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ADRIANO LUIZ CASTILHO
MARCO AURÉLIO GIANESINI
RAFAEL RODRIGUES
ESTUDO DE CASO DA IMPLANTAÇÃO DA CÉLULA A
COMBUSTÍVEL NO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
CURITIBA
2004
ADRIANO LUIZ CASTILHO
MARCO AURÉLIO GIANESINI
RAFAEL RODRIGUES
ESTUDO DE CASO DA IMPLANTAÇÃO DA CÉLULA A
COMBUSTÍVEL NO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase em Eletrotécnica, Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná.
Orientadora: Prof. Maria de Fátima Ribeiro Raia Cabreira, Dra.
Co-orientador: Prof. Jorge Carlos Corrêa Guerra, LD.
Co-orientador: Fábio Antônio Filipini, MSC.
CURITIBA
2004
AGRADECIMENTOS
Aos nossos pais, José e Zeni, Alcides e Delourdes e José e Clara, que
sempre compartilharam os nossos objetivos e nos incentivaram, fossem quais
fossem os obstáculos, a prosseguir na nossa jornada.
Aos mestres Fátima, Guerra, Filipini, Mariano e Álvaro pela dedicação,
amizade, paciência e pelo simples convívio ao longo do tempo, fundamentais para a
harmonia e progresso de nossa equipe.
A DEUS, por nunca nos ter deixado nos momentos difíceis e por nos ter
permitido chegar até aqui.
A todos nossos amigos e namorada, Giovana, que, durante o período de
elaboração deste trabalho, sentiram-se deprimidos e solitários nas diversas festas e
churrascos, os quais não pudemos comparecer.
E também agradecemos a nós mesmos pela superação, perseverança e
paciência.
"Há homens que lutam um dia e são bons.
Há outros que lutam um ano e são melhores.’
Há os que lutam muitos anos e são muito bons.
Porém, há os que lutam toda a vida.
Esses são os imprescindíveis."
Bertolt Brecht
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS..............................................................................................................3
SUMÁRIO .................................................................................................................................5
LISTA DE SIGLAS ..................................................................................................................8
LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................9
LISTA DE TABELAS............................................................................................................11
LISTA DE GRÁFICOS..........................................................................................................13
RESUMO.................................................................................................................................12
1 PROJETO........................................................................................................................13
1.1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................13
1.2 JUSTIFICATIVA........................................................................................................15
1.3 OBJETIVO.................................................................................................................17
1.3.1 Objetivo Geral ...........................................................................................................17
1.3.2 Objetivos Específicos...............................................................................................17
1.4 METODOLOGIA .......................................................................................................18
1.5 MOTIVAÇÃO.............................................................................................................20
2 REFERENCIAL TEÓRICO............................................................................................21
2.1 CENÁRIO ENERGÉTICO MUNDIAL....................................................................21
2.2 CENÁRIO ENERGÉTICO NACIONAL .................................................................22
2.3 NOVAS ALTERNATIVAS PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ....25
2.4 A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E A CO-GERAÇÃO DE ENERGIA .....................27
2.4.1 Aplicações da Co-geração......................................................................................28
2.5 O HIDROGÊNIO COMO FONTE DE ENERGIA .................................................30
2.6 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL .................................................................................42
2.6.1 Definição ....................................................................................................................42
2.6.2 Histórico .....................................................................................................................42
2.6.3 Esquema básico de funcionamento ......................................................................45
2.6.4 Tecnologias em desenvolvimento .........................................................................48
2.6.4.1 Célula a Ácido Fosfórico (PAFC).....................................................................49
2.6.4.2 Célula a Polímero Sólido (SPFC)....................................................................50
2.6.4.3 Célula Alcalina (AFC)........................................................................................50
2.6.4.4 Célula a Carbonato Fundido (MCFC).............................................................51
2.6.4.5 Célula a Óxido Sólido (SOFC).........................................................................51
2.6.5 Vantagens e Desvantagens de Células a Combustível.....................................52
2.6.6 Perspectivas da Tecnologia no Mercado Nacional.............................................52
3 O CASO DO HOSPITAL ERASTO GAERTNER.......................................................54
3.1 O HOSPITAL.............................................................................................................54
3.2 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA..........................................................57
3.3 SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA...........................................................59
3.4 SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO..............................................................................60
3.5 SISTEMA DE INFORMÁTICA ................................................................................60
3.6 OUTROS SETORES................................................................................................60
3.7 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA E TÉRMICA...........................................61
3.7.1 Levantamento de Cargas Elétricas .......................................................................61
3.7.2 Levantamento de Consumos e Custos da Energia Elétrica..............................64
3.7.3 Levantamento de Consumos e Custos da Energia Térmica.............................67
3.8 MATRIZ ENERGÉTICA ATUAL DO HOSPITAL.................................................71
3.9 CÉLULA A COMBUSTÍVEL A SER INSTALADA...............................................74
3.9.1 Descrição Técnica ....................................................................................................74
3.9.2 Modos de Operação da Célula ...............................................................................77
3.9.3 Sistema de Controle da Célula ...............................................................................80
3.9.4 Utilização do Nitrogênio...........................................................................................81
3.9.5 Manutenção da Célula .............................................................................................82
3.9.6 Sistema de proteção da célula ...............................................................................82
3.9.6.1 Níveis de Proteção da Célula ...........................................................................84
3.9.6.2 Respostas da Célula para Condições Anormais da Rede ..........................84
3.9.7 Instalação da célula no HEG..................................................................................86
3.10 ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA FINANCEIRA.................................93
3.10.1 Metodologia ............................................................................................................93
3.10.2 Planilhas e Análise ................................................................................................95
3.10.3 Projeção para novo cenário energético .......................................................... 103
3.10.4 Breve comentário sobre o cenário de energia elétrica no Brasil ................ 103
3.10.5 Nova matriz energética ...................................................................................... 104
4 CONCLUSÕES............................................................................................................ 106
REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 109
ANEXOS .............................................................................................................................. 111
CENÁRIO ENERGÉTICO MUNDIAL .............................................................................. 112
CENÁRIO ENERGÉTICO NACIONAL............................................................................ 114
LISTA DE SIGLAS
PAFC phosforic acid fuel cell
SPFC solid polymer fuel cell
AFC alkaline fuel cell
MCFC molten carbonate fuel cell
SOFC solid oxide fuel cell
CO monóxido de carbono
CO2 dióxido de carbono
H3PO4 ácido fosfórico
PVO pequeno volume de óleo
QGBT quadro geral de baixa tensão
SANEPAR Companhia de Saneamento do Paraná
COPEL Companhia Paranaense de Energia Elétrica
PETROBRÁS Petróleo Brasileiro S.A.
ONU Organização das Nações Unidas
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - ESQUEMA BÁSICO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA ..........46
FIGURA 2 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL COM REFORMADOR...................................47
FIGURA 3 - VISTA AÉREA DO HOSPITAL ERASTO GAERTNER.............................54
FIGURA 4 – CALDEIRA A ÓLEO XISTO ..........................................................................59
FIGURA 5 - PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DA CÉLULA.................................................75
FIGURA 6 - CÉLULA INSTALADA NA SEDE DA COPEL.............................................76
FIGURA 7 – CIRCUITOS DE SAÍDA GRID CONECTED E GRID INDEPENDENT..77
FIGURA 8 - DIAGRAMA DE CONEXÕES DA CÉLULA NA SEDE DA COPEL.........79
FIGURA 9 – SISTEMA DE CONTROLE DA CÉLULA ....................................................81
FIGURA 10 - CÉLULA E RADIADOR ................................................................................87
FIGURA 11 - TRANSFORMADORES................................................................................89
FIGURA 12 – PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES................89
FIGURA 13 – FLUXOGRAMA TÉRMICO DO HEG ANTES DA IMPLANTAÇÃO DA
CÉLULA.............................................................................................................90
FIGURA 14 - FLUXOGRAMA TÉRMICO DO HEG APÓS A IMPLANTAÇÃO DA
CÉLULA.............................................................................................................91
FIGURA 15 – DISSIPADORES DE CALOR .....................................................................92
FIGURA 16 - CÉLULA, RADIADOR E ABRIGO DE NITROGÉNIO – VISTA 1 ..........92
FIGURA 17 - CÉLULA E ABRIGO DE NITROGÉNIO – VISTA 2 .................................93
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – TIPOS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL ...................................................48
TABELA 2 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL....52
TABELA 3 – POTÊNCIA E ENERGIA CONSUMIDA POR SETOR .............................62
TABELA 4 – LISTA DE EQUIPAMENTOS.......................................................................64
TABELA 5 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA........................................................65
TABELA 6 – CONSUMO DE ÁGUA QUENTE .................................................................68
TABELA 7 – CONSUMO DE ÓLEO XISTO PELAS CALDEIRAS ................................70
TABELA 8 – CONVERSÃO DA ENERGIA ELÉTRICA EM UNIDADES PADRÃO....72
TABELA 9 - CONVERSÃO DE ÓLEO DE XISTO EM UNIDADES PADRÃO.............73
TABELA 10 - CONVERSÃO DE ÓLEO DIESEL EM UNIDADES PADRÃO...............73
TABELA 11 - FUNÇÕES DE PROTEÇÃO DE ENTRADA E SAÍDA DA CÉLULA NO
MODO GRID CONNECT ................................................................................85
TABELA 12 - FUNÇÕES DE PROTEÇÃO DO INVERSOR...........................................86
TABELA 13 – CUSTOS DE IMPLANTAÇÃO DA CELULA A COMBUSTÍVEL...........97
TABELA 14 – CUSTO DO MWH DA CONCESSIONÁRIA – COPEL ..........................98
TABELA 15 – ECONOMIA DE ÓLEO XISTO................................................................ 101
TABELA 16 – CUSTO DO MWH DA CÉLULA CONSIDERANDO POTENCIAL
TÉRMICO....................................................................................................... 101
TABELA 17 – CÁLCULO DA NOVA MATRIZ ENERGÉTICA..................................... 104
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1 - CRESCIMENTO DO PIB X CONSUMO DE ELETRICIDADE..............23
GRÁFICO 2 - TENDÊNCIA DE CUSTO DO GN – 2004-2007 ......................................24
GRÁFICO 3 - EMISSÃO DE POLUENTES DA CÉLULA DURANTE UM ANO DE
OPERAÇÃO......................................................................................................35
GRÁFICO 4 – DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA......................................................66
GRÁFICO 5 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA.....................................................66
GRÁFICO 6 – CUSTOS DE ENERGIA ELÉTRICA.........................................................67
GRÁFICO 7 – CONSUMO DE ÁGUA QUENTE ..............................................................68
GRÁFICO 8 – CUSTO DE ÁGUA QUENTE .....................................................................69
GRÁFICO 9 – CONSUMO DE ÓLEO XISTO...................................................................70
GRÁFICO 10 – CUSTO DE ÓLEO DE XISTO.................................................................70
GRÁFICO 11 - MATRIZ ENERGÉTICA.............................................................................74
GRÁFICO 12 – CUSTO CÉLULA (C/ AMORTIZAÇÃO) X CUSTO COPEL ...............99
GRÁFICO 13 - CUSTO CÉLULA (S/ AMORTIZAÇÃO) X CUSTO COPEL ............. 100
GRÁFICO 14 – CUSTO CÉLULA C/ AMORT. CONSIDERANDO ENERGIA
TÉRMICA X COPEL ..................................................................................... 102
GRÁFICO 15 – CUSTO CÉLULA S/ AMORT. CONSIDERANDO ENERGIA
TÉRMICA X COPEL ..................................................................................... 102
GRÁFICO 16 - CUSTO CÉLULA C/ AMORT. CONSIDERANDO ENERGIA
TÉRMICA X COPEL CONSIDERANDO CUSTO DO GAS NATURAL A
R$ 0,50 E REDUÇÃO DE 80% DO CUSTO N2. ...................................... 103
GRÁFICO 17 – NOVA MATRIZ ENERGÉTICA ............................................................ 105
12
RESUMO
O presente estudo de caso tem como objetivo principal a elaboração de um
plano global, técnico-econômico e financeiro, da implantação da tecnologia de co-
geração com célula a combustível no Hospital Erasto Gaertner na cidade de Curitiba,
estado do Paraná. A avaliação da matriz energética atual do hospital comparada
com a futura, após a implantação da célula a combustível, é abordada em diversos
cenários econômicos, levando em consideração tanto valores tangíveis como
intangíveis.
O método de “Fluxo de Caixa” foi implementado num horizonte de 10 anos,
levando em consideração o tempo de vida útil da célula a combustível e os
investimentos de aquisição, implantação, mão-de-obra, manutenção e insumos para
a operação do equipamento. A “Avaliação de Ativos Intangíveis” visa “precificar”, a
médio e longo prazo, ativos que atualmente não possuem um preço específico,
como, por exemplo, o domínio sobre a tecnologia de células combustíveis. A
“Simulação de Cenários” leva em consideração as tendências e perspectivas futuras
do mercado de energia, que são fundamentais para a formulação de estratégias
para investimentos deste porte.
Na área técnica, destaca-se a gama de informações coletadas sobre
tecnologias, funcionamento, controle e operação de células a combustíve l, vista a
carência de literatura técnica existente sobre este tema no Brasil.
A célula a combustível adapta-se perfeitamente às necessidades do
Hospital Erasto Gaertner, levando em consideração a necessidade de uma energia
sem distorções, pela sensibilidade dos aparelhos instalados, da não produção de
ruídos e dejetos para o ambiente e também da utilização de água quente e vapor.
13
1 PROJETO
1.1 INTRODUÇÃO
A integração de projetos de geração distribuída de energia elétrica aos
sistemas de potência deve ser enfatizada num objetivo global voltado ao melhor
desempenho conjunto, à eficiência energética e às inserções ambientais e sócio-
econômicas mais adequadas. Os aspectos fundamentais nesta integração são as
características básicas do mercado a ser atendido, do sistema energético já
existente e das novas fontes e sua forma de integração a esse sistema.
De acordo com Clementino (2001), as mudanças que ocorreram e estão
ocorrendo na legislação brasileira a respeito da co-geração 1 são imprescindíveis
para que a prática desta ganhe mais evidência, inclusive viabilizando o comércio de
excedentes de energia elétrica produzidos por auto-produtores 2 e produtores
independentes, cada vez mais presentes em um novo cenário do setor elétrico
brasileiro.
A incorporação de sistemas de co-geração aos sistemas elétricos de
potência torna-se cada vez mais importante no Brasil, devido ao fato de aumentar a
oferta de energia elétrica por meio do uso mais eficiente do gás natural, o qual já é
utilizado, por exemplo, para atender às linhas de processos nas indústrias. Com a
1 Tecnologia da produção combinada de energia térmica e elétrica, com uso seqüencial da energia liberada para uma ou mais fontes de combustível.
2 Empresas de geração de energia e consórcios que produzem eletricidade para seu próprio consumo, tendo permissão para vender o excedente de energia às concessionárias de distribuição, bem como alimentar instalações que façam parte do mesmo grupo econômico, ainda que estejam situadas fora do local de produção.
14
atual tendência do uso mais intensivo do gás natural e mesmo de combustíveis
tradicionalmente já utilizados (diesel, gasolina, entre outros), a análise da viabilidade
técnico-econômica de novos empreendimentos de plantas de co-geração de energia
elétrica passa a ter maior relevância.
A co-geração de energia elétrica e energia térmica, aliada às novas
tecnologias de geração distribuída, como é o caso das células a combustível, torna a
eficiência das plantas de co-geração ainda maior, contribuindo positivamente para o
controle do efeito estufa e também colaborando no sentido da implementação de um
modelo sustentável de desenvolvimento.
O princípio de operação da célula a combustível foi descoberto por William
Grove em 1839. Por mais de um século, esse dispositivo permaneceu como
curiosidade. Na década de 60, quando os programas espaciais necessitavam de
fontes de energia compactas, houve interesse renovado na célula a combustível,
resultando num eficiente, realizável, porém muito caro sistema de energia, utilizado
com sucesso nas missões espaciais Gemmini e Apollo (Filipini, 2002). A célula a
combustível teve que superar obstáculos técnicos e financeiros para achar aplicação
em sistemas de geração de energia elétrica.
Existem cinco tipos de células, cada uma conhecida pelo seu eletrólito
utilizado: ácido fosfórico, carbonato fundido, óxido sólido, membrana de troca de
próton e alcalina. Realizar-se-á a descrição generalizada da célula a combustível de
ácido fosfórico (PAFC) PC25 que é a tecnologia mais desenvolvida das cinco acima
citadas e a única a ser oferecida comercialmente em capacidade acima de 100kW
(Filipini, 2002). Mundialmente, doze organizações (sete nos E.U.A.) estão divulgando
ou desenvolvendo a PAFC. Uma das maiores é a ONSI Corporation, uma subsidiária
da United Technologies, que a vem desenvolvendo desde 1980. Até hoje, essa
companhia já instalou 170 unidades, quase todas operando com gás natural.
15
Algumas destas unidades já vêm operando milhares de horas.
De acordo com Paranhos (2002), em todo o hemisfério Sul, existem
atualmente três células a combustível adquiridas pelo Governo do Estado do Paraná
através da Companhia Paranaense de Energia Elétrica – COPEL, estando o Instituto
de Tecnologia para o Desenvolvimento – LACTEC – responsável por realizar os
testes para tropicalizar (adaptar o maquinário às condições brasileiras) e vender o
equipamento para a América do Sul. Uma destas células foi doada e será instalada
no Hospital Erasto Gaertner.
Um ótimo exemplo da aplicação desta tecnologia, que consegue
exemplificar a importância e a eficiência da co-geração, é o caso do Hospital Erasto
Gaertner (Curitiba,PR), objeto de estudo neste trabalho. Levando em consideração a
necessidade de uma energia sem distorções, pela sensibilidade dos aparelhos
instalados, da não produção de ruídos e dejetos para o ambiente e também da
utilização de água quente e vapor, a célula a combustível adapta-se perfeitamente
às necessidades do hospital.
Então, sendo a célula a combustível uma tecnologia fantástica e que se
encaixa perfeitamente nos moldes energéticos de uma planta hospitalar, porque não
realizar um estudo global sobre a viabilidade econômico-financeira desta instalação?
1.2 JUSTIFICATIVA
Conforme Reis (2000), a intensa relação da geração de energia com o
meio ambiente e com o modelo de desenvolvimento da humanidade tem resultado
num forte movimento em prol de uma revolucionária modificação do modelo
energético, que incorpora, dentre outras ações, maior utilização de tecnologias
eficientes (eficiência global - elétrica e térmica), ênfase ao uso de fontes renováveis
e a busca da universalização do acesso às mesmas. Neste cenário, o gás natural,
16
combustível fóssil menos deletério ao ambiente que o carvão mineral e os derivados
do petróleo, tem sido considerado por muitos como uma ponte para um futuro
predomínio do uso de energia “limpa”.
Tecnologias emergentes como a das células a combustível, principalmente
quando em conjunto com o processo da co-geração, tendem a conquistar mercados
para variadas aplicações, pois são das mais promissoras alternativas para a geração
de energia térmica e elétrica ambientalmente mais aceitáveis. De acordo com
Jannuzzi (1997), os custos de implantação desta tecnologia vêm sendo reduzidos,
com a expectativa de plantas comerciais nos primeiros anos do século XXI.
