A COMBUSTVEL
2.1 - Sonho ou Desafo?
As duas lt imas dcadas do sculo XX podem ser consideradas como a
transio dos mtodos de produo de energia, armazenamento e converso. Os
combustveis fsseis - o carvo, o leo e o gs natural, responsveis pelo
inacreditvel desenvolvimento da tecnologia do mundo ocidental e sua crescente
mobi l idade de produo so considerados ameaadores para a sobrevivncia do
ambiente natural como conhecemos hoje.
Simultaneamente, tambm se manifesta neste cenrio preocupao
quanto ao consumo irracional e conseqente desaparecimento de combustveis
fsseis, criando barreiras para o futuro do progresso tecnolgico, no mesmo
perodo em que a crescente populao mundial precisa de mais al imento,
melhores moradias, aperfeioamento de produtos industriais e expanso dos
meios de comunicao e transporte.
Soma-se ainda, o di lema causado pela realizao prvia do conceito de
que a energia il imitada, disponvel pela gerao de energia nuclear, contenha
propsitos perigosos. No obstante, esse quadro tem se agravado pelo fato da
expectat iva do suprimento energtico por uma substancial frao de energia solar
ou outras pequenas fontes renovveis, constituir-se em uma iluso (KORDESH &
SIMADER, 1996).
Neste sentido, alguns autores descrevem o futuro como cri t icamente
dependente de energia. Os cenrios pessimistas predizem catstrofes humanas e
solues baseadas em uma economia de energia forada pela "volta aos estilos
bsicos de vida" ^ No entanto, vises mais otimistas consideram que o efeito das
novas tecnologias em adio ao uso da energia solar e outros recursos
renovveis, conduziro para uma melhor uti l izao dos combustveis fsseis,
incluindo o uso apropriado de energia atmica.
'Ibidew, 1996. p 1.
32
2.2 - Origem e Histria da Tecnologia
O desejo de converter energia qumica de combustveis diretamente em
eletricidade existe desde 1900 e, manifestado pela larga escala de
experimentos, nos quais se tentava oxidar carvo e gs natural em pilhas
eletroqumicas^. Um resgate histrico nos leva a constatar que o princpio de
funcionamento da clula a combustvel (CaC) foi verif icado em 1839 pelo fsico
ingls Willian Robert Grove, ao combinar os gases hidrognio e oxignio e, gerar
eletricidade e gua em um processo denominado eletrlise reversa^.
Anos depois, em 1889, o termo "clula a combustvel" foi cunhado pelos
cientistas Ludwig Mond e Charles Langer que tentaram, sem sucesso, produzir o
primeiro disposit ivo prtico, usando gs natural e carvo. Outras tentativas, no
inicio do XX, para a construo de CaC que pudessem converter carvo ou
carbono em energia eltrica tambm falharam em funo da cintica dos
materiais e eletrodos (ALDAB, 2004).
Entretanto, em 1932, ocorreram os primeiros exper imentos bem sucedidos,
resultantes do trabalho do engenheiro Francis Bacon, que aperfeioou os
carssimos catal isadores de platina'*, ao utilizar um eletrlito alcalino menos
corrosivo e eletrodos de nquel mais baratos. Todavia, os desafios tcnicos eram
muitos e somente em 1959 Bacon conseguiu demonstrar um sistema CaC de 5
kW capaz de al imentar uma mquina de solda .
No mesmo perodo, a National Aeronautics and Space Administration -
NASA comeou a pesquisar um gerador de eletr icidade compacto, para ser
uti l izado a bordo das naves de uma srie de misses espaciais tr ipuladas. Aps
desistir das alternativas existentes na poca, por apresentarem riscos
segurana e outros problemas tcnicos relacionados ao peso e durabi l idade da
fonte, a NASA se voltou para o desenvolvimento da tecnologia CaC.
-Ibidem. 1996. p. 1 NETO, E. H. G. (2005). Utilizados poTond e Langer em uma clula hidrognio-oxignio
33
Desta forma, o sistema construido por Bacon serviu como prototipo para as
CaC uti l izadas no programa espacial Apollo e Gemini, responsveis por
conduzirem o vo do Homem lua em 1968. No obstante, as pesquisas em CaC
ressurgiram mais fortemente no mundo, quando substratos de carbono poroso
com baixas cargas de catalisador providenciaram uma soluo de baixo custo
para os sistemas CaC hidrognio-ar e, o interesse por automveis eltricos
movidos a CaC foi difundido, conduzindo assim a vrios prottipos (KORDESH &
SIMADER , 1996).
Em meados de 1970, houve uma mudana na direo do interesse pela
tecnologia de CaC. O sistema alcalino {Alcaline Fuel Cell - AFC) que t inha
a lcanado o nvel mximo de aperfeioamento nos programas espaciais foi
substitudo, nos programas mundiais de P&D, pelo sistema de acido fosfrico
{Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), no qual constitua-se mais apropriado para
apl icao estacionria de gerao de energia. A tendncia na ampl iao de
plantas de gerao para larga escala foi especialmente notvel no Japo,
pr incipalmente aps a perda de interesse dos Estados Unidos.
Contudo, nos anos 80 e 90 destacou-se o acelerado desenvolv imento de
sistemas CaC de carbonato fundido {Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC) e de
xido slido {Solid Oxide Fuel Cell - SOFC), c laramente devido ao fato das
plantas de CaC de alta temperatura apresentarem uma melhor eficincia global
quando associadas ao calor. Infortunamente, aspectos relacionados expectativa
de vida dos materiais resultaram em problemas ainda em pauta.
Tambm em 1990, ocorre outra reviravolta no cenrio tecnolgico das CaC,
quando a clula a combustvel de membrana trocadora de prtons {Proton
Membrane Exchange - PEMFC) surge como o mais atrativo objeto de
desenvolvimento. Embora esse sistema exista desde 1960, seu desempenho no
foi seguro nos projetos espaciais, de forma que a ateno na poca se voltou
para os sistemas AFC. No entanto, as altas densidades de corrente do sistema
PEMFC, obt idas a partir de pesquisas de novos tipos de membrana e
catal isadores, associadas a um aperfe ioamento na expectat iva de vida
operacional real imentaram o interesse por esta tecnologia {ibidem, 1996. p. 2).
SO r::'-iO^!. C Lftf;5-ki. rSJC! FAR
34
Atualmente, o cenrio das CaC bastante discutido e difundido
internacionalmente, devido a caractersticas inerentes da tecnologia, por exemplo,
gerao de energia distribuda e util izao de fontes renovveis para obteno
de hidrognio. No caso do Brasil, os reflexos das aes conduzidas no exterior
para o desenvolvimento da tecnologia CaC resultaram no Programa Brasileiro de
Sistemas de Clulas a Combustvel - ProCaC, como iniciativa do Ministrio da
Cincia e Tecnologia e do Centro de Gesto e Estudos Estratgicos- CGEE -
(MCT/CGEE, 2002).
No mbito acadmico, verif ica-se que desde o final da dcada de 70
algumas atividades na rea de clulas a combustvel no nvel nacional tm sido
realizadas. Direta ou indiretamente vrias instituies, tais como a Universidade
Federal do Cear, Universidade Federal do Rio de Janeiro, o Instituto de
Pesquisas Tecnolgicas - IPT de So Paulo e o grupo de eletroqumica de So
Carlos, j se dedicaram ao estudo deste tipo de tecnologia. Recentemente, em
meados de 1998, iniciou no Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares -
IPEN/CNEN de So Paulo o estudo e desenvolvimento de sistemas, eficientes e
de baixo impacto ambiental , associados a CaC (WENDT e al, 2000).
2.3 - Sistema Conversor de Energia
As CaC so clulas eletroqumicas que podem converter cont inuamente a
energia qumica de um combustvel e um oxidante em energia eltrica pelo
processo envolvendo essencialmente e invariavelmente um sistema eletrodo-
eletrl i to^. Caractehzam-se por operar com alta eficincia e nveis de emisses
bem abaixo dos mais rgidos padres.
Conforme NETO (2005), a frmula termodinmica do ciclo de Carnot^
mostra que uma mquina trmica no pode converter toda a energia do calor em
energia mecnica, mesmo sob condies ideais, pois uma parte do calor
'Ibidem, 1996. p.9 ' Mxima eficincia= (T) - T 2 ) / T 1
35
perdida. Por exemplo, o motor a combusto utiliza o calor de uma fonte de
energia em alta temperatura (Ti) , converte parte desse calor em energia
mecnica, e perde a outra parte para um ambiente de menor temperatura (T2),
como o ar ambiente.
No caso das clulas a combustvel , o processo no envolve a converso de
calor em energia mecnica, pois estas t ransformam a energia qumica
diretamente em energia eltrica (FIG 2.1). Desta forma, a eficincia das CaC pode
superar o limite de Carnot, at mesmo em baixa temperatura, como em 80 C
{ibidem, 2005. p. 94).
Converso em energia trmica V
Converso em energia
mecnica
FIGURA 2.1 - Converso direta de energia das CaC em comparao as tecnologias de
converso indireta.