Conforme Clementino (2001), as células podem funcionar com vários tipos
de combustível e, aliada a sua capacidade de co-geração, alcançar até 80% de
eficiência e permitindo índices de disponibilidade superiores a 99%. Além disso,
estes sistemas apresentam elevada eficiência global, modularidade, funcionamento
limpo e silencioso, rapidez de resposta, flexibilidade no uso de combustíveis e
grande capacidade energética, justificando todo o esforço aplicado em pesquisa e
desenvolvimento. Outro fator motivador na realização deste trabalho é a carência de
estudos nacionais publicados relacionados à área, que envolvam a tecnologia de
células à combustível implantada em hospitais e que comparem-na em todos os
seus aspectos com a geração de energia atual.
Sendo assim, propõe-se no presente trabalho um estudo técnico, financeiro
e econômico da implantação da célula a combustível no Hospital Erasto Gaertner,
considerando a substituição de tecnologias, adequação de processos, ganhos reais
e potenciais pertinentes, a consistência quantitativa e qualitativa dos dados
levantados e também as dinâmicas cultural, histórica, política e social que envolvem
todo o processo.
17
1.3 OBJETIVO
1.3.1 Objetivo Geral
A partir da definição básica do projeto técnico juntamente com a utilização
de métodos econômico-financeiros pré-estabelecidos, elaborar um plano de estudo
global da implantação de uma unidade de co-geração (célula a combustível) no
Hospital Erasto Gaertner.
1.3.2 Objetivos Específicos
- Realizar o pré-diagnóstico nas instalações físicas do hospital;
- Avaliar a eficiência da célula a combustível como fonte de energia
elétrica e térmica;
- Levantar as demandas de energia elétrica atuais e futuras do
hospital;
- Levantar as necessidades térmicas do hospital (água quente e
vapor);
- Levantar o custo atual das tarifas aplicadas e o mapa histórico de
faturas do hospital (previsão de 3 anos);
- Analisar a evolução histórica das tarifas de energia elétrica do
hospital (previsão de 3 anos);
- Determinar o valor total dos investimentos para implantação de co-
geração com célula a combustível no hospital;
- Avaliar a evolução da tarifa em m3 do gás natural utilizada pela célula
a combustível;
- Fazer o levantamento dos custos de manutenção dos sistemas e
18
equipamentos atuais que serão substituídos pela proposta;
- Levantar o cenário atual e prever o cenário futuro do mercado de
energia elétrica para direcionar as análises econômicas e financeiras;
- Obter o preço da energia elétrica da tecnologia da célula a
combustível, aplicada ao Hospital Erasto Gaertner, considerando
todos os investimentos e cenários atuais e compará-la com o
mercado de energia existente;
- Obter o ponto de equilíbrio do investimento na tecnologia da célula a
combustível de modo que ela seja competitiva no mercado de energia
e viável sua introdução em plantas hospitalares;
- Outros dados e informações necessárias ao longo do trabalho.
1.4 METODOLOGIA
Inicialmente, será realizada a avaliação técnica da instalação do Hospital
Erasto Gaertner, através do levantamento de dados, tais como necessidade térmica,
estimativa para o consumo de energia elétrica, composição da matriz energética,
custos de eletricidade, água quente e geração de vapor utilizando xisto como
combustível.
Paralelamente ao levantamento de dados, será realizada a pesquisa sobre
a tecnologia em questão, considerando aspectos técnicos e de implantação,
facilitando a interpretação dos resultados obtidos.
A viabilidade econômico-financeira 3 do empreendimento será analisada
pela junção dos métodos de Fluxo de Caixa, da Avaliação de Ativos Intangíveis e
3 O econômico está ligado aos resultados monetários ao longo do tempo. O financeiro está ligado à capacidade de caixa para suportar a implantação e a operação.
19
Simulação de Cenários.
O método de cálculo aplicável na avaliação de investimentos de capital em
plantas de geração térmica de energia, isto é, o método do Fluxo de Caixa é um dos
quais será utilizado no roteiro de cálculos. Este método inclui todos os custos do
serviço de geração de energia elétrica, quais sejam:combustível, despesas de
operação e manutenção (O&M), depreciação, impostos, juros e renda líquida e
projeta esses custos ao longo da vida útil (considerada igual à vida contábil) do
investimento, utilizando as regras clássicas de contabilidade. A aritmética de valores
presentes é utilizada para calcular valores submetidos ao processo de nivelação, ou
seja, uniformemente distribuídos ao longo dos anos, os quais podem ser expressos
em R$/MWh ou US$/MWh e utilizados para análise de sensibilidade.
Como prova Campos (1998), o método de Simulação de Cenários
pesquisa as diversas situações do investimento levando em consideração as
dinâmicas culturais, econômicas, históricas, políticas e sociais, passadas e
presentes, de texto e contexto dos investimentos para o futuro. Isto é feito
considerando vários fatores, tais como: cidadãos, consumidores, sociedade,
empresa, mercado, concorrentes, Estado, todos a nível local, regional, nacional e
global.
O método da Avaliação de Ativos Intangíveis, conforme Schmidt (2002),
analisa o investimento sob as condições de mudança para uma economia
ecologicamente sustentável levando em consideração valores tangíveis e
intangíveis4.
A viabilidade econômica terá como produto a definição do preço da energia
4 Valores tangíveis são aqueles que visam um resultado presente, imediato, enquanto que os valores intangíveis visam um resultado que têm grande perspectiva de concretizar-se a longo prazo.
20
elétrica gerada pela tecnologia da célula a combustível, bem como o custo da
energia térmica produzida (água quente) para diferentes cenários.
1.5 MOTIVAÇÃO
A escolha do Hospital Erasto Gaertner como objeto de estudo neste
trabalho de graduação, veio com a facilidade e a disponibilidade de
acompanhamento da instalação de um dos três módulos de célula a combustível do
tipo PAFC adquiridas pela COPEL – Companhia Paranaense de Energia Elétrica,
em parceria com o LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, e
doada para o hospital.
As características elétricas e térmicas do Hospital Erasto Gaertner são
totalmente compatíveis com as características da célula em questão, enfatizando a
importância de um estudo desta magnitude.
Outras questões que motivaram a equipe para a elaboração deste trabalho
de graduação, além da tecnologia inovadora a ser estudada, é o fato de um dos
integrantes da equipe fazer parte do quadro de funcionários da área de engenharia
do hospital, facilitando assim o acesso a informações técnicas e administrativas.
21
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 CENÁRIO ENERGÉTICO MUNDIAL
De acordo com a Agência Internacional de Energia (2001):
Estima-se que atualmente cerca de um terço da população mundial não
tem acesso à energia elétrica e, mesmo em países industrializados com um padrão
de vida superior, ainda existem formas rudimentares de transformação e uso da
energia.
A produção mundial de energia é de 369,4 milhões de terajoules5 e o
consumo, de 351,7 milhões, de acordo com o Anuário de Estatísticas de Energia da
ONU (2001). A Ásia (34,4% do total) é a maior produtora entre os continentes,
seguida da América (31,3%) e da Europa (25,6%). A líder em consumo é a América,
que utiliza mais de um terço do total mundial. Quase 90% de toda a energia gerada
provém dos combustíveis fósseis – carvão, gás natural e petróleo. Estimativas da
ONU apontam que as reservas de petróleo existentes no mundo devem durar
apenas mais 75 anos; as de gás natural, pouco mais de 100; e as de carvão,
aproximadamente 200.
Sendo o principal gerador de energia, o petróleo é responsável por cerca
de 40% da produção total. Das reservas existentes no planeta, 82% já foram
descobertas. A parcela restante encontra-se em campos menores e de difícil
exploração. Além dos membros da Organização dos Países Exportadores de
Petróleo (Opep), os principais produtores são Estados Unidos (EUA), Federação
Russa, México, China, Canadá, Reino Unido e Noruega.
Nas próximas duas décadas, o petróleo tende a permanecer como a
5 O Joule é a unidade internacional usada para medir a energia; 1 terajoule equivale a 1.012 Joules
22
principal matéria-prima mundial, embora se calcule que seu uso possa diminuir de
40% para 38%, em razão do aproveitamento de outros recursos energéticos, tais
como o gás natural e o carvão.
A energia nuclear responde por cerca de 9% da produção mundial. Os
Estados Unidos (EUA) possuem a maior capacidade nuclear instalada (28% do total
mundial), seguidos da França (18%) e do Japão (12%). A energia nuclear utilizada
hoje é gerada pela quebra (fissão) dos núcleos do urânio-235, sendo Canadá o
maior produtor mundial (11.706 toneladas).
A maior desvantagem dessa forma de energia é o risco de vazamento do
material radioativo das usinas e um dos grandes problemas do setor é a falta de
tecnologia para tratar os resíduos nucleares, pois estes materiais costumam ser
encapsulados em tambores de aço e enterrados em regiões inóspitas.
2.2 CENÁRIO ENERGÉTICO NACIONAL
De acordo com artigo do Ministério das Minas e Energia (2001):
Embora possua uma grande diversidade de fontes de energia, a produção
nacional está concentrada nas fontes primárias de energia renovável, como energia
hidráulica, lenha e derivados da cana-de-açúcar, que correspondem a 66% do total
produzido. As fontes não renováveis – petróleo, gás natural, carvão e urânio – são
responsáveis por 34%.
Entre 1990 e 2001, houve um aumento de fontes não renováveis,
sobretudo do petróleo e seus derivados.
Do total da energia elétrica gerada no Brasil, as usinas térmicas
respondem por 8% e as hidrelétricas, por 92%. A indústria, setor que mais utiliza a
eletricidade, é responsável por 45% do consumo total.
Com a expansão e modernização dos serviços, com a abertura de grandes
23
centros comerciais, com a instalação de novas ligações residenciais e com a difusão
de bens de consumo duráveis pelas classes de menor poder aquisitivo, percebe-se
que a indústria registra uma pequena elevação no consumo de energia após a crise
energética que ocorreu em 2001, porém mesmo com a melhoria das condições
sociais, não houve um grande desempenho econômico.
GRÁFICO 1 - CRESCIMENTO DO PIB X CONSUMO DE ELETR ICIDADE FONTE: BUSINESS ROUND UP – BRASIL 2004
Em 11 de março de 1999, ocorre o maior blecaute da história do país.
Cerca de 76 milhões de habitantes de dez estados das regiões Sul e Sudeste e
parte do Centro-Oeste, além do Distrito Federal, ficam no escuro. Em alguns deles, o
fornecimento de energia só volta ao normal quatro horas e quinze minutos depois.
Em 1998, cresce a produção de petróleo brasileiro, que corresponde a 64%
do total consumido no país. Em 1995, esse índice era de 56%. De janeiro a agosto
de 2001 são produzidos 41.946.000 metros cúbicos de petróleo – no mesmo período
de 1999, a produção foi de 36.397.000 metros cúbicos. Para suprir o déficit, recorre-
se à importação.
24
A produção de gás natural, utilizado para fins industriais, comerciais e
domésticos, chega a 10,8 bilhões de metros cúbicos em 1999. No ano anterior, havia
sido de 9,8 bilhões de metros cúbicos. Em 2000, o acumulado até agosto é de 7,9
bilhões de metros cúbicos. Como a produção é maior que o consumo (6,7 bilhões de
metros cúbicos), uma parte do excedente é reinjetada nos poços.
O gasoduto Brasil-Bolívia, inaugurado em 1999, é considerado um dos
maiores projetos de infra-estrutura do mundo, orçado em 2 bilhões de dólares.
Embora as tubulações permitam o transporte de até 30 milhões de metros cúbicos
de gás por dia, o acordo inicial prevê o fornecimento de 9 milhões de metros cúbicos
diários. A obra é uma das tentativas do governo brasileiro de diversificar a matriz
energética do país com o objetivo de aumentar a participação do gás natural e
diminuir o consumo de petróleo e de energia hidrelétrica.
GRÁFICO 2 - TENDÊNCIA DE CUSTO DO GN – 2004-2007 FONTE: PETROBRÁS
A produção de álcool etílico em 2001 é de 14,1 milhões de metros cúbicos,
25
valor um pouco inferior ao produzido em 2000. Nos últimos anos, o consumo de
álcool se mantém em 14 milhões de metros cúbicos, levando à formação de grandes
estoques. A principal razão dessa estagnação é a redução da produção de veículos
novos movidos a álcool. Em 2001, porém, o mercado automobilístico de veículos a
álcool volta a crescer, incentivado pelo próprio governo brasileiro.
2.3 NOVAS ALTERNATIVAS PARA A GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
De acordo com Reis (2000), nos últimos anos, a questão energética tomou
posição principal na agenda ambiental global, pois a atual matriz energética mundial
ainda depende de cerca de 80% de combustíveis não renováveis cuja queima
contribui para aumentar rapidamente a concentração de gases-estufa na atmosfera.
Para que o setor energético se torne sustentável, é necessária a busca
incessante por uma maior eficiência energética e pela transição para o uso de
recursos primários renováveis.
Estas mudanças envolvem políticas que tentam redirecionar as escolhas
tecnológicas e os investimentos no setor tanto no suprimento quanto na demanda,
bem como a conscientização e o comportamento dos consumidores. Por outro lado,
importantes mudanças estruturais têm transformado os sistemas operacionais e os
mercados de energia, como a quebra de monopólios estatais e abertura do setor
para investidores privados, para a desverticalização6, para a regulamentação e para
a fiscalização voltadas aos interesses dos consumidores. Tais modificações são
impostas e aceleradas por forças do atual cenário mundial de globalização do
mercado.
6 Divisão do setor energético em empresas de geração e distribuição e pelo estabelecimento do sistema de transmissão único.
26
Na organização mundial atual, a energia pode ser considerada como um
bem básico para a integração do ser humano ao desenvolvimento. Acredita-se que
graus de desenvolvimento comparáveis aos alcançados até o presente são
possíveis com um uso eficiente de formas renováveis de energia, ou seja, prosseguir
com o desenvolvimento sem exercer maiores danos ao ecossistema.
Conforme Reis (2003), as soluções energéticas voltadas ao
desenvolvimento sustentável, hoje defendidas, seguem determinadas linhas de
referência básicas:
- Almeja-se a diminuição do uso de combustíveis fósseis (carvão, óleo,
gás) e um maior uso de tecnologias e combustíveis renováveis. O
objetivo é alcançar uma matriz renovável a longo prazo;
- É necessário aumentar a eficiência do setor energético desde a
produção até o consumo. Grande parte da crescente demanda
energética pode ser suprida através dessas medidas, principalmente
em países desenvolvidos onde a demanda deve crescer de forma
mais moderada;
- Mudanças no setor produtivo como um todo, são vistas como
necessárias para o aumento de eficiência no uso de materiais,
transporte e combustíveis;
- O desenvolvimento tecnológico do setor energético é essencial no
sentido de desenvolver alternativas ambientalmente benéficas. Isso
inclui também melhorias nas atividades de produção e equipamentos
e materiais para o setor e exploração de combustíveis;
- Políticas energéticas devem ser redefinidas de forma a favorecer a
formação de mercados para tecnologias ambientalmente benéficas e
a cobrar os custos ambientais de alternativas não-sustentáveis;
27
- Incentiva-se o uso de combustíveis menos poluentes. Num período
transitório, por exemplo, o gás natural tem vantagens sobre o petróleo
ou carvão mineral por produzir menos emissões.
Contudo, é importante que se busque o aprofundamento e se acompanhe
a evolução, devido ao seu impacto potencial na matriz de geração de eletricidade e
à sua característica de possível fonte de financiamento para projetos de geração
através de fontes renováveis.
2.4 A GERAÇÃO DISTRIBUÍDA E A CO-GERAÇÃO DE ENERGIA
A geração distribuída caracteriza qualquer forma de geração elétrica
localizada próxima ao usuário fina l. Ela pode pertencer a um auto-produtor, a um
produtor independente, à própria concessionária, ou a parcerias dos mesmos.
Conforme Reis (2003), tal forma de geração pode atuar no sentido de
aumentar a confiabilidade e a qualidade do suprimento, atender à demanda de
ponta, funcionar como reserva operativa, compor esquemas de co-geração, ou
atender áreas remotas com baixa densidade de carga.
A elaboração de uma política de incentivo à geração distribuída pode
facilitar a utilização de energia proveniente de fontes renováveis, levando em
consideração a abundância dos recursos disponíveis, a evolução das tecnologias, os
custos efetivos e o interesse e aceitação dos consumidores finais.
Os sistemas de co-geração são aqueles em que se geram,
simultaneamente, duas formas de energia, elétrica e térmica, a partir de um só
combustível, tais como gás natural, carvão, derivados de petróleo ou biomassa. Um
sistema de co-geração bem dimensionado e balanceado do ponto de vista da
porcentagem final de cada uma das duas fo rmas de energia aumenta o rendimento
global da utilização do combustível, atuando, assim, no incremento da eficiência
28
energética.
2.4.1 Aplicações da Co-geração
Os sistemas de co-geração, além da geração de energia elétrica,
produzem energia térmica geralmente na forma de vapor a baixa pressão que pode
ser usado em diferentes aplicações: aquecimento de óleo, fluídos industriais,
sistemas de refrigeração, dentre outras.
O potencial de aplicação da co-geração associado às centrais de geração
de calor e frio, como no caso de hospitais, centros comerciais, edifícios e escritórios,
depende da instalação de dutos para distribuição de vapor.
De acordo com Reis (2000), as principais características relativas à co-
geração distribuída são:
a) Aumento da eficiência energética da utilização do combustível como um
todo;
b) Auto-suficiência para o investidor e oportunidades de vendas de
excedentes de energia;
c) Redução de custos no produto final, decorrente de menores custos com
energia;
d) Aumento da diversidade de geração no sistema elétrico com redução
de riscos;
e) Aumento da possibilidade de uso de fontes renováveis, contribuindo
para o desenvolvimento sustentável;
f) Benefícios socioeconômicos para a região.
A co-geração apresenta algumas peculiaridades e dificuldades que
poderão ter impacto significativo no estudo de sua viabilidade econômica, não
somente no âmbito das questões relativas à geração distribuída, como também no
29
das questões relacionadas com o aumento de participação de outros combustíveis
na matriz energética nacional, em especial o gás natural, utilizado como principal
fonte de alimentação da célula a combustível, objeto de estudo neste trabalho.
30
2.5 O HIDROGÊNIO COMO FONTE DE ENERGIA
De acordo com Rifkin (2003):
Uma mudança profunda está preste a ocorrer no modo como usamos a
energia. A era moderna viabilizou o uso do carvão, do petróleo e do gás natural.
Todos os avanços dos últimos dois séculos sejam eles de natureza comercial,
políticos ou sociais, estão ligados, de alguma forma, às transformações e ao poder
derivado dos combustíveis fósseis.
Dizem os antropólogos que a quantidade de energia per capita consumida
numa sociedade é um bom índice de seu estado relativo de progresso. A sociedade
ocidental, durante os últimos 200 anos, consumiu mais energia per capita do que o
conjunto de todas as outras sociedades da história registrada. Passamos a desfrutar
um padrão de vida sem precedentes e devemos este privilégio às reservas de
combustíveis fósseis formadas há milhões de anos.
Porém, tudo o que é bom acaba um dia. Por muito tempo acreditamos
ingenuamente que as reservas de petróleo não sendo infinitas, haveria ao menos
um estoque suficiente nos recantos ocultos da Terra para suprir nossas
necessidades durante muito tempo. Em 1970, quando a produção de petróleo nos
EUA atingiu seu pico (o momento em que metade das reservas exploráveis havia se
esgotado), os geólogos se inquietaram. Todavia, como o petróleo continuou fluindo
em outras partes do mundo, o americano em geral não parou para pensar no
problema. Não foi senão durante o embargo árabe ao petróleo, três anos mais tarde,
que americanos e consumidores de outros países conscientizaram-se do problema
ao permanecer horas nas filas dos postos de combustível, na esperança de
conseguir uns poucos galões de gasolina: experiência reveladora para milhares de
pessoas. Na época, alguns especialistas nos preveniram de que ficaríamos sem
31
petróleo, mas isso não chegou a acontecer. Os Estados Unidos e outras nações,
com as principais companhias energéticas, deram início a uma busca frenética por
novas fontes de petróleo, e as encontraram, logo a gasolina voltou a fluir em
abundância e ficou mais barata do que nunca; o mundo voltou à vida rotineira.
Hoje o petróleo é relativamente barato nos mercados mundiais; segundo
especialistas, tanto ele como o gás natural só começarão a se esgotar daqui a trinta
ou quarenta anos, ou mesmo mais tarde: o que representa tempo suficiente para
pensar em fontes alternativas de energia.
A queima de combustíveis fósseis também acelerou a vida comercial. A
administração de um fluxo e uma densidade maior de comércio humano cristalizou
ainda mais a formação de empresas centralizadas e hierárquicas. Hoje, menos de
500 companhias globais controlam a maior parte das atividades econômicas do
planeta. A globalização representa o estágio final da era dos combustíveis fósseis –
um período em que instituições corporativas controlam nos mínimos detalhes tanto o
fluxo de energia como as atividades econômicas em comunidades por todo o
mundo.
Hoje, a infra-estrutura global criada para explorar os combustíveis fósseis e
administrar a atividade industrial está envelhecendo e começando a desabar. As
fissuras estão por toda parte e há um receio cada vez maior de que a infra-estrutura
não resista por muito mais tempo. Alguns geólogos estão começando a sugerir que
o próprio sistema pode vir abaixo. Não se preparar para o que virá, segundo
especialistas, acarretará riscos desnecessários.
Mas o que exatamente significa preparar-se? Se a era dos combustíveis
fósseis está se encerrando, o que pode substituí-la? Está surgindo um novo regime
energético, cuja natureza e caráter são tão diversos daqueles dos combustíveis
fósseis quanto foram os da queima de madeira que os precedeu.
32
O hidrogênio é o mais leve e mais onipresente dos elementos do universo;
quando processado para servir como forma de energia, torna-se “a energia eterna”.
Ele nunca se esgota e, por não conter nenhum átomo de carbono, não emite dióxido
de carbono. O hidrogênio se encontra por toda parte na Terra – na água, nos
combustíveis fósseis e em todos os seres vivos. Todavia, raramente existe na
natureza em estado puro e deve ser extraído das fontes naturais.
As fundações da economia do hidrogênio já estão sendo lançadas. Nos
próximos anos, a revolução dos computadores e das telecomunicações se fundirão
com a nova revolução da energia de hidrogênio, constituindo uma poderosa junção
capaz de reconfigurar fundamentalmente os relacionamentos humanos nos séculos
21 e 22. Como o hidrogênio se encontra por toda parte e é inesgotável, se
processado adequadamente, todas as pessoas na Terra poderão desfrutar de
relativa autonomia energética, convertendo a energia de hidrogênio no primeiro
regime energético verdadeiramente democrático da história.
Células a combustível energizadas por hidrogênio já estão sendo
produzidas comercialmente para a instalação em fábricas, escritórios, prédios
comerciais, hospitais e residências e servirão para produzir energia, luz e calor. As
grandes indústrias automobilísticas investiram mais de dois bilhões de dólares no
desenvolvimento de carros, ônibus e caminhões com tais células e esperam produzir
em massa a nova geração de veículos antes do final desta década. A instalação de
microusinas7 junto ao consumidor final – a chamada geração distribuída – ameaça o
antigo domínio exercido pelas usinas centralizadas desde o início da era dos
combustíveis fósseis. Hoje, o usuário final se torna tanto produtor como consumidor
de energia. Quando milhões de pequenas usinas de força estiverem conectadas em
7 Pequenas centrais de geração de energia
33
vastas redes energéticas, empregando os mesmos princípios arquitetônicos e a
mesma tecnologia moderna que ensejaram uma "World Wide Web", as pessoas
poderão compartilhar energia e comercializá-la – numa partilha energética de igual
para igual, libertando-se definitivamente das gigantes energéticas e elétricas.
A rede internacional de hidrogênio (HEW – " Worldwide Hydrogen Energy
Web") será a próxima grande revolução tecnológica, comercial e social na história.
Ela seguirá de perto o desenvolvimento da rede internacional de comunicação dos
anos 90 e, como sua predecessora, trará consigo uma nova cultura de
comprometimento. Embora a HEW seja potencialmente uma revolução nos sistemas
energéticos, capaz de descentralizar e democratizar o uso de energia e remodelar
radicalmente as instituições comerciais e sociais, não há nenhuma certeza de que
isso ocorrerá.
A conversão do hidrogênio na energia do povo depende, em grande
escala, do modo como ele será processado nas fases iniciais de seu
desenvolvimento.
Para que a humanidade como um todo seja conectada a redes de energia
de hidrogênio, será necessária também a participação ativa do setor privado. As
empresas comerciais desenvolverão e fabricarão os novos hardware e software para
a revolução da geração distribuída e terão um papel fundamental na oferta de
serviços energéticos e na coordenação do fluxo de energia na HEW. Para que se
estabeleça a legitimidade, a efetividade e a viabilidade a longo prazo do novo regime
energético, é fundamental haver uma parceria adequada entre interesses comerciais
e não comerciais.
A mudança para uma economia do hidrogênio pode encerrar a
dependência do mundo do petróleo importado e ajudar a apaziguar o perigoso jogo
político entre militantes muçulmanos (do Oriente Médio ou outras regiões) e
34
potências ocidentais. Igualmente importante, o afastamento do mundo de um regime
energético baseado em combustíveis fósseis limitará as emissões de CO2 a apenas
duas vezes o nível pré-industrial, diminuindo os efeitos do aquecimento global na
biosfera já bastante degradada do planeta.
Um regime energético descentralizado com base no hidrogênio
proporciona ao menos a esperança de incluir os excluídos e fortalecer os que não
têm força, ou seja, seria a real possibilidade de ocorrer uma “reglobalização”, desta
vez de baixo para cima e contando com a participação de todos.
Na economia do hidrogênio que se anuncia, a mera densidade da
interação humana, assim como a velocidade de envolvimento de pessoas,
acarretarão um novo sentido de segurança, protegido por sua integração na
interdependência global e nas diversas redes comerciais, sociais e ambientais.
Nossa segurança individual e o bem estar de todas as comunidades humanas,
biológicas e geológicas serão uma coisa só. Passaremos a nos considerar parte de
um único organismo terrestre. A geopolítica separatista que permeou tão
sensivelmente a era dos combustíveis fósseis dará lugar, na era do hidrogênio, a um
novo senso de política biosférica.
O emprego efetivo do hidrogênio como fonte de força daria à humanidade
uma reserva de energia virtualmente ilimitada – tipo de energia que há muito tempo
frustra alquimistas e químicos.
A “descarbonização” é um termo que os cientistas empregam para referir-
se à proporção variável entre átomos de carbono e de hidrogênio conforme as fontes
de energia se sucedem. A madeira, que em grande parte da história foi o principal
combustível energético da humanidade, tem a maior de todas as proporções de
átomos de carbono para átomos de hidrogênio, com dez daqueles para cada um
destes. Entre os combustíveis fósseis, o carvão tem a proporção mais alta de
35
carbono para hidrogênio, cerca de um ou dois átomos do primeiro para cada átomo
do último. O petróleo tem um átomo de carbono para cada dois de hidrogênio,
enquanto que o gás natural tem apenas um de carbono para cada quatro de
hidrogênio. Isso significa que cada fonte sucessiva de energia emite menos CO2 que
sua predecessora. O fato mais importante, surpreendente e afortunado a emergir
dos estudos de energia é que por 200 anos o mundo favoreceu progressivamente os
átomos de hidrogênio em detrimento dos de carbono. A tendência à
“descarbonização” é essencial para que se compreenda a evolução do sistema de
energia.
GRÁFICO 3 - EMISSÃO DE POLUENTES DA CÉLULA DURANTE UM ANO DE OPERA ÇÃO FONTE: WWW.UTCFUELCELLS.COM
O hidrogênio completa a jornada da descarbonização. Ele não contém
nenhum átomo de carbono. Sua emergência como fonte primária de energia do
futuro assinala o fim do longo reinado da energia hidrocarbônica sobre a história
humana. O hidrogênio é a mais leve e mais imaterial de todas as formas de energia
e a mais eficiente quando queimada, além de ser condutor de energia, uma forma de
energia secundária que pode ser processada, como a eletricidade.
36
A progressão sustentada do pesado para o leve e do material para o
imaterial, em nossas formas de energia, refletiu, em todos os trechos do caminho, a
leveza progressiva das atividades industriais, desde o advento das tecnologias
pesadas da era do vapor, no início do capitalismo industrial até as tecnologias leves
e virtuais da era da informação, no século 21. De fato, a desmaterialização da
energia e da atividade econômica seguem continuamente de mãos dadas. A
descarbonização significou não somente a eliminação contínua de átomos de
carbono, mas, com ela, a desmaterialização da energia – de sólidos (como o carvão)
para líquidos (petróleo) e agora gases (tanto o gás natural como o hidrogênio). A
mudança de energia de sólidos para líquidos e gases proporcionou um fluxo
energético mais rápido e eficiente – o petróleo viaja pelos oleodutos mais
rapidamente que o carvão sobre trilhos, e o gás segue pelos dutos ainda mais rápido
e com mais leveza que o petróleo líquido – suscitando tecnologias, bens e serviços
de natureza similar, cada vez eficientes, leves e virtuais.
Há diversos modos de produzir hidrogênio. Hoje, aproximadamente metade
da produção no mundo é derivada do gás natural em um processo de reforma a
vapor. O gás natural reage com o vapor num transformador catalítico. O processo
extrai os átomos de hidrogênio, deixando o dióxido de carbono como subproduto. O
carvão também pode ser reformado pela vaporização para produzir hidrogênio, mas
isso seria mais caro do que usar o gás natural. Também é possível extrair hidrogênio
do óleo ou de biomassa gaseificada.
Embora a reforma de gás natural pelo vapor tenha se mostrado o meio
mais barato de produzir o hidrogênio comercial, o gás natural é um hidrocarbonado,
e emite CO2 no processo de conversão. Seus defensores dizem que no futuro o CO2
gerado neste processo pode ser isolado e recolhido em depósitos subterrâneos,
inclusive nos campos esgotados de petróleo e de gás natural e nas jazidas
37
carboníferas profundas, embora reconheçam que isso aumentaria o custo da
produção de hidrogênio. A viabilidade dos métodos de recolhimento é ainda
duvidosa e mesmo seus defensores argumentam que sua aplicação comercial dista
de nós pelo menos dez anos.
Uma futura energia renovável é muito difícil, se não impossível, sem a
utilização do hidrogênio como meio fonte de armazenagem. Hidrogênio é um meio
muito atrativo e interessante de armazenagem de energia assegurando suprimentos
duradouros e contínuos para a sociedade.
A criação de uma infra-estrutura para armazenar o hidrogênio, contudo,
acarreta problemas de custos adicionais. Os defensores da energia renovável e do
complexo do hidrogênio estão depositando esperanças em novas descobertas
direcionadas ao desenvolvimento de pequenas células a combustível estacionárias e
portáteis, bem como um mercado de rápido crescimento para elas, que serviriam
como miniusinas para o uso em fábricas, hospitais, escritórios, lojas de varejo,
residências e automóveis.
Células a combustível alimentadas por hidrogênio podem produzir
eletricidade o bastante para atender às necessidades da raça humana por muito
tempo no futuro. Sair da era dos combustíveis fósseis, porém não será fácil. A
produção de hidrogênio ainda é dispendiosa e além disso, a maioria das células a
combustível usa atualmente o gás natural e outros combustíveis fósseis como fonte
de alimentação. Existe já algum hidrogênio sendo produzido em pequena escala por
meio do uso da energia solar, eólica, hídrica e geotérmica, bem como de outros
recursos renováveis, na produção da eletricidade necessária para extraí-lo da água.
Nas últimas décadas, sistemas eletrolíticos baseados na energia solar e eólica foram
instalados na Alemanha, Itália, Espanha, Suíça, Finlândia, nos Estados Unidos e na
Arábia Saudita. Ainda assim, o processo é mais dispendioso do que a reforma a
38
vapor de combustíveis hidrocarbonados.
As células a combustível são ainda muito caras. Como qualquer outra
tecnologia, sua produção não atingiu o ponto crítico em que economias de escala
passam a se desenvolver e reduzem significativamente o custo por unidade
manufaturada. Todavia, dezenas de empresas iniciantes, bem como algumas das
maiores companhias transnacionais do mundo, estão adentrando ao segmento, na
esperança de descobrir o caminho para a economia do hidrogênio.
Todos os participantes do novo jogo da energia estão considerando um
método novo e radical de fornecer eletricidade, chamado de geração distribuída,
para lidar com os problemas de custos e pavimentar o caminho rumo a uma nova
era da energia. A geração distribuída vira pelo inverso a lógica convencional do
fornecimento de eletricidade. Durante a maior parte do século 20, a energia elétrica
foi gerada em grandes usinas e então transportadas por longas distâncias até os
consumidores finais, através de linhas de transmissão. A energia centralizada trouxe
à tona economias de escala, o que tornou a produção e a distribuição de energia
elétrica relativamente barata. Os imensos custos de capital envolvidos na construção
de grandes usinas de geração de energia elétrica e vastas linhas de transmissão só
poderiam ser compensados se permitisse que as companhias controlassem a
totalidade de mercados regionais. Assim, a energia elétrica se instituiu ou na forma
de prestadoras de propriedade pública ou como empresas privadas reguladas pelo
governo como monopólios naturais.
Em relação as microtecnologias que estão sendo cada vez mais utilizadas
no mercado da microenergia, existe um consenso progressivo entre os especialistas
da área considerando que, a longo prazo, as células a combustível alimentadas por
hidrogênio acabarão assumindo a frente e se tornando líderes no mercado da
geração distribuída. Além de serem mais eficientes que os motores de combustão na
39
geração de eletricidade e, aliás, menos poluentes, as células a combustível são
também mais flexíveis. Elas vêm em módulos, e isso permite ao usuário final adaptá-
las a suas necessidades correntes de geração de energia; caso ele precise
futuramente de mais energia, poderá adquirir módulos complementares de células a
combustível a um pequeno custo adicional.
Obviamente que o preço da geração de energia por meio de células a
combustível continuará a cair conforme mais unidades forem sendo vendidas, e isso
atrairá maiores economias de escala e desencadeará mais inovações. Os analistas
de mercado são mais otimistas quanto ao mercado potencial das células a
combustível e da geração distribuída e enumeram diversas razões pelas quais
acreditam que a rede elétrica deve mudar da geração centralizada para a
descentralizada, localizada próximo ou junto ao usuário.
A geração distribuída também vem ganhando apoio devido à preocupação
crescente com o aquecimento global e ao desejo de usar a energia com mais
eficiência, reduzindo as emissões de CO2. Instalando miniusinas em suas casas ou
locais de trabalho, os usuários finais podem aproveitar o calor gerado pela
eletricidade para aquecer o ambiente ou gerar energia adicional. A co-geração
aumenta em muito a eficiência, reduzindo a quantidade de combustível usada em
até 50%. E também reduz as emissões de CO2 em até 50%, pois a eletricidade e a
energia térmica não precisam ser produzidas e transportadas separadamente até os
usuários finais.
A plena comutação de uma geração de energia centralizada, baseada no
uso de combustíveis fósseis, para células a combustível a hidrogênio operando
numa rede de geração distribuída – especialmente se o hidrogênio for produzido
usando-se energia solar, eólica, hídrica e geotérmica – poderia reduzir as emissões
de CO2 mais dramaticamente do que qualquer outra tecnologia atualmente
40
investigada.
Um número cada vez maior de consumidores vem usando a geração
distribuída para participar do que o pessoal da indústria chama de “corte dos picos”.
Os custos da energia podem variar de hora para hora, conforme a demanda e a
geração disponível. Estas flutuações são convertidas em categorias, tais como
horário fora de ponta, de ponta e médio, de acordo com a estação e hora do dia.
Nos períodos de pico, quando a demanda é alta, as prestadoras têm muitas vezes
de acionar suas usinas mais antigas e menos eficientes. O custo adicional é
repassado aos consumidores na forma de picos nos preços da eletricidade. Nos
períodos de pico, os proprietários de usinas de geração distribuída podem optar por
desconectar-se da rede principal e conectar-se a sua própria provisão de energia
para poupar dinheiro.
Hoje, o hidrogênio e a nova tecnologia de geração distribuída por meio de
células a combustível estão começando a se fundir com a revolução dos
computadores e das telecomunicações para criar uma era econômica totalmente
nova. As células a combustível individuais que proporcionam a crescente revolução
da geração distribuída estão agora mesmo se conectando umas às outras com a
ajuda de sofisticados programas de computação, de ágeis tecnologias digitais e do
acesso à Internet, dando início a uma rede de energia distribuída.
Nosso futuro consiste no hidrogênio. Ele será visto por nós como um
recurso partilhado, a exemplo dos raios de sol e do ar que respiramos, como uma
"commodity" comprada e vendida no mercado aberto ou como algo intermediário
entre essas duas coisas?
A determinação do status do hidrogênio definirá o futuro desenrolar de sua
economia e terá conseqüências profundas nas instituições políticas e sociais que
nascerão juntamente com o novo regime. A questão do status do hidrogênio tem
41
muitos paralelos com a das informações na Internet.
Conforme o preço das células a combustível e de seus acessórios
continuarem a cair graças às inovações e às economias de escala, estes produtos
ficarão disponíveis em escala muito maior, a exemplo do que ocorreu com os rádios
de transistores, os computadores e os telefones celulares. As células a combustível
de maior porte têm a vantagem adicional de produzir água potável pura como
produto – um fator nada insignificante nas comunidades rurais do globo, onde o
acesso à água limpa é muitas vezes preocupação essencial.
A economia do hidrogênio acarretará um novo modo de refletir sobre a
sociologia de nossa existência, a exemplo do que fez a era dos combustíveis
fósseis. As grandes transformações nos regimes energéticos ao longo da história
sempre suscitaram novas concepções das categorias mais básicas da existência
humana.