Ademais, o sistema de CaC apresenta vantagens por ser modular,
podendo ser construda para uma larga escala de requerimentos de potncia,
desde a centena de watts at a mltiplos kilowatts e megawatts, permit indo desta
maneira, a construo de plantas energticas al tamente eficientes at em locais
remotos. Devido s baixas emisses, as plantas de CaC podem ser instaladas na
local idade onde a energia ser consumida e, pr incipalmente, em reas
densamente povoadas. Como resultado, as linhas de t ransmisso so mais
econmicas e as perdas no sistema so reduzidas.
De acordo com KORDESH & SIMADER (1996), os princpios bsicos da
clula a combustvel so similares s conhecidas baterias eletroqumicas,
envolvidas em muitas atividades do nosso dia a dia. A grande diferena, no caso
das baterias, que esses disposit ivos possuem estocados no seu interior a
36
energia qumica contida nas substncias. Quando essa energia transformada
em eletricidade, as baterias so descartadas (baterias primrias) ou recarregadas
apropnadamente (baterias secundrias). No caso da CaC, a energia qumica
providenciada por combustvel e um oxidante armazenado fora da clula na qual
as reaes ocorrem, assim, a energia eltrica pode ser obtida cont inuamente,
contanto que as clulas sejam supridas por esses reagentes.
2.3.1 - C l a s s i f i c a o d a s T e c n o l o g i a s
H diferentes t ipos de CaC e muitas formas de classif icao so
encontradas na literatura (WENDT e. a/, 2000; 2002;. ALDAB, 2004). A FIG. 2.2
apresenta um exemplo razovel de uma classif icao geral de tipos da tecnologia
com descries abrangendo tambm os quesitos: CaC diretas, indiretas e
regenerativas. Nas CaC diretas, os produtos das reaes das clulas so
descartados, enquanto que nas clulas regenerativas, os reagentes^ consumidos
so regenerados por um ou mais mtodos, como indicado na FIG. 2.2 abaixo.
Clulas a Combustvel
D i r e t a s R e g e n e r a v a s
Baixa temperatura
Temperatura Intermediria
Alta temperatura
C a C de reforma
C a C b i o q u m i c a s
H 2 - O 2 H 2 - O 2 H 2 - O 2 Trmica
C o m p o s t o s o r a n i c o s - 0 2
C o m p o s t o s o ran icos -O?
C O - O 2 Eltr ica
C o m p o s t o s d e N? - O2
Amn ia - O2 Fotoqumica
H 2 -Haloanios
Rad ioqu mica
Metal - O2 Mtodos a a II K
Combust ve l e Oxidante
FIGURA 2.2 - Classificao das Clulas a Combustvel
Fonte: KORDESH &SIMADER (1996), modificado por FUKUROZAKI (2006)
No caso, o combustvel e o o.xidantc.
37
Os dois tipos descritos anteriormente so similares a baterias primrias e
secundrias^. O terceiro, so as CaC indiretas, como exemplo desta categoria
est a clula com reforma que usa combustveis orgnicos passveis de serem
convert idos em hidrognio e, a clula bioqumica, na qual uma substncia
bioqumica decomposta por meio de enzimas em soluo (algumas vezes
providas por adio de bactrias) para produzir hidrognio.
Uma outra subdiviso dos modelos de sistemas de clulas est de acordo
com a temperatura de operao, considerada por muitos pesquisadores a mais
apropriada. Neste propsito, a classif icao adotada consiste em clulas de baixa,
intermediria e alta temperatura de operao; respect ivamente, 25 a lOO^C, de
100 a 500C e, de 500 a 1000C {\bidem, 1996. p. 10). Em cada uma dessas
escalas de temperaturas, h diferentes padres de CaC que podem ser
subdivididas de acordo com o tipo de combustvel (veja FIG. 2.2).
A lguns desses combustveis podem ser disponibi l izados imediatamente,
como gs natural, ou faci lmente produzidos, no caso do hidrognio. Entre os
compostos orgnicos, a var iedade de potenciais combustveis concebvel, por
exemplo, por hidrocarbonetos, lcoois e, inclusive o carbono ou grafite. Os
combustveis contendo nitrognio util izam a amnia, a hidrazina, entre outras, e o
oxignio, na sua forma pura ou ar, usado prat icamente em todas as CaC como
oxidante. Tambm possvel a subdiviso do ponto de vista da natureza
eletroqumica do eletrlito uti l izado. Esta classif icao no est presente na FIG.
2.2 , mas um exemplo desta pode ser observado na TAB. 2 . 1 .