O modo como seres humanos recolhem, transformam e utilizam as
modalidades dominantes de energia de que dispõem – seja na forma de animais
selvagens e plantas, do cultivo domesticado de alimentos, de escravos humanos, ou
do uso de carvão, petróleo e gás natural em máquinas – faz-se imprimir nas diversas
maneiras como eles definem suas idéias de segurança pessoal e coletiva.
O hidrogênio é uma nota promissória para o futuro da humanidade na
Terra. Se esta promessa será desperdiçada em tentativas frustradas e
oportunidades perdidas, ou se será usada sabiamente em prol de nossa espécie e
das demais criaturas, é algo que só compete a nós decidir.
42
2.6 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
2.6.1 Definição
Células a combustível são dispositivos que convertem energia química em
energia elétrica e térmica. São alimentadas com hidrogênio, que pode ser obtido do
gás natural, do etanol, da gasolina, do metanol, entre outros. Por produzirem energia
através de uma reação eletroquímica ao invés da combustão, as emissões de
efluentes atmosféricos são mínimas e pouco agressivas ao meio ambiente. Tendo
em vista que o processo apresenta maior rendimento energético, a relação energia
gerada / emissão de CO2 é menor que nos processos convencionais de geração
elétrica que utilizam equipamentos de combustão. A célula a combustível funciona
de forma diferente das baterias tradicionais por não armazenar eletricidade, não
precisando de recarga desde que o energético seja continuamente fornecido.
2.6.2 Histórico
Conforme Caíres (1996), a idéia de células a combustível vem de longa
data, sendo que um gerador desse tipo foi concebido em 1801, na Inglaterra. Nessa
ocasião, foi construída, para gerar eletricidade, uma célula (pilha) de zinco e
oxigênio que gera zincato de sódio. Somente no século XX foram dados alguns
passos significativos no estudo e desenvolvimento dessas células.
Em 1839, William Grove observou que, quando o hidrogênio e o oxigênio
eram fornecidos separadamente a dois eletrodos de platina imersos em solução de
ácido sulfúrico, uma corrente elétrica era produzida em um circuito externo
conectado aos eletrodos.
Siegl, cientista inglês, foi o primeiro a produzir eletrodos com platina
43
dispersa sobre partículas de carbono, e com essa experiência surgiram os eletrodos
de difusão de gás, que são utilizados até hoje no desenvolvimento das células a
combustível.
Eletrólitos fundidos foram utilizados pela primeira vez nesses dispositivos
no século XIX. Estudiosos tiveram a idéia de substituir motores térmicos por células
eletroquímicas, nas quais se oxidaria o carbono a CO2 e se reduziria a oxigênio.
Conforme Caíres (1996), no início do século passado, registrou-se uma
patente para a construção de uma célula com eletrólito sólido. Em conseqüência do
grande sucesso dos geradores eletromecânicos, diminuíram os investimentos em
pesquisas relativas a células de combustível, até a Segunda Guerra Mundial,
quando se procurou desenvolver fontes de energia pra a tecnologia de satélites.
Davtyan, pesquisador inglês, publicou artigos sobre células de eletrólito sólido para
alta temperatura, descrevendo pesquisas em que foi utilizado carbonato fundido e
células de eletrólito alcalino de alta e baixa temperaturas.
Como descreve Filipini (2002), os estudos sobre células a combustível
continuaram, porém, em nível científico, com contribuições de Nernst, Haber, Bauer
e outros. Enquanto a maioria dos trabalhos consideravam a utilização do carvão
como combustível, Bauer, em 1933, propôs a utilização do gás hidrogênio e gás
oxigênio em uma célula que opera em meio alcalino. Nessa época, Francis T.
Bacon, engenheiro inglês, interessou-se pelo assunto e resolveu executar um
projeto que levasse as células a combustível a alguma utilização prática. Seu
trabalho começou a obter sucesso na década de 50, com o desenvolvimento dos
eletrodos porosos de níquel, que proporcionavam bom rendimento às células
alcalinas de alta pressão.
Conforme Caíres (1996), Kordesch e Marko, nessa época, desenvolveram
na Universidade de Viena, Áustria, estudos semelhantes com eletrodos porosos de
44
carbono e confirmaram a previsão de Bauer, viabilizando a operação de células
alcalinas de baixa temperatura e pressão. Enquanto isso, na Holanda, G. H. Broens,
baseando-se no trabalho do russo O. K. Davtyan lançou as bases pra o
desenvolvimento de células de alta temperatura, usando carbonatos fundidos como
eletrólito.
As décadas de 50 e 60 foram aquelas em que se observaram melhores
condições para o desenvolvimento de novas tecnologias, à vista dos programas
espaciais dos países desenvolvidos. Com isso, os estudos das células a combustível
foram especialmente beneficiados.
Essa fase da tecnologia propiciou a primeira utilização prática destes
conversores de energia, em naves espaciais, com uma célula a combustível
construída a partir do modelo desenvolvido por Bacon. Essa célula foi responsável
pela geração de toda a energia elétrica das naves do projeto Apollo. Essas foram as
primeiras demonstrações dos princípios de funcionamento das células a
combustível, que até 1930 ainda eram consideradas como mera curiosidade de
laboratório.
Na década de 70, um impulso maior foi dado em decorrência do
agravamento do problema energético mundial, em particular da crise do petróleo.
Essa crise mobilizou a comunidade internacional, preocupada com os níveis
alarmantes de poluição ambiental, que trouxeram à tona a necessidade de
conversão eletroquímica da energia. Com isso, as células a combustível, que
obtiveram excelente desempenho nas missões espaciais, mas cujo alto custo
desestimulava qualquer tentativa de aplicação terrestre, começaram a ser estudadas
e vistas como um sistema viável para aplicações em larga escala, por suas
vantagens e características.
Para minimizar o problema do custo desta tecnologia, têm sido levados em
45
conta outros enfoques tecnológicos, bem como estudos de novos materiais. Nos
E.U.A., órgãos da NASA, o Exército, a Força Aérea e a Marinha investiram muito em
estudos e desenvolvimento de projetos para a defesa do país ao longo dos anos da
chamada Guerra Fria. Nesses projetos foi priorizada a Engenharia e a Ciência de
Materiais. Com o término da Guerra Fria, esses materiais, chamados de materiais
avançados, foram direcionados para outras aplicações. Assim, alguns deles têm sido
testados para uso em células a combustível.
Após o êxito dos programas espaciais norte-americanos, houve grande
interesse em promover aplicações terrestres para as células a combustível, como
sistemas autônomos de geração de energia elétrica.
2.6.3 Esquema básico de funcionamento
Conforme Reis (2003), turbinas, geradores a diesel, calor derivado de
combustão ou calor gerado por reação nuclear podem gerar eletricidade e permitir
que essa energia realize trabalho mecânico. Estes sistemas envolvem conversão de
energia e seus coeficientes são limitados pelas leis da Termodinâmica. A célula a
combustível envolve constantes de temperatura no processo eletroquímico, e sua
eficiência não é limitada pelas leis que regem as máquinas térmicas.
46
FIGURA 1 - ESQUEMA BÁSICO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA
FONTE: FILIPINI (2002)
Uma célula combustível, mostrada esquematicamente na Figura 1 acima,
consiste de dois eletrodos separados por um eletrólito. O combustível é fornecido
para um eletrodo e o oxigênio para o outro. Um pequeno potencial elétrico, menor
que 1V, é estabelecido e uma corrente elétrica poderá circular, enquanto o
combustível e o ar forem fornecidos à estrutura. Os eletrodos catalisam a reação,
mas não são consumidos como os eletrodos em uma bateria.
Esta conversão ocorre por meio de duas reações eletroquímicas parciais
de transferência de carga em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado,
ou seja, a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no
cátodo. Escolhendo-se, por exemplo, hidrogênio como combustível e oxigênio (do ar
ambiente) como oxidante, tem-se na denominada célula ácida, a formação de água
e produção de calor, além da liberação de elétrons para um circuito externo, que
47
podem gerar trabalho elétrico. As reações nos eletrodos são:
a) Ânodo: H2 ? 2H+ + 2e-
b) Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- ? H2O
c) Reação Total: H2 + ½ O2 ? H2O
A reação de redução do oxigênio e de oxidação do hidrogênio ocorrem em
potenciais diferentes, o que permite a realização de um trabalho útil pelos elétrons
envolvidos, desde que a configuração seja adequada. Na prática, essa configuração
depende de vários fatores, tais como os reagentes usados, a temperatura de
operação e o eletrólito empregado.
O hidrogênio utilizado para a alimentação das células pode ser produzido
no interior das mesmas, através da chamada reforma catalítica do combustível. A
Figura 2 representa um diagrama de blocos de uma célula a combustível ácida
utilizando o reformador.
FIGURA 2 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL COM REFORMADOR
FONTE: FILIPINI (2002)
O combustível injetado para a reforma pode ser gás natural, metano,
propano, nafta, etanol, metanol e outros. O gás resultante do processo reage com o
48
oxigênio no interior da célula produzindo principalmente água, energia térmica e
energia elé trica, sem a ocorrência de combustão.
2.6.4 Tecnologias em desenvolvimento
De acordo com Reis (2003), as tecnologias de células a combustível em
desenvolvimento atualmente, têm sua classificação baseada no tipo de eletrólito
utilizado na célula, pelas reações eletroquímicas e pelas suas temperaturas de
operação. Segundo estes critérios, as cinco principais tecnologias de células a
combustível em desenvolvimento são:
a) Células a ácido fosfórico (PAFC, "Phosforic Acid Fuel Cell");
b) Células a polímero sólido (SPFC, "Solid Polymer Fuel Cell");
c) Células alcalinas (AFC, "Alkaline Fuel Cell");
d) Células a carbonato fundido (MCFC, "Molten Carbonate Fuel Cell");
e) Células a óxido sólido (SOFC, "Solid Oxide Fuel Cell").
A tabela 1 evidencia os tipos de células a combustível existentes, seus
respectivos eletrólitos, temperatura de operação e reagentes.
TIPO DE CÉLULA ELETRÓLITO TEMPERATURA (ºC) REAGENTES
Ácido Fosfórico H3PO4 180 – 200 H2 de reforma / O2 / Ar Polímero Sólido Nafion® 70 – 100 H2 de reforma / O2 / Ar
Alcalina KOH (25-50%) 25 – 100 H2 / O2 puros Carbonato Fundido K2CO3 / Li2CO3 600 – 750 Gás Natural / Carvão
Óxido Sólido ZrO2 / Y2O3 900 – 1000 Gás Natural / Carvão
TABELA 1 – TIPOS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL FONTE: FILIPINI (2002)
49
2.6.4.1 Célula a Ácido Fosfórico (PAFC)
De acordo com Reis (2003), as células a ácido fosfórico pertencem ao
grupo de tecnologia mais antiga e mais difundida até o presente. Utilizando o ácido
fosfórico concentrado (95 – 98%) como eletrólito e operando na faixa de 180 –
200ºC, essas células podem ser abastecidas com combustíveis relativamente
limpos, derivados do processo de reforma de combustíveis fósseis como o gás
natural, metano, nafta, etanol, entre outros.
Para proporcionar uma maior eficiência das reações eletroquímicas, este
tipo de célula requer o emprego de catalisador, sendo o de platina mais utilizado,
fato esse que dificulta sua comercialização pelo alto custo do material empregado.
O eletrólito utilizado, H3PO4, ácido fosfórico, oferece uma excelente
estabilidade térmica, química e eletroquímica e baixa volatilidade para temperaturas
superiores a 150ºC, além de ser um ácido “benigno”, podendo até ser encontrado na
fórmula química da bebida Coca-Cola®.
Sua construção relativamente simples, baseada em materiais produzidos a
partir de processos amplamente dominados pela indústria atual faz com que a célula
combustível do tipo ácido fosfórico seja a mais comercialmente viável desde 1994.
A principal aplicação a células a combustível PAFC dá-se nas centrais de
co-geração com potência de 50 a 1000kW, para instalações “in situ”, ou seja, nas
dependências do consumidor. Destina-se, basicamente, ao suprimento de
eletricidade e calor para estabelecimentos comerciais, conjuntos residenciais,
hospitais, edifícios e pequenas indústrias. O combustível mais utilizado é o gás
natural reformado.
50
2.6.4.2 Célula a Polímero Sólido (SPFC)
De acordo com Reis (2003), as células de polímero sólido utilizam como
eletrólito uma membrana condutora de prótons (Nafion®), e, com o seu uso, pode-se
manter uma distância entre os eletrodos de aproximadamente 0,2 mm, diminuindo-
se assim a resistência interna. A platina também é utilizada como agente catalisador
das reações eletroquímicas que se processam na célula. A célula do tipo SPFC
opera a uma temperatura da ordem de 80ºC.
Por oferecerem uma maior eficiência e atingirem elevadas densidades de
potência, são as mais aplicadas na indústria automotiva em substituição aos motores
de combustão interna. Atualmente esta tecnologia tem se mostrado bastante
promissora, apesar, ainda, do alto custo das membranas nela empregadas.
2.6.4.3 Célula Alcalina (AFC)
De acordo com Reis (2003), as células alcalinas utilizam uma solução
aquosa de hidróxido de potássio (30%) como eletrólito. As reações de oxidação em
eletrólitos alcalinos são mais rápidas que em eletrólitos ácidos, viabilizando a
utilização de metais menos nobres, portanto, mais baratos, como agentes
catalisadores. O combustível, hidrogênio, e o reagente, oxigênio, devem possuir uma
pureza elevada pelo fato dos eletrólitos alcalinos reagirem com gases ácidos, como
o CO2, CO e SO2, e formarem produtos insolúveis comprometendo o funcionamento
do sistema e aumentando sua complexidade.
As células AFC não requerem materiais de alto custo na sua construção e
têm-se mostrado viáveis para aplicações estratégicas, como espaçonaves,
submarinos e em áreas remotas. Esta tecnologia equipou as naves do projeto Apollo
e da Space Shuttle, ambos da NASA.
51
2.6.4.4 Célula a Carbonato Fundido (MCFC)
De acordo com Reis (2003), as células a carbonato fundido operam em
temperaturas entre 600 e 750ºC, utilizam misturas de carbonato de sódio, lítio e
potássio como eletrólito.
Uma das principais características das células MCFC é que o dióxido de
carbono (CO2) e o monóxido de carbono (CO) são reagentes combustíveis, tendo a
mesma função do hidrogênio nos demais tipos de células a combustível. Também,
pela alta temperatura de operação, esta tecnologia dispensa o uso de catalisadores
com metais nobres e a reforma do combustível é feita no interior da célula.
As aplicações de células MCFC têm crescido em centrais de co-geração de
médio e grande porte, principalmente em sistemas de geração que operam em ciclo
combinado. Este crescimento está relacionado com a eficiência elevada da relação
combustível / energia elétrica, que pode chegar à 55%, sem o aproveitamento do
calor residual.
2.6.4.5 Célula a Óxido Sólido (SOFC)
De acordo com Reis (2003), nas células do tipo a óxido sólido são
utilizados eletrólitos refratários, não corrosivos, à base de uma mistura de óxido de
zircônio (ZrO2) e yttria (Y2O3), que apresentam, mesmo no estado sólido,
considerável condutividade iônica em temperaturas em torno de 1000ºC. Sua maior
característica reside no fato de que seus próprios eletrodos podem atuar como
reformadores de outros combustíveis, gerando o hidrogênio necessário para sua
alimentação.
Pela temperatura de operação elevada, as células do tipo óxido sólido são
geralmente utilizadas em aplicações de co-geração em funcionamento contínuo ou
52
para o acionamento de uma turbina a vapor utilizando o esquema de ciclo
combinado.
2.6.5 Vantagens e Desvantagens de Células a Combustível
Na tabela 2, encontra-se um resumo relativo às vantagens e desvantagens
da geração de energia à base de células a combustível.
VANTAGENS DESVANTAGENS Flexibilidade quanto ao combustível utilizado Elevada eficiência na conversão da energia,
relativamente independente do valor da carga Ausência de ruído
Sensibilidade à contaminação pela ação de alguns componentes existentes no combustível
Baixa emissão de poluentes Possibilidade de dispersão das centrais,
decorrente da possibilidade de sua instalação em áreas urbanas ou rurais
Elevada relação custo / potência, decorrente do emprego de materiais nobres
Facilidade de expansão, devido à característica de modularidade
Susceptibilidade à produção em massa Possibilidade da utilização do calor residual para
co-geração Resposta rápida em flutuações de demanda Capacidade de acompanhar rapidamente o
crescimento da carga Confiabilidade potencialmente elevada
Baixo custo de manutenção Baixa relação volume / potência
Confiabilidade e suportabilidade a condições adversas ainda não demonstradas
TABELA 2 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FONTE: REIS (2003)
2.6.6 Perspectivas da Tecnologia no Mercado Nacional
Sendo o Brasil um país que enfrenta grandes problemas no que diz
respeito ao suprimento de energia elétrica, a tecnologia de células a combustível,
com suas inúmeras vantagens, surge como uma bela opção tão logo seja
competitiva no mercado.
53
Conforme Reis (2000), com a absoluta maioria, cerca de 90% e 60.000
MW, de sua capacidade instalada baseada em hidrogeração, se faz necessária uma
complementação desta matriz, principalmente nos períodos secos do ano e quando
da ocorrência de elevados picos de carga.
A participação cada vez mais ativa do gás natural na matriz energética
brasileira é uma grande contribuição ao desenvolvimento das centrais de co-geração
base de células a combustível, tornando-as promissoras na complementação da
capacidade de produção de energia das usinas hidrelétricas.
As principais oportunidades de mercado para a introdução da tecnologia de
células a combustível no cenário energético brasileiro, situam-se nas centrais de
pequeno e médio porte para a produção e/ou auto-produção independente de
energia, levando em consideração o elevado custo de energia nos períodos de
ponta e o baixo índice de poluição ambiental e sonora. A eficiência das células a
combustível aliada a sua capacidade de co-geração através do calor liberado
também é um fator significativo desta tecnologia.
54
3 O CASO DO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
3.1 O HOSPITAL
De acordo com o Relatório Anual de Atividades (2002), fundado em 8 de
novembro de 1972 e construído em um terreno de 62.500 m2, contando com mais de
12.000 m2 de área construída, o Hospital Erasto Gaertner atualmente é considerado
um dos mais importantes centros oncológicos8 nacionais.
FIGURA 3 - VISTA AÉREA DO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
FONTE: WWW.LPCC.ORG.BR
Exemplifica sua atuação o exercício de 2002, quando realizou cerca de
178.000 atendimentos nos seus vários serviços e especialidades médico-
8 Relativo à oncologia, medicina que trata dos tumores.
55
hospitalares, tendo dedicado aproximadamente 86% da sua infraestrutura de oferta
de serviço à pacientes oriundos do SUS – Sistema Único de Saúde.