TABELA 2.1 - Classificao das CaC conforme o eletrlito utilizado
C l u l a a Combust ve l S i g l a Eletrlito Temperatura d e O p e r a o
Alcalina AFC Alcalino 50 a 200 C
Membrana Trocadora de Prtons ' PEMFC Polmero 50 a 130C
Metanol Direto DMFC Polmero 60 a130C
Acido Fosfrico PAFC Acido fosfrico 190 a 210C
Carbonato fundido MCFC Carbonato fundido 630 a 650 C
Oxido Slido SOFC Oxido slido 700 a 1000C
1 - Tambm conhecida com Clula a Combustvel de Polmero Eletroltico - PEFC e como Clula a
Combustvel de Polmero Slido - SPFC
Fonte: PROCaC/ CCGE/MCT (2002
Uma quantidade de pesquisas em CaC concentra-se no desenvolvimento de clulas primrias e de reforma.
file://{/bidem
38
Em relao natureza de operao, os eletrlitos pol imricos so
comumente uti l izados em temperaturas baixas e intermedirias (pressurizados).
Enquanto que os eletrlitos fundidos so ocasionalmente uti l izados em
temperaturas intermedirias, mas usualmente em altas [ibidem, 1996. p.11). J os
eletrlitos sl idos (por exemplo mistura de xidos, quando o on oxignio a
espcie transportada) so usados em altas temperaturas. Em termos de
praticidade, os sistemas CaC so dist inguidos pelos t ipos de eletrlitos uti l izados
seguidos dos nomes e abreviaes, mais f reqentemente usados nas publ icaes
(veja TAB 2.1).
2.4 - Principais Vantagens
As CaC oferecem inmeras vantagens como eficincia, segurana,
economia, baixas emisses, caractersticas nicas de operao^, f lexibi l idade de
planejamento e futuro potencial de desenvolvimento. Dentre estes aspectos,
destacam-se, em particular; a alta eficincia e segurana, a f lexibi l idade de
planejamento e o desempenho ambiental.
2.4.1 - A l t a E f i c inc ia e S e g u r a n a
Conforme NETO (2005), a eficincia um valor util izado como parmetro
para verificar a eficcia^ dos componentes, sistemas e processos. No que tange
a converses de energia, a eficincia comumente reflete a relao entre a energia
realmente aprovei tada e a que foi inicialmente util izada, normalmente expressa
em porcentagem.
De acordo com a termodinmica, a converso de energia sempre menor
que 100% e, cada converso de energia resulta em algumas perdas. No caso das
CaC possvel transformar at 9 0 % da energia presente em um combustvel em
eletricidade e calor (i)/dem, 1996. p. 11). A atual clula PAFC foi projetada para
^ Como por exemplo, a confiabilidade no que tange ao controle de voltagem da linlia de distribuio e controle de qualidade (ibidem, 1996. p 13) "' Entende-se por eficcia como a qualidade de produzir o resultado esperado e eficincia como a qualidade de produzir o resultado esperado fazendo um melhor uso dos recursos.
39
oferecer 4 2 % de eficincia na converso eltrica com base em altas temperaturas.
Em curto prazo ser possvel que a PAFC atinja at 46 % de eficincia, pelo
avano do conhecimento em cincias e engenharia (FIG. 2.3).
O Instituto de Pesquisa de Energia Eltrica - Electric Power Research
Institute est ima que o progresso nas clulas de carbonato fundido (MCFC)
resultar em eficincias eltricas acima de 60%, excluindo o topo do ciclo, no qual
estas podem ser ainda maiores. A lm disto, este parmetro independente do
tamanho, visto que a CaC pode operar com a metade da taxa de capacidade,
enquanto mantm uma elevada eficincia no uso do combustvel (/Jb/cfem,1966,
p.12).
C l u l a s a Combust ve l
Motor a d iese l
Motor a gaso l ina
Turb ina a g s e a vapor
20 30 40 50 60 70
FIGURA 2.3 - Comparao das eficincias em porcentagem (%)
Fonte: NETO, 2005
Outro atributo importante da CaC a aptido para cogerao, por exemplo,
a produo de gua quente e vapor de baixa temperatura concomitante a gerao
de eletricidade^ \ Esta taxa de eletr icidade e sada trmica de aproximadamente
1.0, enquanto na turbina a gs em torno de 0.5, comparat ivamente isto
representa o dobro de sada eltrica para a mesma carga de energia. Em
tamanhos pequenos at sistemas de uti l idade pblica, as CaC tambm so mais
eficientes (por um fator 2) quando comparadas, por exemplo, com um ciclo
combinado de 2 M W e taxa de produo de calor de 15 000 Btu/kWh.