De acordo com o Relatório Anual de Atividades (2002), para cumprir sua
relevante missão, o Hospital Erasto Gaertner cumpre ainda os seguintes objetivos
institucionais:
- Providenciar o diagnóstico, tratamento e reabilitação de pacientes
com câncer, atendendo seus objetivos de instituição filantrópica;
- Incentivar a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico sobre o câncer
e a publicação de seus resultados;
- Instituir campanhas de esclarecimento à comunidade, visando
prevenir e diagnosticar precocemente o câncer;
- Realizar cursos especializados sobre o câncer, destinados a médicos,
estudantes de medicina, pessoal técnico e outros profissionais da
área de saúde, bem como palestras e conferências, quando
solicitadas por estabelecimentos de ensino de qualquer nível ou por
grupos de pessoas interessadas no assunto;
- Manter convênios com faculdades e instituições de ensino e de
saúde, visando o aprimoramento e a qualificação dos profissionais
que atuam no combate ao câncer;
O Hospital Erasto Gaertner possui na sua atualidade 158 leitos para
internamento de pacientes, 15 leitos na unidade de terapia intensiva, 6 salas de
cirurgia, setor de radioterapia, tomografia, raio-X, banco de sangue, análises
clínicas, serviço ambulatorial e demais setores para auxílio no tratamento ao câncer.
Dos setores descritos acima, pode-se citar uma variedade de
equipamentos que são indispensáveis ao tratamento de câncer e, graças ao avanço
da tecnologia, permitem a cura dos pacientes com maior precisão e rapidez,
56
evitando a proliferação da doença e o tratamento incorreto em partes sadias do
corpo. São eles os equipamentos de maior importância ao hospital:
- Três aceleradores lineares que fazem o tratamento de radioterapia
nos paciente, onde é utilizado a emissão de um feixe de elétrons que
destroem as células doentes do corpo humano. Estes equipamentos
têm grande parcela no consumo de energia elétrica do hospital;
- Equipamento Cobalto que tem a mesma função que os aceleradores
lineares, porém o tratamento é feito a partir da exposição de uma
pastilha radioativa de cobalto direcionada às células doentes do
paciente;
- Dois tomógrafos computadorizados que permitem a localização exata
do tumor no paciente. São equipamentos que também são
responsáveis por uma grande parte do consumo de energia elétrica
no hospital;
- Dois equipamentos de raio-x de grande porte que também são
utilizados para localização das patologias no paciente;
- Dois equipamentos de mamografia e um ecógrafo;
- Duas autoclaves que consomem cerca de 50 kW, que são utilizadas
para a esterilização de materiais utilizados em cirurgias, além de
utilizarem vapor gerado pelas caldeiras;
- Doze equipamentos de cautério que substituem os antigos bisturis
manuais que são utilizados na grande maioria das cirurgias do
hospital;
- Existem também diversos equipamentos que auxiliam o tratamento
fisioterápico, como microondas, tenses, ondas curtas, ultra-som,
laser, infravermelho e outros;
57
- Possui ainda equipamentos específicos para coleta de sangue,
revelação de filme dos tomógrafos, monitores cardíacos,
desfibriladores, equipamentos de análises clínicas, análises
patológicas entre outros;
- Rede de ar comprimido medicinal, alimentada por três compressores
de ar com 10 CV cada, sendo um reserva.
- Rede de vácuo com duas bombas, sendo uma reserva da outra. São
duas bombas de 7,5 CV, a 3450 rpm, que funcionam alternadas
quinzenalmente.
3.2 DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
O fornecimento de energia elétrica do Hospital Erasto Gaertner é realizado
em 13,8 kV, sendo seu sistema tarifário convencional9, com contrato de demanda de
280 kW. A cabine de medição possui um sistema de proteção com um disjuntor de
média tensão PVO, e rele eletrônico 50/51 e 50/51N e ainda um sistema de
intertravamento mecânico Kirk. Na seqüência da cabine de medição existe um
ramal aéreo que alimenta duas subestações, sendo uma delas composta por dois
transformadores de 225 kVA e um transformador de 112,5 kVA e a outra cabine por
um transformador a seco de 500 kVA.
A distribuição é realizada através de cinco quadros gerais de baixa tensão
(QGBT), sendo dois deles ligados aos barramentos principais, onde está interligado
o grupo motor-gerador. A partir desses QGBT’s a energia elétrica é distribuída para
outros 58 quadros de distribuição (QD) e daí então fornecida às cargas.
9 Modalidade tarifária estruturada para aplicação de um preço único de demanda de potência de
consumo de energia elétrica
58
A geração de energia elétrica de emergência do hospital é feita por um
grupo motor-gerador a diesel de 350 kVA, que fornece energia para cerca de 70%
do hospital. O equipamento possui entrada automática a partir do primeiro sinal de
falta de energia elétrica da concessionária, ligado diretamente a dois barramentos
principais. A transferência de carga é feita em dois estágios para menor queda de
potência do motor, possuindo diversos sistemas de proteção, como reles de
freqüência, sobretensão, subtensão, intertravamento mecânico e elétrico, controle de
velocidade e temperatura do motor, e duas seccionadoras com fusível NH.
Devido à ampliação física sendo realizada atualmente no hospital, está em
estudo a possibilidade de alteração do contrato de fornecimento de energia com a
concessionária, pois existem grandes expectativas do aumento relativo da demanda
de energia elétrica. Como as últimas medições de demanda já estão próximas de
300kW, o hospital será obrigado a fazer um contrato com tarifas horosazonais10 ,
sendo provável a aplicação da tarifa horosazonal verde 11 , pois não existe a
possibilidade de ter uma redução de demanda no horário de ponta, sendo inviável a
aplicação da tarifa horosazonal azul 12.
10 Sistema de tarifação que leva em conta o horário diário (ponta e fora de ponta) e os períodos do ano (seco e úmido).
11 Tarifa Verde aplica-se a consumidores com capacidade de modulação do processo produtivo. Para o calculo de tarifa, deve-se levar em consideração a demanda e o consumo na ponta e fora de ponta.
12 Tarifa Azul aplica-se às unidades consumidoras que possuem processo produtivo contínuo. Para o cálculo de tarifa, deve-se levar em consideração a demanda na ponta e fora de ponta, como também o consumo na ponta e fora de ponta.
59
3.3 SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA
O sistema de aquecimento de água de todo o hospital, durante o período
das 7:00 às 19:00h, é realizado através de duas caldeiras que aquecem a água a
partir da queima de óleo xisto, gerando vapor, onde é diretamente injetado em um
boiler 13 que faz a troca de calor e alimenta o hospital com a água em torno de 70oC.
No período das 19:00 às 7:00h as caldeiras são desligadas e o aquecimento é
realizado através de dois aquecedores de indução magnética que suprem a
necessidade de aquecimento durante o período da noite.
A água aquecida é utilizada nos chuveiros e nas torneiras de todos os
leitos e nas demais dependências do hospital.
FIGURA 4 – CALDEIRA A ÓLEO XISTO
FONTE: FOTO RETIRADA EM 22/02/2004, CALDEIRARIA
13 Reservatório utilizado para a troca de calor.
60
3.4 SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO
O sistema de climatização é individual, sendo a maior parte realizado por
aparelhos de janela e o restante com split’s, self’s14 e um chiller15 que tem a função
de refrigerar um dos aceleradores lineares.
3.5 SISTEMA DE INFORMÁTICA
O sistema de informática do hospital é provido de 178 computadores
conectados em rede e mais 25 computadores independentes, rodando em ambiente
LINUX 16. A maior parte desses computadores está ligado a um NO-BREAK17.
3.6 OUTROS SETORES
O Hospital Erasto Gaertner possui ainda o Instituto de Bioengenharia
(IBEG) que é responsável pela fabricação de próteses convencionais, drenos,
instrumental cirúrgico e catéteres. Esses produtos são confeccionados com
equipamentos de grande consumo de energia elétrica, sendo: 3 esmeris, 1 fluxo
laminar, 1 torno CNC, 2 tornos revólver, 4 tornos convencionais, 1 eletropolimento, 1
polimento inox, 2 fresadoras, 2 furadeiras de bancada e 2 plainas.
14 Equipamentos de refrigeração compostos por uma unidade evaporadora e uma unidade condensadora.
15 Central de refrigeração de água.
16 Sistema operacional para computadores
17 Fonte de alimentação ininterrupta de energia elétrica. Seu principal objetivo é proteger sua carga (PCs, Servidores, Periféricos ou outros equipamentos eletrônicos) contra defeitos ou falhas no fornecimento da energia elétrica.
61
A marcenaria do hospital funciona com uma serra circular, uma lixadeira,
uma desempenadora, um esmeril, e uma serra fita durante todo o expediente
comercial.
3.7 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA E TÉRMICA
3.7.1 Levantamento de Cargas Elétricas
Os dados obtidos no Hospital Erasto Gaertner foram levantados a partir de
uma estimativa referente a cada setor, procurando chegar o mais próximo possível
da realidade. Em cada departamento foi realizado um levantamento desde
lâmpadas, equipamentos de uso geral, como computadores, ventiladores,
impressoras e equipamentos de uso específico para a área hospitalar. Para o
levantamento de consumo de energia, foi buscado com cada usuário, o tempo
específico de funcionamento de cada equipamento e o período de serviço em cada
setor entre outras informações relevantes. Segue abaixo a tabela de carga instalada
e consumo de energia nos setores do hospital.
SETOR CARGA INSTALADA (kW) ENERGIA MÉDIA CONSUMIDA(kWh) UTI 31,61 3.655,92
RAIO-X 5,16 810,23 TOMOGRAFIA 42,50 4.328,73
BANCO DE SANGUE 49,78 11.505,55 ALA A 7,37 2.540,70 ALA B 8,97 3.062,45 ALA C 7,07 1.524,48 ALA D 24,30 2.968,64
FISIOTERAPIA 11,31 1.564,97 CENTRO CIRÚRGICO 114,26 14.289,38
BIOENGENHARIA 69,33 4.083,93 ADMINISTRAÇÃO 37,78 4.629,33
RESIDENTES 1,52 247,98 DIRETORIA 22,48 2.194,18
FINANCEIRO 62,04 8.210,69 AMBULATÓRIO 67,07 8.437,95 ENGENHARIA 65,28 11.440,92
62
SETOR CARGA INSTALADA (kW) ENERGIA MÉDIA CONSUMIDA(kWh) RADIOTERAPIA 182,21 16.342,64
TOTAL 810,00 101.838,67
TABELA 3 – POTÊNCIA E ENERGIA CONSUMIDA POR SETOR FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
A tabela abaixo descreve a maior parte dos equipamentos elétricos
existentes dentro do hospital e suas respectivas potências e setores em que estão
instalados.
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
ITEM EQUIPAMENTOS POTÊNCIA (W) SETOR
HOSPITALARES 1 Aferese 600 B. SANG. 2 Agitador (Hemomix) 60 B. SANG. 3 Agitador de Plaquetas 600 B. SANG. 4 Anjotron 150 FISIO. 5 Aparelho de Eletrocardiograma 40 CC 6 Aspirador 200 AMBUL. 7 Autoclave 40000 ESTER. 8 Autoclave 9500 ESTER. 9 Axsym 2500 B. SANG. 10 Banho Maria 150 BS/AC 11 Bomba Infusora 60 CC/UTI 12 Capinógrafo 45 CC 13 Carrinho de Anestesia 60 CC 14 Cautério 400 CC 15 Centrífuga 300 AMBUL. 16 Centrífuga (Sorvall) 4000 B. SANG. 17 Chiron Diagnostics 1000 ANA. CLIN. 18 Citoscópio 200 AMBUL. 19 Coagulador 70 CC 20 Criostato 1000 ANA. PATO. 21 Desfibrilador 10 CC 22 Ecógrafo 5000 TOMO. 23 FluxoLâminar 1200 AMBUL. 24 Fonte de Luz para Endoscopia 200 AMBUL. 25 Hemograma (Celldyn) 1000 B. SANG. 26 Histotécnico 900 ANA. PATO. 27 Infravermelho 300 FISIO. 28 Laser 150 FISIO. 29 Mamógrafo 7600 TOMO. 30 Microondas 300 FISIO.
63
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
ITEM EQUIPAMENTOS POTÊNCIA (W) SETOR
HOSPITALARES 31 Microscópio (Lâmp. Halógena) 50 AMBUL. 32 Miniswift 1600 B. SANG. 33 Monitor Cardíaco 60 CC/UTI 34 Monitor de Sinais Vitais 40 CC/UTI 35 Negatoscópio (Lâmp. Fluorescente) 60 HOSP. 36 Ondas Curtas 600 FISIO. 37 Oxímetro 25 CC/UTI 38 Plaquetamix 120 B. SANG. 39 Processadora 5000 ESTER. 40 Raio X Tochiba / Philips 17000 RAIO X 41 Rececção 200 AMBUL. 42 Respiradores 180 CC/UTI 43 Reveladora 1200 TOMO. 44 Seladora 280 ESTER. 45 Tenses 150 FISIO. 46 Theracool 200 FISIO. 47 Tomógrafo 3500 TOMO. 48 Ultrassom 150 FISIO.
GERAL 1 Amplificador 220 TELEF. 2 Aquecedor Elétrico 2000 AMBUL. 3 Bebedouro 160 HOSP. 4 Buffet 5000 COZINHA 5 Computador 500 HOSP. 6 Duplicadora Digital 1000 GRÁFICA 7 Esteira Hergométrica 700 FISIO. 8 Estufa 4400 ESTER. 9 Forno Elétrico 5000 COZINHA 10 Freezer 300 AMBUL. 11 Frigobar 150 HOSP. 12 Geladeira 250 ALAS 13 Máquina de Costura 184 RFCC 14 Máquina de Lavar Louças 5000 COZINHA 15 Máquina de Xerox 1000 RFCC 16 Microondas 150 ALAS 17 NoBreak 9900 CPD 18 PABX 450 TELEF. 19 Televisão 88 HOSP. 20 Torneira Elétrica 4400 AMBUL. 21 Video 20 HOSP.
AR CONDICIONADO 1 Janela 6161 HOSP. 2 Janela 8802 HOSP. 3 Self a Ar 10562 HOSP.
64
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
ITEM EQUIPAMENTOS POTÊNCIA (W) SETOR
MECÂNICA 1 Eletropolimento 1150 BIOENG. 2 Esmeril 736 BIOENG. 3 Fluxo Lâminar 184 BIOENG. 4 Frezadora 2500 BIOENG. 5 Furadeira de Bancada 552 BIOENG. 6 Motor 184 BIOENG. 7 Plaina 1500 BIOENG. 8 Polimento Inox 800 BIOENG. 9 Torno CNC 13000 BIOENG. 10 Torno Convencional 4500 BIOENG. 11 Torno Revólver 3000 BIOENG. 12 Compressor da Câmara Fria 2208 COZINHA 13 Compressor 7500 GERADOR 14 Bomba de Água Fria 1472 CALDEIRA 15 Bomba da Caldeira 1472 CALDEIRA
ILUMINAÇÃO 1 Lâmpada Auxiliar 65 CC 2 Lâmpada de Teto Cirúrgica 300 CC 3 Lâmpada Dicróica 50 ADM. 4 Lâmpada Fluorescente 40 HOSP. 5 Lâmpada Fluorescente 20 HOSP. 6 Lâmpada Incandescente 60 HOSP. 7 Reator Eletromagnético 15 HOSP. 8 Reator Eletrônico 5 HOSP. 9 Lâmpada Fluorescente Compacta 36 B. SANGUE 10 Lâmpada Mista 245 MANUT.
TABELA 4 – LISTA DE EQUIPAMENTOS FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
3.7.2 Levantamento de Consumos e Custos da Energia Elétrica
Na tabela 5 é mostrado o consumo de energia elétrica a partir das faturas
(COPEL). Estes dados serão utilizados para a composição das tabelas que contêm
os custos dos insumos utilizados atualmente, comparando com os gastos da célula.
65
MÊS CONSUMO(kWh) DEMANDA(kW) TARIFA
CONSUMO (R$/MWh)
TARIFA DEMANDA (R$/MWh)
FP VALOR PAGO (R$)
mai/01 84960 280 115,88 7910 0,94 12059,02 jun/01 98280 245 115,88 7910 0,94 13325,81 jul/01 87480 256 131,92 9000 0,94 13844,36
ago/01 89640 241 135,93 9280 0,95 14421,54 set/01 86760 245 135,93 9280 0,95 14067,17 out/01 86040 234 135,93 9280 0,94 14294,10
nov/01 86760 263 135,93 9280 0,94 15467,35
dez/01 99360 241 135,93 9280 0,94 17175,93 jan/02 100440 248 135,93 9280 0,96 17572,69 fev/02 103680 256 139,65 9534 0,95 18226,14 mar/02 97920 277 139,65 9534 0,95 17820,85 abr/02 104040 284 139,65 9534 0,91 17871,56 mai/02 111600 284 139,65 9534 0,91 19087,94 jun/02 113400 263 139,65 9534 0,93 19267,91 jul/02 116280 284 151,89 10356 0,93 21468,42
ago/02 103320 277 154,95 10575 0,94 19778,18 set/02 120240 292 154,95 10575 0,93 22659,10 out/02 110520 310 154,95 10575 0,93 21901,88 nov/02 124278 284 154,95 10575 0,93 23231,76 dez/02 112748 299 154,95 10575 0,93 21513,68 jan/03 118123 313 154,95 10575 0,93 23234,58 fev/03 126772 319 154,95 10575 0,93 24837,70 mar/03 111972 317 154,95 10575 0,94 22365,30 abr/03 108124 298 154,95 10575 0,94 20755,47 mai/03 93197 267 154,95 10575 0,95 18135,49 jun/03 105801 262 154,95 10575 0,95 20549,71 jul/03 96163 266 154,95 10575 0,96 19109,22
TABELA 5 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
66
Segue a seguir os gráficos elaborados a partir da tabela 5.
0
50
100
150
200
250
300
350
(kW
)
ago/01
set/01
out/0
1nov
/01dez
/01jan
/02 fev/02
mar/02
abr/02
mai/02
jun/02 jul/
02ago
/02set
/02out
/02no
v/02
dez/0
2jan
/03 fev/03
mar/03
abr/0
3mai/0
3jun
/03 jul/03
Mês
GRÁFICO 4 – DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
(kW
h)
ago/01
set/0
1ou
t/01no
v/01
dez/0
1jan
/02fev
/02mar/0
2ab
r/02
mai/02
jun/02 jul
/02
ago/0
2se
t/02
out/02
nov/0
2de
z/02
jan/03
fev/03
mar/03
abr/03
mai/03
jun/03
jul/03
Mês
GRÁFICO 5 – CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
67
0
5000
10000
15000
20000
25000
(R$)
ago/0
1set
/01out
/01no
v/01
dez/01 jan
/02fev
/02mar/
02ab
r/02
mai/02
jun/02 jul/
02ag
o/02
set/02
out/0
2nov
/02dez
/02 jan/03
fev/03
mar/03
abr/0
3mai/0
3jun
/03 jul/03
Mês
GRÁFICO 6 – CUSTOS DE ENERGIA ELÉTRICA FONTE HOSPITAL ERASTO GAERTNER
3.7.3 Levantamento de Consumos e Custos da Energia Térmica
Na tabela 6 é mostrado o consumo de água quente a partir das faturas
(SANEPAR). Estes dados serão utilizados para a composição das tabelas que
contêm os custos dos insumos utilizados atualmente, comparando com os gastos da
célula.