" A capacidade de cogerao da CaC tambm contempla diferentes mercados de demanda de gerao trmica.
40
No obstante, os s istemas CaC consti tuem-se de partes modulares e no
girantes, apresentando elevada segurana em relao a turbinas de combusto
de sistemas de ciclos combinados ou engenharia de combusto interna, uma vez
que no h experincia*^ relatada de desarranjos catastrficos, como os que
ocorrem quando as partes mecnicas dos sistemas convencionais mencionados,
fa lham. Espera-se que sistemas de CaC "avanados" apresentem mais
vantagens em relao s tecnologias competi t ivas atuais.
2.4.2 - F lex ib i l i dade de P l a n e j a m e n t o
A flexibil idade de planejamento dos sistemas de CaC, incluindo o aspecto
de modular idade, resulta em benefcios estratgicos e f inanceiros para diversos
propsitos e clientes. Segundo KORDESH & SIMADER (1996), as plantas de
gerao de energia de CaC podem ser construdas em torno de dois anos, sendo
o desempenho independente do seu tamanho; possibi l i tando o uso progressivo da
capacidade do sistema por pequenos incrementos e, segundo as necessidades
dos clientes.
Desta forma, ao igualar melhor o aumento das exigncias de energia, os
longos perodos de sobrecarga podem ser evitados e os custos mdios fixos
podem ser diminudos. Portanto, mesmo se o crescimento do consumo incerto,
a CaC torna-se mais adequada medida que sua capacidade operacional pode
diminuir ou ser acelerada rapidamente em resposta a demanda.
Em adio, os benefcios obtidos com o uso da tecnologia CaC encontram-
se, alm do arrefecimento de reservas marginais, a confiabi l idade das pequenas
unidades de gerao de energia distribuda. Ou seja, a produo de eletricidade
no local onde essa ser consumida, possibilita, entre outros aspectos, na reduo
das probabil idades de falhas devido a interrupes externas de transmisso e,
conseqentemente, na mit igao de despesas de manuteno.
12 A experincia relata somente a perda de eficincia (ibidem, 1996. p. 12).
41
Inicialmente, as CaC podem ser projetadas para o abastecimento com gs
natural ou nafta (amplamente disponvel como produto de baixo custo nas
refinarias) nas clulas que requerem hidrognio. A reforma qumica dos produtos
ricos em hidrognio permite o uso variado de gases de baixa quant idade de
enxofre e combustveis lquidos. O avano do desenvolvimento das CaC tambm
poder habil it-las a operar com carvo gaseif icado.
Embora, a f lexibi l idade de planejamento no seja uma caracterstica restrita
a tecnologia CaC, j que as unidades de ciclo combinado e engenharia de
combusto interna apresentam, cada uma delas, a lgumas das caractersticas aqui
apontadas, as CaC, combinadas com suas outras vantagens, so notadamente
um recurso energtico nico {ibidem, 1996. p.15).
2.4.3 - D e s e m p e n h o A m b i e n t a l
A substi tuio dos atuais sistemas de gerao de eletricidade pela
tecnologia CaC pode melhorar a qual idade do ar e diminuir o consumo de energia
e efluentes, considerando o fato das plantas tradicionais produzirem mais
part iculados, xidos de enxofre e nitrognio do que outras fontes estacionrias
industriais combinadas. As emisses da planta de CaC so menores daquelas
especif icadas pelas restrit ivas regulamentaes ambientais (internacionais),
incluindo o dixido de carbono (CO2), um dos principais gases responsveis pelo
efeito estufa {ibidem, 1996. p.12).
Diferentemente do que ocorre com as plantas de turbina a gs e a vapor,
que requerem um uso massivo de gua para o sistema de resfriamento, a reao
eletroqumica da CaC produz como sub-produto a gua, de maneira que uma
pequena quant idade externa deste recurso necessria para a operao da
planta energtica. No obstante, a quant idade de efluente descartada pela CaC
tambm pequena e, sua qual idade superior, quando comparada s plantas
baseadas em combustveis fsseis, pois no requerem um pr-tratamento para a
sua disposio no meio ambiente. Alm disto, no h um grande volume de
resduos produzidos na operao da CaC {ibidem, 1996, p 12).
42
Ainda, a natureza silenciosa da produo de energia eletroqumica, el imina
uma frao substancial das fontes de rudos associadas aos sistemas
convencionais de vapor e, podem faci lmente entrar em conformidade com os
padres da Ocupacional Health and Safety Administration - OSHA. Ademais, as
exigncias para uso e ocupao do solo so aceitveis e, no caso de fontes
externas de energia, os corredores de transmisso no so necessrios. Por
conseguinte, a CaC, entre as tecnologias de produo de energia, a menos
perigosa, comparat ivamente ao seu pequeno tamanho, devido ausncia do ciclo
de combusto, o estado da arte dos sistemas de segurana e baixa emisso de
poluentes.
2.5 - Tecnologia da Clula a Combustvel de Membrana Trocadora de
Prtons
Dentre os diferentes tipos de CaC, destaca-se a Clula a Combustvel de
Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC*^, cujo interesse de diversos pases e
instituies no mundo tem aumentado rapidamente, especialmente devido ao
compromet imento das indstrias automotivas em desenvolver carros movidos
com esta tecnologia (PEHNT, 2001).
Estas clulas de baixa temperatura de operao, que util izam uma
membrana polimrica como eletrlito so as mais promissoras como fonte
estacionria e tambm como alternativa para motores a combusto, por serem
robustas e de fcil ac ionamento e desl igamento, alm das vantagens intrnsecas,
como a alta eficincia com baixa emisso de poluentes.
O princpio de funcionamento da PEMFC como todas as outras CaC. A
energia qumica presente no combustvel , usualmente o hidrognio, e o oxidante,
oxignio, so completamente e ef ic ientemente convert idos em energia eltrica,
calor e gua (FIG.2.4). O hidrognio oxidado no nodo e o oxignio reduzido
no ctodo na unidade da clula (RALF, 1998).
Tambm conhecida como Clula a Combustvel de Membrana Polimrica Trocadora de Prtons - PEFC e de Polmero Slido - SPFC.
43
Hidrogen o Oxignin ar'1
Calor
Calridr.
FIGURA 2.4 - Desenho esquemtico da PEMFC
Fonte: ELECTROCELL, 2006
Basicamente, cada clula apresenta um conjunto eletrodo membrana
planar, denominado membrane electrode assembly - MEA e, placas bipolares
(FIG 2.5). O MEA o corao da CaC, sendo formado pela camada de eletrlito e
os eletrodos de difuso gasosa - EDG, componentes extremamente importantes
e del icados da clula a combustvel.
MEA
P l a c a s b ipolares
FIGURA 2.5 - MEA e clula unitria da PEMFC
Fonte: Brasil H2 Fuel Cell Energy (2005)
44
O eletrlito slido e constitui-se de uma camada delgada de um polmero
condutor protnico, j os EDG so formados por duas camadas distintas: a
camada cataltica composta de nanopartculas de platina ancoradas em carvo
at ivado - Carbon Black e recobertos por uma disperso do eletrlito e; a camada
difusora usualmente constituda de um papel de fibra de carbono rgida - Carbon
Paper ou tecido de carbono t ranado - Carbon Cloth.
As placas bipolares so blocos de grafite, sulcados por canais que
providenciam tanto o suprimento do combustvel e do oxidante, quanto conexo
eltrica entre as clulas unitrias, sendo uti l izadas para separar o nodo de uma
clula do ctodo seguinte. As unidades de clulas so comumente dispostas
eletr icamente em srie e sobrepostas vert icalmente, formando um mdulo - stack
(FIG. 2.6).
FIGURA 2.6 - Mdulo da PEMFC
Fonte; Power Pulse (2006)
Em relao aos sistemas externos clula destacam-se, dentre outros, a
unidade de processamento de gs, responsvel pelo fornecimento de ar e
combustvel ; inversor, responsvel pela converso da corrente contnua produzida
no conjunto de CaC a corrente alternada; e trocador de calor que possibilita o
gerenciamento energtico entre a instalao de processamento de gs e o
conjunto de CaC.
Segundo W E N D T ef. al. (2000), o sistema operacional de uma CaC
consiste em todos os disposit ivos de acionamento e controle, bem como de
segurana, que permite uma operao das clulas conforme as especif icaes de
sua ap l i cao. Sistemas operacionais para apl icaes mveis so mais
45
sofist icados e precisam ser mais rpidos que os de apl icaes estacionria,
devido prpria dinmica dos automveis, por exemplo.
2.5.1 - E v o l u o H i s t r i c a d o D e s e n v o l v i m e n t o
Esta tecnologia foi inventada pela General Electric (GE) nos anos 50 e
util izada pela NASA para fornecer energia ao projeto espacial Gemini, que t inha
como principal objetivo testar equipamentos e procedimentos para o Apollo.
Entretanto, a PEMFC da GE (modelo PB2) teve vrias dif iculdades tcnicas,
incluindo contaminao interna e vazamento de oxignio pela membrana, de
forma que baterias convencionais foram usadas nas Gemini 1 a 4 (NETO, 2004)*'*.