MÊS CONSUMO (m3) VALOR PAGO(R$) jan/01 2267 4217,35 fev/01 2692 5102,28 mar/01 2601 4930,29 abr/01 2662 5045,58 mai/01 2625 4975,65 jun/01 2818 5342,39 jul/01 2929 5651,70
ago/01 3354 6460,31 set/01 2774 5257,26 out/01 3835 5850,72 nov/01 3188 6838,72 dez/01 2876 6171,04 jan/02 2744 5888,56 fev/02 3313 7670,63 mar/02 2464 5709,44
68
MÊS CONSUMO (m3) VALOR PAGO(R$) abr/02 2554 5919,31 mai/02 2721 6417,30 jun/02 2786 6453,26 jul/02 2684 6217,64
ago/02 2634 6102,14 set/02 2892 6698,12 out/02 2867 6640,37 nov/02 2961 6857,51 dez/02 2432 6099,31 jan/03 2671 6652,50 fev/03 2485 6265,12 mar/03 2558 6431,22 abr/03 2467 6167,50 mai/03 2551 6377,50 jun/03 2397 5494,95
TABELA 6 – CONSUMO DE ÁGUA QUENTE FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
A seguir, seguem os gráficos elaborados a partir da tabela 6.
0
1000
2000
3000
(m3)
jan/01
fev/01
mar/01
abr/01
mai/01
jun/01 jul/
01ag
o/01
set/01
out/01
nov/0
1dez
/01jan
/02fev
/02mar/0
2ab
r/02mai/0
2jun
/02 jul/02
ago/02
set/02
out/02
nov/02
dez/0
2jan
/03fev
/03mar/0
3ab
r/03mai/0
3jun
/03
Mês
GRÁFICO 7 – CONSUMO DE ÁGUA QUENTE FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
69
0,00
2500,00
5000,00
7500,00
10000,00
(R$)
jan/01
fev/01
mar/01
abr/01
mai/01
jun/01 jul/0
1ago
/01set
/01out
/01no
v/01
dez/01 jan
/02fev
/02
mar/02
abr/0
2mai/0
2jun
/02 jul/02
ago/0
2set
/02ou
t/02
nov/0
2dez
/02 jan/03
Mês
GRÁFICO 8 – CUSTO DE ÁGUA QUENTE FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
Na tabela 7 é mostrado o consumo de óleo xisto a partir das faturas
(PETROBRÁS). Estes dados serão utilizados para a composição das tabelas que
contêm os custos dos insumos utilizados atualmente, comparando com os gastos da
célula.
MÊS CONSUMO (kg) VALOR UNITÁRIO (R$) VALOR PAGO (R$) jan/01 12840 0,46 5885,85 mar/01 13490 0,46 6183,81 abr/01 13120 0,46 6014,20 jun/01 14230 0,44 6261,20 jul/01 13990 0,44 6155,60
ago/01 13030 0,48 6208,79 out/01 12940 0,50 6519,17 Nov/01 13640 0,50 6871,83 Jan/02 13070 0,51 6664,39 Fev/02 13250 0,48 6416,97 Abr/02 13560 0,54 7373,92 jun/02 13550 0,61 8287,18 jul/02 12860 0,65 8416,87 Set/02 8970 0,77 6908,69 out/02 7400 0,84 6253,00 Nov/02 13790 0,94 12936,39 Dez/02 12820 0,91 11620,04
70
MÊS CONSUMO (kg) VALOR UNITÁRIO (R$) VALOR PAGO (R$) Fev/03 13220 1,04 13813,57 Mar/03 13290 1,09 14494,07 Abr/03 12170 0,89 10800,87 jun/03 12680 0,89 11254,80
TABELA 7 – CONSUMO DE ÓLEO XISTO PELAS CALDEIRAS FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
Segue a seguir os gráficos elaborados a partir da tabela 7.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
(kg)
18/1/0
12/3
/01
24/4/
011/6
/01
16/7/0
127/
8/01
4/10/0
1
19/11
/018/1
/02
25/2/0
2
16/4/
027/6
/02
26/7/0
29/9
/02
1/10/0
2
6/11/0
2
17/12/
02 6/2/03
10/4/
03
26/5/
03
26/6/0
3
Mês
GRÁFICO 9 – CONSUMO DE ÓLEO XISTO FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
(R$)
18/1/0
12/3
/01
24/4/0
11/6
/01
16/7/0
127
/8/01
4/10/0
1
19/11
/018/1
/0225
/2/02
16/4/0
27/6
/0226
/7/02
9/9/02
1/10/0
26/1
1/02
17/12/
026/2
/03
10/4/0
326
/5/03
26/6/0
3
Mês
GRÁFICO 10 – CUSTO DE ÓLEO DE XISTO FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
71
Todos os dados levantados nas tabelas e gráficos anteriores deste capitulo
serão utilizados para a realização dos cálculos relativos aos custos de energia
elétrica e térmica do hospital, para que sejam possíveis as comparações dos gastos
das energias elétrica e térmica com a célula a combustível.
3.8 MATRIZ ENERGÉTICA ATUAL DO HOSPITAL
A matriz enérgica tem como objetivo realizar comparações entre os
cenários atual e futuro das fontes de energia utilizadas por um consumidor; no caso
do hospital, a relação dos insumos utilizados antes da instalação da célula e depois
da instalação.
As conversões realizadas têm como objetivo chegar a uma unidade padrão
que facilite a constituição de uma matriz energética relativamente aceitável e
compatível às necessidades atuais de consumo do hospital.
Conforme descreve o Ministério das Minas e Energia (2003), as relações
de transformação das unidades obtidas estão relacionadas abaixo:
- Consumo de Energia Elétrica
1kWh – 3,6.106 J
1tep18 – 45,22.109 J
- Consumo de Óleo de Xisto
1000kg – 1tep
- Consumo de Óleo Diesel
1m3 - 0,848 tep – 38,35 GJ – 10,65 MWh
A tabela 03 contém os valores relativos ao consumo de energia elétrica do
hospital, referenciado aos valores de tonelada equivalente de petróleo (tep) e aos
18 Tep - tonelada equivalente de petróleo
72
valores em gigajoule (GJ), no intervalo de maio de 2001 a julho de 2003, para a
construção do gráfico que representa a matriz energética atual do hospital.
Mês / Ano Valor em kWh Valor em tep Valor em GJ Maio / 2001 84960 6,76 305,86
Junho / 2001 98280 7,82 353,81 Julho / 2001 87480 6,96 314,93
Agosto / 2001 89640 7,13 322,70 Setembro / 2001 86760 6,91 312,34 Outubro / 2001 86040 6,85 309,74
Novembro / 2001 86760 6,91 312,34 Dezembro / 2001 99360 7,91 357,70
Janeiro / 2002 100440 7,99 361,60 Fevereiro / 2002 103680 8,25 373,25
Março / 2002 97920 7,79 352,51 Abril / 2002 104040 8,28 374,54 Maio / 2002 111600 8,88 401,76
Junho / 2002 113400 9,03 408,24 Julho / 2002 116280 9,25 418,61
Agosto / 2002 103320 8,22 371,95 Setembro / 2002 120240 9,57 432,86 Outubro / 2002 110520 8,79 397,87
Novembro / 2002 124278 9,89 447,40 Dezembro / 2002 112748 8,97 405,89
Janeiro / 2003 118123 9,40 425,24 Fevereiro / 2003 126772 10,10 456,38
Março / 2003 111972 8,91 403,10 Abril / 2003 108124 8,61 389,25 Maio / 2003 93197 7,42 335,51
Junho / 2003 105801 8,42 380,88 Julho / 2003 96163 7,65 346,20
Média 103625,85 8,247 373,1
TABELA 8 – CONVERSÃO DA ENERGIA ELÉTRICA EM UNIDADES PADRÃO FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
A tabela 9 contém os valores relativos ao consumo de óleo xisto em
quilograma (kg) no hospital, referenciados aos valores de tonelada equivalente de
petróleo (tep), no intervalo de janeiro de 2001 a junho de 2003, para a construção do
gráfico que representa a matriz energética atual do hospital.
73
MÊS / ANO VALOR EM kg VALOR EM tep
Janeiro / 2001 12840,00 12,84 Março / 2001 13490,00 13,50 Abril / 2001 13120,00 13,12
Junho / 2001 14230,00 14,20 Julho / 2001 13990,00 13,99
Agosto / 2001 13030,00 13,03 Outubro / 2001 12940,00 12,90
Novembro / 2001 13640,00 13,60 Janeiro / 2002 13070,00 13,10
Fevereiro / 2002 13250,00 13,30 Abril / 2002 13560,00 13,60
Junho / 2002 13550,00 13,60 Julho / 2002 12860,00 12,86
Setembro / 2002 8970,00 8,97 Outubro / 2002 7400,00 7,40
Novembro / 2002 13790,00 13,80 Dezembro / 2002 12820,00 12,82 Fevereiro / 2003 13220,00 13,20
Abril / 2003 13290,00 13,30 Maio / 2003 12170,00 12,20 Junho / 2003 12680,00 12,70
Média 12757,62 12,76
TABELA 9 - CONVERSÃO DE ÓLEO DE XISTO EM UNIDADES PADRÃO FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
Para o levantamento de óleo diesel, constatou-se que há um consumo
médio mensal de aproximadamente 100 l. A tabela 10 mostra a conversão de litros
(l) para tonelada equivalente petróleo (tep), para GJ e para MWh:
Valor em l Valor em m3 Valor em tep Valor em GJ Valor em MWh 100 0,1 0,0848 3,835 1,065
TABELA 10 - CONVERSÃO DE ÓLEO DIESEL EM UNIDADES PADRÃO FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
Com a transformação dos valores consumidos dos energéticos em uma
unidade padrão (tep), a matriz energética do hospital foi esboçada conforme o
Gráfico 11.
74
39,10%
0,40%
60,50%
Energia Elétrica Óleo Diesel Óleo de Xisto
GRÁFICO 11 - MATRIZ ENERGÉTICA FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
3.9 CÉLULA A COMBUSTÍVEL A SER INSTALADA
3.9.1 Descrição Técnica
Foram adquiridas pela concessionária local (COPEL) três células a
combustível fabricadas pela IFC – International Fuel Cells, empresa do grupo UTC –
United Technologies Company. O modelo adquirido foi a PC 25C, que gera 200 kW
de eletricidade e mais 200 kW de calor aproveitável utilizando sua capacidade de co-
geração.
Com o interesse da COPEL em se aprofundar na tecnologia de células a
combustível ainda pouco conhecida no cenário nacional, mas com uma grande
perspectiva de competitividade iminente e também se considerando o potencial
75
técnico co-gerado pela célula, foi elaborado um projeto de pesquisa em parceria
entre a concessionária e o LACTEC visando um acompanhamento do desempenho
operacional da célula, pesquisas de aproveitamento do seu potencial de co-geração
e manutenções requeridas pelo desgaste da mesma.
FIGURA 5 - PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DA CÉLULA
FONTE: CÉLULA A COMBUSTÍVEL INSTALADA NO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
De acordo com Paranhos (2002), as células foram instaladas em três
situações distintas dentro do sistema de distribuição urbana de Curitiba, capital do
estado do Paraná. Uma delas, em operação desde o dia 20 de agosto de 2001, foi
conectada em paralelo com a rede de distribuição de 13,8 kV, no ramal que supre os
edifícios da sede da COPEL, podendo alimentar exclusivamente e
independentemente o centro de processamento de dados (CPD) da empresa. Esta
unidade utiliza somente uma parte de sua capacidade de co-geração para o
aquecimento de água do restaurante. A segunda foi instalada junto aos laboratórios
do LACTEC, interligada em paralelo com a concessionária, tendo entrado em
operação no mês de março de 2002. O processo de instalação da terceira célula
76
deu-se início no dia 28 de julho de 2003, no Hospital Erasto Gaertner, sendo esta
objeto de estudo neste trabalho. A célula em questão estará sendo aproveitada em
sua totalidade gerando energia elétrica e térmica, logo se verificará como se
comporta a célula a combustível na instalação referente ao hospital, sendo esta
aplicação a mais adequada aos requisitos de co-geração da mesma, isto é, entre as
três células, a do hospital apresentará maior rendimento.
FIGURA 6 - CÉLULA INSTALADA NA SEDE DA COPEL
FONTE: FOTO RETIRADA EM 05/11/2003, COPEL km 3
Conforme Paranhos (2002), o custo de compra de cada célula foi de US$
862.000,00, e as despesas de importação tais como seguro, frete, despesas
aduaneiras totalizaram R$ 224.600,00 para as três células. Devido à finalidade deste
investimento ser um projeto de pesquisa, os impostos federais (II e IPI) e estadual
(ICMS) foram dispensados.
77
3.9.2 Modos de Operação da Célula
De acordo com Paranhos (2002), existem dois modos distintos de
operação da célula em questão, sendo eles:
- Com a célula conectada à rede ("grid conected");
- Com a célula independente da rede ("grid independent");
No modo de operação conectada à rede, a célula utiliza seus dois circuitos
de saída, alimentando uma carga exclusiva e enviando o excedente de energia à
rede. Em caso de falha na rede, a célula poderá reconfigurar-se por operação
independente ou ficar a vazio. Estas opções são configuradas no sistema de
controle da célula, podendo ser alterado conforme necessidade. Com estas
configurações, evita-se que a célula alimente trechos isolados da rede, colocando
em risco o pessoal de manutenção que possa estar averiguando o ramal onde a
célula esteja conectada.
A energia é gerada estaticamente, ou seja, não há máquina girante que
corra o risco de ter o seu eixo quebrado durante o processo de paralelismo ou
durante oscilações de freqüência da rede, sendo uma característica positiva em
comparação com os geradores a diesel operando em paralelo com a rede.
FIGURA 7 – CIRCUITOS DE SAÍDA GRID CONECTED E GRID INDEPENDENT
FONTE: CÉLULA A COMBUSTÍVEL INSTALADA NO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
78
A figura 8 representa um diagrama esquemático das conexões elétricas da
célula instalada na sede da COPEL. O disjuntor MCB2 alimenta a carga exclusiva à
célula e o disjuntor MCB1 é o responsável pelo envio excedente à rede.
79
FIGURA 8 - DIAGRAMA DE CONEXÕES DA CÉLULA NA SEDE DA COPEL
FONTE: PARANHOS (2002)
80
3.9.3 Sistema de Controle da Célula
Conforme Paranhos, o sistema de controle da célula é totalmente
computadorizado, dispondo de duas linhas telefônicas, sendo uma para acesso ao
sistema de controle e a outra para a comunicação por voz. O acesso é efetuado de
forma semelhante a um provedor de Internet, dispondo de um programa específico
de controle instalado em qualquer computador pertencente à rede. Cada usuário
possui uma senha que lhe permite o acesso às células a combustível com números
de série autorizados para esse usuário. As células são monitoradas via satélite,
tendo o fabricante acesso a todas as células instaladas no mundo. Durante um ano,
período de garantia da célula, o fabricante supervisiona diariamente o desempenho
da célula, acessando os dados do histórico de eventos gerado internamente pelo
sistema de controle.
A monitoração e controle da célula instalada no hospital será realizada da
mesma forma descrita anteriormente; ela estará sendo controlada diariamente pelo
fabricante, no caso a UTC, e também monitorada pelo LACTEC.
81
FIGURA 9 – SISTEMA DE CONTROLE DA CÉLULA
FONTE: CÉLULA A COMBUSTÍVEL INSTALADA NO HOSPITAL ERASTO GAERTNER
3.9.4 Utilização do Nitrogênio
O nitrogênio não é usado em condições normais de operação, mas na
partida da célula e quando existir a ocorrência de desligamentos. Sua finalidade é
expulsar os resíduos de gás e ar, diminuindo consideravelmente os elementos ativos
internos da célula para evitar sua deterioração por reações químicas secundárias
indesejáveis. De acordo com Paranhos (2002), em cada religamento (ou na partida
inicial) é usada uma das baterias composta por quatro cilindros de 10,44kg de
nitrogênio, ficando a outra como reserva até a reposição da carga da primeira. Deve
haver sempre pressão suficiente no tubo de entrada de nitrogênio na célula, senão o
sistema de controle não permite que a célula funcione.
O grau de pureza do nitrogênio utilizado é de 0,99996%, mas se estuda a
possibilidade de utilização do nitrogênio com grau de pureza comercial que
necessita da instalação de filtros para retenção de impurezas. Este medida é devido
82
a grande diferença de custo entre os dois produtos em questão.
3.9.5 Manutenção da Célula
De acordo com Paranhos (2002), são recomendados dois procedimentos
de manutenção:
- a cada 2000h aproximadamente (trimestral), basicamente limpeza e
lubrificação;
- a cada 8000h aproximadamente (anual), limpeza, lubrificação e
substituição de filtros.
3.9.6 Sistema de proteção da célula
De acordo com o LACTEC (2003):
- Pára-raios protegem o equipamento contra descargas atmosféricas.
- O disjuntor que liga/desliga a célula à rede da concessionária tem
proteção para faltas por ser termomagnético, com trip para faltas por
sobrecarga.
- A chave inversora é automaticamente sincronizada com a rede
quando opera em paralelo com a concessionária.
- Como a velocidade da chave inversora é maior que a freqüência
fundamental da rede, e devido a que a operação da chave IGBT
(Integrated Gate Bipolar Transistor) é tão rápida, a ação de controle
em eventos de condições anormais ocorre muito rapidamente frações
de milisegundo a poucos ciclos. Diferente das máquinas rotativas, o
sistema de condicionamento de potência não tem inercia e o fluxo de
corrente para quase imediatamente após uma ação de controle
83
concentrada somente por armazenamento na saída magnética.
Algumas funções de proteção incorporam temporizações que
modificam estas características inerentes.
- No modo grid connected, as características de saída são mostradas
na tabela 12. Pode operar na faixa de 10 a 200 kW, e regular a
potência reativa. Este modo não apresenta capacidade de operação
em sobrecarga, limitando a corrente de falta em 110 % do valor
ajustado. Esta limitação da corrente de falta é desejável no modo
grid connected para que a capacidade de interrupção do disjuntor da
concessionária e barramento não seja afetada pela presença da
célula.
- A faixa de ajuste para potência reativa corresponde a um FP 0,85
adiantado ou atrasado. A faixa de variação da tensão é de ± 5 % da
tensão nominal.
- Sobrecarga transiente: Nehuma.
- Desvio da tensão nominal da concessionária: + 10 % ~ -20 %. Para
esta faixa há redução automática da potência de saída para 85 % da
ajustada. Na potência nominal, a célula admite operar com variação
de 5%. Entre ± 5 % e os limites citados acima, o ajuste para 85% é
linear.
- Desbalanceamento de tensões da rede (fase-fase): 5%. Opera para a
potência ajustada com desbalanço maior a 2%. Com desbalanço
entre 2 e 5 % a potência é automaticamente reduzida. Acima de 5% a
célula desliga.
- A tolerância no valor da freqüência é de ± 3%. Fora desta faixa, a
célula desliga.
84
- A distorção harmônica total que a célula gera, com potência nominal,
é inferior a 3%, sendo que nenhuma componente individual deverá
exceder 1%. Esta especificação é baseada numa impedância indutiva
≤ 4% com resistência paralela de 56 %.
- Para variações amplas de tensão, freqüência e desbalanço de
tensões, a célula reduz sua potência de saída, evitando assim
desligamentos incômodos.
3.9.6.1 Níveis de Proteção da Célula
De acordo com o LACTEC (2003):
A proteção da Célula possui vários níveis:
1) Funções implementadas em programa de controle de estado sólido;
2) Funções implementadas em hardware de controle;
3) Fusíveis no inversor;
4) Disjuntor motorizado que opera a partir do controlador ou sobrecarga
termomagnética, ou mecanismo interno de trip por subtensão.
5) A impedância de saída que limita a corrente de falta em
aproximadamente 10 pu. (Z =10% ==> 0,1 pu => Ifalta = V / Z = 1 pu
(V)/ 0,1 pu (Ω)=> 10 pu).
6) Pára-raios na saída AC.
Obs.: Existe uma proteção independente – o “Watchdog timer” – destinada
a proteger a célula contra falha no computador de controle, desligando-a.
3.9.6.2 Respostas da Célula para Condições Anormais da Rede
O modo consiste na abertura das chaves transistorizadas do inversor. O
85
disjuntor motorizado permanece fechado neste modo, não fluindo corrente entre a
célula e a rede. O modo interrupt é limitado em aproximadamente 0,5 s. Se a
condição anormal não é clareada pela concessionária a célula desconecta abrindo o
disjuntor motorizado. Passa para o modo disconnect. Se a condição anormal da
concessionária é removida, o inversor imediatamente se restaura e continua gerando
para a rede.
Condições rede concessionária Ação de controle Função (ANSI)
Perda de fase da malha detetada por desbalanço da corrente AC > 75%
Interrupção tempo inverso. T infinito para 75 % e de um ciclo para 100%.
46
Perda de fase na rede detectada por demanda de potência ativa ou reativa não
satisteita Interrupção: 10 segundos após 37
Perda de sincronismo (presente na linha) Desconexão 78
Tensão da rede ± 5 % de Vn Limitação dos kVA de saida linearmente
para 85% do ajuste para as condições de tensão da rede de – 20 % ou + 10 %
90
Tensão da rede > 10% ou <20% da nominal. Interrupção tempo inverso: infinito até
+110% de Vn. Um ciclo (16,6 ms) para –80% de Vn
59 / 27
Desbalanceamento da tensão da rede > 5% para 100 ms
Interrupção 60
Freqüência > ± 3Hz da nominal, 0,5 s Interrupção 81
Sobrecorrente na rede, maior que a ajustada Interrupção tempo inverso: Infinito para
110% do ajuste decrescendo para 1 ciclo até 120 % da ajustada
51
Sobrecorrente > 160% da ajustada Interrupção instantânea 50
Corrente de saída instantânea do inversor (pico) > 700 A. (175% da ajustada...)
Interrupção 50
Trip de sobrecorrente do disjuntor termomagnético motorizado
Desconecta, permanecendo desconectada 51/52
> 3 interrupções em 15 segundos Desconecta, permanecendo desconectada 48
> 6 interrupções em 2 minutos Desconecta, permanecendo desconectada 48
TABELA 11 - FUNÇÕES DE PROTEÇÃO DE ENTRADA E SAÍDA DA CÉLULA NO MODO GRID CONNECT
FONTE: LACTEC
86
Condição Ação de controle Função (ANSI)
Sobrecorrente em unidade de potência do Inversor
Interrupção 50
Fusão de Elo do Inversor Shutdown 60
Corrente DC em AC Saída é controlada ativamente para
reduzir corrente DC para níveis aceitáveis
90
Sobretemperatura no Liquido refrigerante Shutdown 63
Erro de Seqüência Shutdown 48
Erro de Seqüência no disjuntor Shutdown 48
Perda de alimentação DC nos circuitos lógicos Shutdown 27 DC
Perda de alimentação AC da UPS Shutdown 27 AC
Falha execução na checagem do processador interno
Shutdown 48
Falha status na checagem do software interno Shutdown 48
Perda do clock do computador Shutdown 81
Perda da CPU (watchdog timer) Shutdown, intertravamento do disjuntor 8 / 86
TABELA 12 - FUNÇÕES DE PROTEÇÃO DO INVERSOR FONTE: LACTEC
3.9.7 Instalação da célula no HEG
A instalação da célula a combustível no Hospital Erasto Gaertner iniciou-se
efetivamente no dia 05 de agosto de 2003, depois de meses de espera até que o
contrato entre LACTEC e o HEG fosse determinado. A escolha do local de
instalação foi a primeira grande dificuldade, pois o equipamento necessitava de um
local próximo ao fornecimento de energia elétrica e térmica, porém com um pequeno
restritivo que seria o barulho gerado pelos radiadores que fazem a dissipação da
energia térmica não utilizada. Como a subestação fica ao lado das alas de
internamento de pacientes, foi optado por deixar o equipamento distante da mesma.
Outro grande problema foi em relação ao peso de 18 toneladas do equipamento,
87
restringindo a sua instalação em locais de difícil acesso de caminhões.
FIGURA 10 - CÉLULA E RADIADOR
FONTE: FOTO RETIRADA EM 20/07/2003, HOSPITAL ERASTO GAERTNER
A partir da escolha do local, deu-se início à construção da base de
concreto onde seriam acomodados a célula, os transformadores e o radiador. Em
seguida, foi realizada toda a infra-estrutura para a passagem dos cabos de
alimentação elétrica, telefone, água e entrada do gás natural. O local da instalação
fica situado cerca de 120m da subestação do hospital encarecendo assim o custo
dos cabos (3x2x240(240) mm2), mas não influindo substancialmente na parte
térmica.
A instalação do ramal de gás natural que alimentará a célula a combustível
foi realizada rapidamente, pois a entrada de gás natural para o hospital já se
encontrava instalada há algum tempo pela Companhia Paranaense de Gás -
COMPAGÁS.
A alimentação da célula para o hospital foi discutida minuciosamente, pois
88
como já visto anteriormente, a célula comporta duas saídas de alimentação, a "grid
independent" e "grid connect", onde na primeira opção a célula funciona como única
alimentação das cargas e já a segunda opção ela funciona em paralelo com a
concessionária. Foi optado em se montar um quadro de comando e força para as
duas opções. Portanto a célula sempre funcionara em paralelo com a
concessionária, para que seu rendimento seja sempre o máximo, e somente quando
houver uma falta da concessionária, a célula entrara em modo "grid independent". O
hospital optou por manter uma terceira opção de fonte de energia elétrica que seria
o grupo motor gerador, para os casos em que haja falta da concessionária e algum
defeito ou manutenção da célula a combustível. Porém estas opções de instalação
encareceram bastante a instalação, pois houve a necessidade de passar dois
circuitos alimentadores da célula e aumentar a complexidade do quadro de comando
e força.
89
FIGURA 11 - TRANSFORMADORES
FONTE: FOTO RETIRADA EM 08/10/2003, HOSPITAL ERASTO GAERTNER
FIGURA 12 – PLACA DE IDENTIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES
FONTE: FOTO RETIRADA EM 08/10/2003, HOSPITAL ERASTO GAERTNER
90
Já a energia térmica foi mais simples de ser implantada, pois a célula já
dispunha de duas saídas de água quente, onde uma é interligada ao radiador para
dissipação de calor e a outra saída para o sistema em que se necessita a energia
térmica. O projeto anterior baseava-se em manter as duas caldeiras a xisto do
hospital completamente desligadas, mantendo a água aquecida somente pela célula,
porém apareceram alguns problemas na discussão da instalação. Um destes
problemas foi de que o hospital necessitava de vapor utilizado na cozinha do
hospital e na auto-clave do centro cirúrgico, e a célula fornece água à 70oC, e o
outro problema era de que a água fornecida pela célula continha alguns produtos
químicos para tratamento, onde possivelmente seriam prejudiciais aos pacientes e a
todos os colaboradores do hospital.
FIGURA 13 – FLUXOGRAMA TÉRMICO DO HEG ANTES DA IMPLANTAÇÃO DA CÉLULA
FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
RESERVATÓRIO DE
ÓLEO XISTO
CALDEIRA (GERADOR DE VAPOR)
RESERVATÓRIO DE
ÁGUA
BOILER CALDEIRA
ÁGUA CONDENSADA
SANEPAR CONSUMO FINAL
VAPOR
ÁGUA 20ºC
ÓLEO DE XISTO
ÁGUA 40ºC
ÁGUA 30ºC RESÍDUO
COZINHA/ AUTO - CLAVE VAPOR
RESERVATÓRIO DE
ÓLEO XISTO
CALDEIRA (GERADOR DE VAPOR)
RESERVATÓRIO DE
ÁGUA
BOILER CALDEIRA
BOILER CALDEIRA
ÁGUA CONDENSADA
SANEPAR CONSUMO FINAL
VAPOR
ÁGUA 20ºC
ÓLEO DE XISTO
ÁGUA 40ºC
ÁGUA 30ºC RESÍDUO
COZINHA/ AUTO - CLAVE VAPOR
ÁGUA 70ºC
91
Portanto houve a necessidade de se instalar um boiler onde será feita a
troca de calor da água da Sanepar e então esta água entrará no boiler do hospital. O
desligamento completo das caldeiras não será possível, entretanto o consumo de
óleo xisto reduzir-se-á consideravelmente, pois no processo atual a caldeira
necessita aquecer a água de aproximadamente 20oC para 65oC (temperatura para
banho) e 100oC (vapor para cozinha e auto-clave), e agora, com a energia térmica
fornecida pela célula a combustível, a água sairá à 60oC do boiler da célula,
reduzindo o tempo de trabalho das caldeiras no aquecimento de água.
FIGURA 14 - FLUXOGRAMA TÉRMICO DO HEG APÓS A IMPLANTAÇÃO DA CÉLULA
FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
CONSUMO FINAL
ÁGUA 40ºC
RESERVATÓRIO DE
ÓLEO XISTO
CÉLULA COMBUSTÍVEL CALDEIRA
(GERADOR DE VAPOR)
RESERVATÓRIO DE
ÁGUA
BOILER CÉLULA
BOILER CALDEIRA
ÁGUA CONDENSADA
SANEPAR
VAPOR
ÁGUA 60ºC
ÁGUA 70ºC
ÁGUA 20ºC
ÁGUA 30ºC
ÓLEO DE XISTO
RADIADOR (Dissipador de calor)
ÁGUA 30ºC RESÍDUO
COZINHA/ AUTO - CLAVE VAPOR
CONSUMO FINAL
ÁGUA 40ºC
RESERVATÓRIO DE
ÓLEO XISTO
CÉLULA COMBUSTÍVEL CALDEIRA
(GERADOR DE VAPOR)
RESERVATÓRIO DE
ÁGUA
BOILER CÉLULA
BOILER CALDEIRA
ÁGUA CONDENSADA
SANEPAR
VAPOR
ÁGUA 60ºC
ÁGUA 70ºC
ÁGUA 20ºC
ÁGUA 30ºC
ÓLEO DE XISTO
RADIADOR (Dissipador de calor)
ÁGUA 30ºC RESÍDUO
COZINHA/ AUTO - CLAVE VAPOR
RESERVATÓRIO DE
ÓLEO XISTO
CÉLULA COMBUSTÍVEL CALDEIRA
(GERADOR DE VAPOR)
RESERVATÓRIO DE
ÁGUA
BOILER CÉLULA BOILER CÉLULA
BOILER CALDEIRA
BOILER CALDEIRA
ÁGUA CONDENSADA
SANEPAR
VAPOR
ÁGUA 60ºC
ÁGUA 70ºC
ÁGUA 20ºC
ÁGUA 30ºC
ÓLEO DE XISTO
RADIADOR (Dissipador de calor)
ÁGUA 30ºC RESÍDUO
COZINHA/ AUTO - CLAVE VAPOR
ÁGUA 70ºC
92
FIGURA 15 – DISSIPADORES DE CALOR
FONTE: FOTO RETIRADA EM 22/07/2003, HOSPITAL ERASTO GAERTNER
FIGURA 16 - CÉLULA, RADIADOR E ABRIGO DE NITROGÉNIO – VISTA 1
FONTE: FOTO RETIRADA EM 12/01/2004, HOSPITAL ERASTO GAERTNER
93
FIGURA 17 - CÉLULA E ABRIGO DE NITROGÉNIO – VISTA 2
FONTE: FOTO RETIRADA EM 12/01/2004, HOSPITAL ERASTO GAERTNER
3.10 ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA FINANCEIRA
3.10.1 Metodologia
O método de pesquisa do trabalho é o Estudo de Caso. Para Becker
(1993), este método tem duplo propósito, descrever e analisar uma “realidade”
específica e com ela entender uma “macro-realidade”. No caso, a descrição e
análise de instalação e funcionamento da célula a combustível do Hospital Erasto
Gaetner, além de mostrar aspectos específicos deste empreendimento, apontam
tendências da utilização deste equipamento no Brasil.
O Estudo de Caso para Goldemberg (1998) é uma das formas de pesquisa
qualitativa na qual é reunido o maior número de informações “com o objetivo de
apreender a totalidade de uma situação e descrever a complexidade de um caso
94
concreto”. Para Goldemberg, “o Estudo de Caso em um objeto delimitado, possibilita
a penetração na realidade contextual”, não conseguida pela análise estatística.
No estudo de viabilidade econômico-financeira, o método adotado é o de
Fluxo de Caixa. Para Clemente (1998) e Brito (2003), para a empresa, investimento
é um desembolso feito visando criar um fluxo de benefícios futuros, num período de
tempo denominado “horizonte de planejamento”. Estes benefícios são mensurados
em valores monetários, assim como os investimentos. A comparação entre
investimentos e benefícios no fluxo de caixa mostra as tendências de lucro ou
prejuízo de empreendimento.
Reforçando a metodologia de análise econômico-financeira são utilizados
mais dois métodos, a “Avaliação de Ativos Intangíveis” e a “Simulação de Cenários”.
Para Schmidt e Santos (2002), um ativo intangível é algo que atualmente não é
“precificável”, mas tem um grande potencial de “precificação” a médio e a longo
prazo. O conhecimento para estes autores é um dos ativos intangíveis mais
significativos.
A Simulação de Cenários, prova Campos (1998), baseia-se em diversos
contextos que estão contidos ou que contém os investimentos ou as tendências e
perspectivas futuras. Os cenários são fundamentais para formulação de estratégias.
Neste trabalho, o fluxo de caixa do caso é realizado em cenários
diferentes, bem como são avaliados alguns ativos intangíveis do mesmo.
Para efeito metodológico, o valor do dólar, em relação ao real, é cotado a
R$ 3,00 para US$ 1,00, cotação média prevista pelo Banco Central do Brasil para os
próximos dois anos, em Março de 2004.
95
3.10.2 Planilhas e Análise
Para a realização do cálculo do MWh19 gerado pela célula foram levantados
os custos da aquisição da célula a combustível, os custos da implantação, da mão-
de-obra, da manutenção e insumos para a operação do equipamento.
De acordo com o controle contábil do LACTEC (2004), os custos da célula
a combustível PC25 – IFC abrangendo o preço do equipamento, gastos com seguro,
frete e despesas aduaneiras, transporte ao local de instalação, materiais para
instalação em geral, mão-de-obra para instalação, operação e manutenção, foram
fornecidos pelo LACTEC, a partir do controle de custo interno, totalizando US$
971.369,14.
Já os valores estimados com a manutenção do equipamento foram obtidos
de uma média dos valores de manutenção das outras duas células que estão
instaladas na COPEL e no LACTEC. Em relação aos gastos com nitrogênio,
conforme Paranhos (2002), foi considerado no primeiro ano de funcionamento da
célula um desligamento por mês e o "start-up" 20 , e nos próximos anos foi
considerada uma partida a cada três meses, sendo que cada partida do
equipamento utiliza uma bateria de nitrogênio composta por quatro garrafas de
10,44kg a 0,99996% de pureza que custa US$ 160,00 cada garrafa.
O valor do gás natural utilizado como insumo no processo, foi obtido
através dos dados fornecidos pela Companhia Paranaense de Gás (Compagás). O
valor do m3 do gás está diretamente relacionado ao volume consumido diariamente.
De acordo com a estimativa de geração de energia elétrica mensal fornecida pela
célula, cerca de 120MWh, concluiu-se que o consumo diário de gás natural seria de
19 Unidade de energia elétrica
20 Início de operação de um equipamento ou sistema
96
1.000 m3 a um preço tabelado de US$ 0,354/m3. Conforme expectativas e
especulações do cenário energético mundial ao redor do petróleo e
consecutivamente do gás natural ("commodity" internacional 21 ), realizou-se um
acréscimo de 3% ao ano no preço.
O custo de implantação da célula a combustível foi elaborado numa
perspectiva de 10 anos, devido aos dados fornecidos pelo fabricante da célula,
mencionando que o equipamento, após entrar em funcionamento, possui uma vida
útil de operação de aproximadamente 10 anos.
Foram definidos dois custos médios de energia elétrica gerada pela célula,
um deles foi calculado contendo o valor de compra e instalação da célula, onde se
conseguiu chegar a um custo médio de US$ 183,30/MWh. A amortização do custo
foi realizada dividindo o valor total do equipamento e da instalação em dez anos,
inserindo este resultado ao longo dos anos sem acréscimo de juros, considerando
que o equipamento foi pago à vista na entrega. Em relação ao outro valor médio
levantado, desconsiderou-se o preço de instalação e aquisição, mantendo apenas
os custos de manutenção do equipamento e insumos para o funcionamento,
chegando a um valor médio de US$ 108,88 o MWh.
O valor calculado de US$ 97.136,91 para a amortização do custo total da
célula, refere-se a soma do valor do equipamento e da instalação dividido pelos 10
anos estimados de seu funcionamento, simulando a compra da célula pelo hospital.
Já os valores calculados sem a amortização referem-se a um cenário que
considera a situação real, ou seja, o hospital recebendo a célula como doação
21 Mercadoria padronizada para compra e venda que precisa seguir critérios de
certificação, classificação, rotulagem, ser regulamentada, pagar taxas, tributações e
impostos.
97
desconsiderando o custo do equipamento e da instalação.
TABELA 13 – CUSTOS DE IMPLANTAÇÃO DA CELULA A COMBUSTÍVEL FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS
98
Na tabela 14 procurou-se estabelecer o valor médio do MWh da
concessionária (COPEL), para comparação dos dados obtidos na tabela 13. Para
obtenção dos valores reais, foi necessário considerar o consumo de energia elétrica,
em um ano, de 1440MWh e o valor da demanda igual a 200kW, que foram os
valores considerados para o cálculo do MWh da célula, pois o valor médio do MWh
cobrado pela concessionária, que depende diretamente do consumo e da demanda,
afeta o fator de carga do consumidor, alterando o valor final.