Desta maneira, a GE redesenhou sua PEMFC, e o novo modelo P3, apesar
de alguns problemas e fraca performance na Gemini 5, serviu adequadamente
para os outros vos das Gemini. Nas misses Apollo, contudo, a tecnologia
alcalina AFC foi selecionada para o comando e mdulos lunares, assim como
tambm foi escolhida para as misses do Space Shuttle uma dcada depois. Em
1959, Thomas Grubb e Leonard Niedrach, pesquisadores da GE, idealizaram o
uso de membranas orgnicas, de troca catinica, para uti l izao em clulas a
combustvel, promovendo o incio das pesquisas com clulas a combustvel de
eletrlito polimrico.
Entre 1959 e 1961 , a GE desenvolveu algumas membranas fenol-
sulfnicas com platina depositada como catalisador. O desempenho destas
clulas a combustvel era pequeno mesmo uti l izando uma boa quant idade de
platina no eletrodo, cerca de 5mg/cm^, massa equivalente a uma at ividade
cataltica especf ica de 8mA por mg de platina.
De acordo com W E N D T et al. (2000), a carga de platina destas clulas era
muito alta, o que tornava invivel o seu uso comercial . Ademais, devido
degradao da membrana utilizada nestas clulas PEMFC, o desempenho e a
vida til eram limitados. Mesmo com o alto custo e vida til curta, os benefcios
para o programa espacial foram satisfatrios, contudo a apl icao mercanti l ainda
estava distante.
M NETO.E.H.G.celulaacombuslivel.com.br/cac/oconceito/cachistoria.htm. Acessado em 07/06/2004
46
Em 1969, a segunda gerao das clulas a combustvel do tipo PEMFC da
GE eram consti tudas por um mdulo de 350 W, que fornecia energia para o
satlite artificial Biosateilite, uti l izando uma membrana melhor e fabricada pela Du
Pont, o Nafion, ainda muito util izado atualmente {ibidem, 2004.) .
Desde ento, observou-se que a vida til e o desempenho das clulas a
combustvel de segunda gerao melhoraram signif icat ivamente devido ao uso
desta membrana. No obstante, a mudana de cenrio tambm se consol idou
com a uti l izao de carvo ativo, at ivado com platina como eletrocatal isador
{ibidem, 2000. p. 542).
No final dos anos 80, vrias empresas comearam a surgir e atuar no
desenvolvimento de clulas a combustvel. Em 1988, a Ballard Technologies
Corporation, hoje uma das principais fabricantes de clulas a combustvel para
automveis, mostrou que as clulas PEMFC poderiam ser apl icadas em veculos
eltricos, uti l izando membranas experimentais, perf luoradas, desenvolvidas pela
Dow Chemical, iniciando ento uma caminhada rumo ao desenvolvimento efetivo
PEMFC {\bidem, 2004). Conforme ALDAB (2004), atualmente o sistema mais
uti l izado na propulso de veculos e nos sistemas de energia estacionria de
pequena escala.
2.5.2 - A p l i c a e s
As apl icaes para a tecnologia de clulas a combustvel do tipo PEMFC
so inmeras, no apenas na rea espacial e militar, como foi inicialmente, mas
tambm em carros, nibus, motos, caminhes, scooters, equipamentos
estacionrios e portteis (FIG. 2.7) para a gerao de energia em residncias,
comrcio e indstrias (Wendt ef. a/, 2000; RALF, 1997), alm da apl icao em
equipamentos eletrnicos , como celulares e laptops. Isto se deve aos
aperfeioamentos obt idos na fabricao e produo, assim como na densidade de
potncia das clulas PEMFC.
file://{/bidem
47
FIGURA 2.7 - Exemplo de aplicao porttil (laptop) da PEMFC
Fonte: Sras/V H2 Fuel Cell Energy (2005)
O processo de comercial izao de automveis de clulas a combustvel do
tipo PEMFC decorreu em funo da promulgao da lei americana Clean Air Act
Amendments (CAAA), em 1990, na qual a gasolina de queima mais limpa passou
a ser exigida em nove cidades americanas com ar part icularmente poludo.
Neste contexto, em 1994, a Daimler-Chrysler, em parceria com a empresa
canadense Ballard Power Systems, apresentou o NECAR1. uma van com
autonomia de 130km, velocidade mxima de 90km/h e com potncia de 50KW
util izando a tecnologia PEMFC (ibidem, 2004). No obstante, empresas como a
Ford, Renault, Honda, Volkswagen, Toyota, Mazda, Nissan, Fiat, Susuki, Pegeout,
Mitsubishi, entre outras, tambm investiram nesta tecnologia, part icipando no
desenvolvimento de veculos de emisso nula ou emisso mnima de poluentes
(FIG 2.8)
FIGURA 2.8 - Veculo de emisso nula - NECAR
Fonte: Mercedes Benz (2006)
48
De acordo com PEHNT (2001), o avanado desenvolvimento das PEMFC
para a indstria automotiva propiciou uma situao favorvel para a apl icao
destas clulas para gerao estacionria de eletricidade. Conforme NETO (2004),
a Ballard Power Systems (Canad) tm trabalhando em pesquisas com CaC
estacionrias tipo PEMFC de 250KW, principalmente na Europa e Japo.
Desde 2 0 0 1 , cerca de 5 unidades foram instaladas na Europa, sendo a
mais recente no ano 2002 em Oberhausen, Alemanha. Estes sistemas foram
projetados para funcionar com gs natural, embora uma unidade instalada pela
Ebara Ballard, em uma estao de tratamento de gua no Japo seja al imentada
por gs metano, obtido atravs de um digestor anaerbico, a primeira PEMFC
deste tipo.
Tambm a General Motor (GM) vem desenvolvendo clulas a combustvel
do tipo PEMFC para apl icao em sistemas estacionrios, assim como para o seu
tradicional mercado automotivo, e planeja vender, a partir de 2005, unidades de
75kW para indstrias que necessitam principalmente de energia ininterrupta e de
excelente qualidade.
Outras empresas, como Hydrogenics (Canad), Nuvera FuelCells (Itlia,
USA) e Plug Power (USA), esto atuando no desenvolvimento desta tecnologia
para a gerao de eletricidade em unidades estacionrias e sua insero no
mercado. Alm das apl icaes automotiva e estacionria, um mercado potencial
o de gerao de energia porttil, desde PEMFC para laptops e celulares, por
exemplo, at energia para equipamentos maiores, mas que possam ser
transportados e precisam de energia por longo perodo.
Atualmente, h no mundo unidades de demonstrao em operao
gerando uma potncia de 50 kW e outras em desenvolv imento produzindo cerca
de 250 kW (NETO, 2005). Embora esta tecnologia se encontre em acelerado
desenvolvimento e apresente um grande nmero de vantagens durante a fase em
uso e diversas aplicaes, os obstculos para a sua ampla insero no mercado
envolvem, alm de custos relacionados ao MEA, impactos ambientais
relacionados a outras etapas do ciclo de vida desta tecnologia, especif icamente
na manufatura e destino final da CaC.
ccffssAo nK!omi ; mucle/vr/SP-IPE?
49
Neste sentido, uma das tcnicas que esto sendo desenvolvidas e
util izadas para avaliar os efeitos ambientais or iundos de toda a cadeia produtiva
de um bem ou servio a Aval iao do Ciclo de Vida - ACV, pois as informaes
reunidas, no mbito conceituai desta ferramenta, permitem quantif icar tanto as
suas repercusses anteriores, quanto as posteriores. Hoje em dia, a ACV se
apresenta como um dos mais importantes procedimentos de gesto ambiental e
preveno poluio, integrando a srie ISO 14000.
50
3 - AVALIAO DO CICLO DE VIDA
Ass im como os organismos vivos, todo o produto tem uma "vida" que se
inicia com o projeto, seguido pela extrao de recursos, produo de materiais, a
manufatura, o uso e por f im as aes envolv idas no fim da vida til, tais como;
coleta, reuso, reciclagem e disposio de residuos (UNEP/SETAC, 2005). Estas
at ividades ou processos resultam em impactos ambientais devido ao consumo de
recursos, emisses de substncias no ambiente natural e trocas ambientais,
como por exemplo radiao (REBITZER e colaboradores , 2004).
Neste sentido, a Aval iao do Ciclo de Vida - A C V uma abordagem
metodolgica para estimar e avaliar os impactos atribudos cadeia do produto,
tais como; as mudanas cl imticas, depleo do oznio estratosfrico, a criao
do oznio tropoesfrico (smog), eutrof izao, acidif icao, efeitos toxicolgicos na
sade humana e ecossistemas, depleo dos recursos, entre outros.
Quando conduzimos a ACV, a fase do projeto do produto usualmente
excluda pois, f reqentemente, admite-se que esta etapa no contribui
signif icativamente para anlise. Contudo, importante notar que as decises
tomadas durante o projeto inf luenciam signif icativamente os aspectos ambientais
de outros estgios do ciclo de vida. Por exemplo, o projeto de um automvel pode
determinar o consumo do c