As tarifas utilizadas foram obtidas das contas de energia elétrica do
Hospital Erasto Gaertner, que está enquadrado como tarifa convencional. Houve um
acréscimo de 3% ao ano nas tarifas de energia elétrica, porque se trata de um
"commodity", como o gás natural. Consecutivamente, obteve-se um valor médio de
US$ 74,07 o MWh, para 10 anos.
ANO 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
MWh 1440 1440 1440 1440 1440 1440 1440 1440 1440 1440
DEMANDA(kW) 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200
TARIFA (consumo) R$ 191,86 197,62 203,54 209,65 215,94 222,42 229,09 235,96 243,04 250,33
TARIFA (demanda) R$ 14,21 14,64 15,08 15,53 15,99 16,47 16,97 17,48 18,00 18,54
VALOR PAGO 279120,40 287494,01 296118,83 305002,40 314152,47 323577,04 333284,35 343282,89 353581,37 364188,81
Valor Pago US$ 93040,13 95831,34 98706,28 101667,47 104717,49 107859,01 111094,78 114427,63 117860,46 121396,27
Custo MWh 64,61 66,55 68,55 70,60 72,72 74,90 77,15 79,46 81,85 84,30 74,07
Média MWh
TABELA 14 – CUSTO DO MWh DA CONCESSIONÁRIA – COPEL FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER E COPEL
O gráfico 12 representa uma comparação entre o custo do MWh da célula
a combustíve l em relação ao custo do MWh da COPEL levando em consideração o
valor do equipamento amortizado em 10 anos.
99
020406080
100120140160180200
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
ANO
US
$/M
Wh
Célula com amortização COPEL
GRÁFICO 12 – CUSTO CÉLULA (C/ AMORTIZAÇÃO) X CUSTO COPEL FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS
O gráfico 13 representa uma comparação entre o custo do MWh da célula
a combustível em relação ao custo do MWh da COPEL não levando em
consideração o valor do equipamento amortizado em 10 anos. Os valores de
instalação e do equipamento não foram contabilizados.
100
0
20
40
60
80
100
120
140
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
ANO
US
$/M
Wh
Célula sem amortização COPEL
GRÁFICO 13 - CUSTO CÉLULA (S/ AMORTIZAÇÃO) X CUSTO COPEL FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS
Visto que a célula a combustível, além de fornecer energia elétrica, fornece
também energia térmica, logo se estimou a redução de óleo xisto utilizado nas
caldeiras. Como o processo anterior aquecia a água de aproximadamente 20ºC para
70ºC e agora tornaria a aquecer a água de 60ºC para 70ºC, a diferença dos
processos reduziria o consumo de óleo xisto em torno de 80%. A tabela 15
representa a economia de óleo xisto estimado para os próximos 10 anos.
No custo do quilograma do óleo xisto foi considerado um aumento de 3%
ao ano, pois como a energia elétrica e como o gás natural, ele também é
considerado um "commodity" internacional.
101
ANO 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013Consumo Atual(kg) 156000 156000 156000 156000 156000 156000 156000 156000 156000 156000Óleo xisto(R$/kg) 1,30 1,34 1,38 1,42 1,46 1,51 1,55 1,60 1,65 1,70Total (R$) 202800,00 208884,00 215150,52 221605,04 228253,19 235100,78 242153,81 249418,42 256900,97 264608,00Total (US$) 67600,00 69628,00 71716,84 73868,35 76084,40 78366,93 80717,94 83139,47 85633,66 88202,67
Consumo Futuro(kg) 31200 31200 31200 31200 31200 31200 31200 31200 31200 31200Total (R$) 40560,00 41776,80 43030,10 44321,01 45650,64 47020,16 48430,76 49883,68 51380,19 52921,60Total (US$) 13520,00 13925,60 14343,37 14773,67 15216,88 15673,39 16143,59 16627,89 17126,73 17640,53
Economia (US$) 54080,00 55702,40 57373,47 59094,68 60867,52 62693,54 64574,35 66511,58 68506,93 70562,13
TABELA 15 – ECONOMIA DE ÓLEO XISTO FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER E PETROBRÁS
Abaixo segue a tabela 16 contendo o custo real do MWh gerado pela célula
considerando o seu potencial térmico.
ANO 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013Custo Cac (US$) 133096,91 244636,51 248986,70 253471,55 258095,28 262862,21 267776,84 272843,77 278067,77 283453,75Economia de xisto (US$) 54080,00 55702,40 57373,47 59094,68 60867,52 62693,54 64574,35 66511,58 68506,93 70562,13Custo Cac - econ. Xisto (US$) 79016,91 188934,11 191613,23 194376,87 197227,76 200168,67 203202,49 206332,19 209560,84 212891,61Custo MWh (US$) 109,75 131,20 133,06 134,98 136,96 139,01 141,11 143,29 145,53 147,84 136,27Custo Cac (US$) 35960,00 147499,60 151849,79 156334,64 160958,37 165725,30 170639,93 175706,86 180930,86 186316,84Economia de xisto(US$) 54080,00 55702,40 57373,47 59094,68 60867,52 62693,54 64574,35 66511,58 68506,93 70562,13Custo Cac - econ. Xisto (US$) -18120,00 91797,20 94476,32 97239,96 100090,85 103031,76 106065,58 109195,28 112423,93 115754,70Custo MWh (US$) -25,17 63,75 65,61 67,53 69,51 71,55 73,66 75,83 78,07 80,39 62,07
C/ AMORT.
S/ AMORT.
Média MWh
Média MWh
TABELA 16 – CUSTO DO MWh DA CÉLULA CONSIDERANDO POTENCIAL TÉRMICO FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS, HOSPITAL ERASTO GAERTNER E
PETROBRÁS
Os gráficos 14 e 15 representam o custo da célula levando em
consideração o aproveitamento térmico gerado. Nota-se então que os valores do
MWh da célula tornam-se ainda menores que os representados nos gráficos 12 e 13.
102
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
ANO
US
$/M
Wh
Célula com amortização COPEL
GRÁFICO 14 – CUSTO CÉLULA C/ AMORT. CONSIDERANDO ENERGIA TÉRMICA X COPEL
FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS, HOSPITAL ERASTO GAERTNER E PETROBRÁS
-30,00
-10,00
10,00
30,00
50,00
70,00
90,00
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
ANO
US
$/M
Wh
Célula sem amortização COPEL
GRÁFICO 15 – CUSTO CÉLULA S/ AMORT. CONSIDERANDO ENERGIA TÉRMICA X COPEL
FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS, HOSPITAL ERASTO GAERTNER E PETROBRÁS
103
3.10.3 Projeção para novo cenário energético
O gráfico 16 representa o valor do MWh da célula próximo ao valor do
MWh da COPEL, devido a redução no preço do gás natural para R$ 0,50 e redução
dos custos do nitrogênio em 80%. Estas estimativas de reduções devem-se ao preço
de venda competitiva para o mercado de gás natural e a utilização de nitrogênio com
grau de pureza vendido comercialmente.
0,0020,0040,0060,0080,00
100,00120,00140,00
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
ANO
US
$/M
Wh
Célula com amortização COPEL
GRÁFICO 16 - CUSTO CÉLULA C/ AMORT. CONSIDERANDO ENERGIA TÉRMICA X COPEL CONSIDERANDO CUSTO DO GAS NATURAL A R$ 0,50 E REDUÇÃO DE 80% DO CUSTO N2.
FONTE: COPEL, COMPAGÁS, LACTEC, WHITE MARTINS, HOSPITAL ERASTO GAERTNER E PETROBRÁS
3.10.4 Breve comentário sobre o cenário de energia elétrica no Brasil
Para o estudo da viabilidade econômica – financeira da célula a
combustível, deve-se levar em consideração que em 2001, o Brasil sofreu uma
grande crise energética, aonde o preço da tarifa do MWh chegou a US$200,00. O
104
estudo foi planejado para os próximos 10 anos, e se houver uma nova crise
energética neste período, certamente o valor do MWh da célula estará abaixo dos
valores do MWh das concessionárias de energia elétrica do pais.
3.10.5 Nova matriz energética
A tabela 17 mostra os valores que representam a nova matriz energética do
hospital. Todas as unidades foram novamente convertidas para uma unidade
padrão, a tonelada equivalente de petróleo (tep), para então se montar o gráfico que
apresentará a nova matriz energética considerando o gás natural.
Conversão:
- Consumo de gás natural
1.000m3 - 0,968 tep – 43,77 GJ
TABELA 17 – CÁLCULO DA NOVA MATRIZ ENERGÉTICA FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
O gráfico 17 mostra os resultados obtidos na tabela 17. Como já era o
esperado, o gás natural obteve a maior porcentagem, pois este está substituindo o
óleo xisto e a energia elétrica. Em comparação com o gráfico 11, pode-se observar
que a porcentagem de óleo xisto foi reduzida em aproximadamente 40% em relação
à antiga matriz. Portanto, é necessário um novo estudo para determinar um método
que consiga eliminar todo o consumo de óleo xisto, aproveitando somente a energia
térmica da célula, pois existem acessórios na célula que não foram adquiridos pela
COPEL, que permitem a geração de vapor.
PRODUTO (UNIDADE) MÉDIA DE CONSUMO VALORES EM tep VALORES EM GJXISTO (kg) 20000 20 *ENERGIA ELÉTRICA (kWh) 33000 2,63 118,8DIESEL (m3) 0,08 0,06784 3,068GÁS NATURAL (m3) 30000 29,04 1313,1
105
A energia elétrica fornecida pela célula a combustível suprirá 2/3 da
demanda do hospital, e a concessionária suprirá o restante, portanto verifica-se na
nova matriz enérgica uma diminuição considerável do consumo de energia elétrica
fornecida pela concessionária.
O consumo de óleo diesel sofreu uma leve redução, porque o grupo motor
gerador ainda se manteve ligado ao quadro geral de baixa tensão, e somente será
utilizado quando ocorrerem problemas na célula e na concessionária ao mesmo
tempo.
GRÁFICO 17 – NOVA MATRIZ ENERGÉTICA FONTE: HOSPITAL ERASTO GAERTNER
38,7%
5,1% 0,1%
56,1%
XISTO (kg)
ENERGIA ELÉTRICA (kWh)
DIESEL (m3)
GÁS NATURAL (m3)
106
4 CONCLUSÕES
As dificuldades encontradas na realização deste trabalho resumem-se na
carência de literatura técnica sobre o tema abordado e na elaboração de previsões
futuras dos cenários energéticos nacional e internacional, tendo em vista a incerteza
sobre o futuro do mercado dos diferentes insumos abordados e utilizados para a
elaboração deste estudo de viabilidade.
A partir dos dados levantados e analisados conclui-se:
a) A crescente exigência do consumidor por qualidade, continuidade e
disponibilidade da distribuição de energia elétrica. A consciência
coletiva no que diz respeito ao meio ambiente, a enorme ampliação do
sistema de distribuição e na disponibilidade do gás natural e a provável
redução de preço e dimensões das células a combustível em médio
prazo, aliado com um aumento de potência gerada, e maior vida útil,
são fatos que embasam, fortificam e justificam a disseminação desta
tecnologia.
b) A evolução da tecnologia de células a combustível oferecerá, num
futuro próximo, energia elétrica e térmica com qualidade e continuidade,
a preços competitivos com a rede elétrica convencional aliada a uma
geração de alta eficiência e pouca ou nenhuma emissão de poluentes.
c) De acordo com os levantamentos realizados, as parcelas mais
significativas do custo total da célula, são exatamente seu preço de
aquisição e o preço do energético gás natural, sendo que a primeira,
segundo Paranhos (2002), dentro de uma expectativa de 5 anos, terá
seu preço reduzido pela metade, e com relação ao gás natural, existe
um incentivo da ANEEL, nos termos da resolução 21/00, que confere a
107
compra de gás a preço subsidiado se a célula for qualificada como
equipamento de co-geração incentivada se a mesma consumir 73kW de
energia térmica, equivalente ao aquecimento de 30.000l/dia de água,
sendo que a instalação do hospital atende a estes requisitos.
d) Um outro ponto relevante é a utilização de nitrogênio com grau de
pureza elevado, que pode ser substituído por outro, com grau de pureza
comercial, cerca de 80% mais barato, bastando a instalação de alguns
filtros de baixo custo para reter as impurezas contidas, considerando
este fato também um ganho financeiro.
e) A grande utilização do potencial térmico da célula a combustível no
caso do Hospital Erasto Gaertner, proporcionou um grande abatimento
no custo do MWh final da célula, chegando a diminui-lo em 25,66%, e
conseqüentemente, reduziu-se o consumo de óleo xisto das caldeiras
responsáveis pelo sistema de aquecimento de água atual do hospital
em cerca de 80%.
f) Considerando o aspecto dos valores intangíveis, como o baixo impacto
ambiental e também o domínio da tecnologia de células a combustível
no Brasil, mesmo que atualmente seja difícil a “precificação” destes
valores, pode-se fortalecer e justificar ainda mais a necessidade do
investimento, sob o ponto de vista estratégico.
g) A energia gerada por células a combustível ainda é muito cara,
principalmente no Brasil, quando comparada a concessionárias de
energia elétrica. Como qualquer outra tecnologia, sua produção não
atingiu o ponto crítico em que economias de escala passam a se
desenvolver e reduzem significativamente o custo por unidade
manufaturada. Quando este ponto crítico tiver sido atingido e, levando-
108
se em consideração todos os benefícios oferecidos pela tecnologia de
células a combustível, certamente, esse inovador modelo energético
será competitivo.
h) As simulações econômico-financeira demonstraram que a partir de
cenários de crise energética como ocorrido em 2001 e prevista repetir
em 2005, torna o MWh gerada pela célula a combustível, relativamente
competitivo pelo preço do MWh do MAE (Mercado Aberto de Energia).
Este cenário aliado aliado a diminuição do custo do equipamento, mais
incentivos em termos do preço do consumo do gás natural e o aumento
da vida útil do equipamento pode, a médio prazo, tornar esta opção
atraente como investimento.
i) Conforme Rifkin (2003) coloca, a opção de substituição de
combustíveis fósseis pelo hidrogênio é natural e irreversível, a partir da
decadência dos modelos econômicos sustentados pelo petróleo, gás
natural e similares. No entanto temos, ainda, cerca de 40 a 50 anos de
utilização destas fontes, que numa lógica de mercado serão usadas até
a última “gota”.
j) Com relação à abertura de estudos para novos projetos com intuito de
dar continuidade a este, sugere-se contabilizar os valores intangíveis,
ainda não precificáveis, como os impactos ambientais revertidos em um
abatimento no preço do MWh final da célula a combustível, bem como o
gradual domínio da tecnologia, devido ao acompanhamento e
experiência já com a célula em funcionamento, visando uma possível
tropicalização da tecnologia e abrindo possibilidades para fabricação
nacional.
109
REFERÊNCIAS
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REIS, Lineu Belico. Geração de Energia Elétrica. 3 ed. São Paulo: Manole, 2003.
CAMPOS, José Antonio. Cenário Balanceado. São Paulo, 1998.
JANNUZZI, G. M. Planejamento integrado de recursos energéticos: meio ambiente, conservação de energia e fontes renováveis. Campinas: Autores Associados, 1997.
REIS, Lineu Belico.Energia Elétrica para o Desenvolvimento Sustentável. São Paulo: Vários autores, 2000.
FILIPINI, Fábio Antônio. Modelagem, Simulação e Otimização de Sistemas Complexos com Células à Combustível. Curitiba, 2002. Dissertação de Mestrado.
Manual para Elaboração do Programa Anual de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica. ANEEL, 2001.
PARANHOS, José Ricardo. Experiência de Um Ano de Operação de Uma Célula a Combustível de 200kW. In: SEMINÁRIO NACIONAL DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA – SENDI, 15., 2002 , Salvador. p 1-10.
LIGA PARANAENSE DE COMBATE AO CÂNCER. Relatório Anual de Atividades 2002. Curitiba, 2002.
CAÍRES, M. Desenvolvimento e Caracterização de Matrizes à base de SiC, NbC e ZrSiO4, para células de combustível de ácido fosfórico. São Paulo, 1996. Dissertação de Mestrado.
RIFKIN, Jeremy. A Economia do Hidrogênio. 1 ed. São Paulo: M. Books do Brasil Editora Ltda, 2003.
LACTEC. Controle Contábil. Curitiba. Emissão: 29/01/2004.
BECKER, Howards.Métodos de Pesquisa em Ciências. São Paulo: Hucitec, 1993.
BRITO, Paulo.Análise e Viabilidade de Projetos de Investimentos. São Paulo: Atlas, 2003.
CLEMENTE, Ademir.Projetos Empresariais e Públicos. São Paulo: Atlas, 1998.
GOLDENBERG, Mirian.A Arte de Pesquisar. Rio de Janeiro: Record, 1998.
SCHMIDT, Paulo e SANTOS, José Luiz.Avaliação de Ativos Intangíveis. São Paulo: Atlas, 2002.
110
COMPAGAS. Disponível em <http://www.compagas.com.br> Acesso em: 12 março 2004.
COPEL. Disponível em <http://www.copel.com> Acesso em: 15 janeiro 2004.
UTC FUEL CELLS. Disponível em <http://www.utc.com> Acesso em: 17 outubro 2003.
LPCC. Disponível em <http://www.lpcc.com.br> Acesso em: 04 outubro 2003.
MME. Disponível em <http://www.mme.gov.br> Acesso em: 28 setembro 2003.
ELETROBRÁS. Disponível em <http://www.eletrobras.com.br> Acesso em: 15 novembro 2003.
CANAL ENERGIA. Disponível em <http://www.canalenergia.com.br> Acesso em: 12 dezembro 2003.
PORTAL CÉLULA A COMBUSTÍVEL. Disponíve l em <http://www.celulaacombustivel.com.br> Acesso em: 10 março 2004.
111
ANEXOS
112
ANEXO 01
CENÁRIO ENERGÉTICO MUNDIAL
De acordo com a Agência Internacional de Energia (2001):
Atualmente, estima-se que aproximadamente um terço da população mundial não tem acesso à energia elétrica e, mesmo em sociedades mais industrializadas, com padrão de vida melhor, ainda coexistem formas rudimentares de transformação e uso da energia.
FONTE PARTE DO TOTAL PRODUZIDO ( % ) Petróleo 35,8 Carvão 23,7 Gás Natural 20,1 Energia Nuclear 6,6 Outros* 13,8
NOTA: * Combustíveis renováveis e de resíduos (11,1%), energia hidroelétrica (2,3%), geotérmica,
solar e eólica (0,4%).
A produção mundial de energia é de 369,4 milhões de terajoules e o consumo, de 351,7 milhões, de acordo com o mais recente Anuário de Estatísticas de Energia da ONU
(Organização das Nações Unidas) – o joule é a unidade internacional usada para medir
a energia; 1 terajoule equivale a 1.012 joules. A Ásia (34,4% do total) é a maior produtora entre os continentes, seguida da América (31,3%) e da Europa (25,6%). A
líder em consumo é a América, que utiliza mais de um terço do total mundial. Quase
90% de toda a energia gerada provém dos combustíveis fósseis – carvão, gás natural e petróleo.
As formas de produção variam conforme a fonte, o impacto no meio ambiente e a viabilidade econômica. As fontes podem ser não renováveis ou renováveis. As não renováveis correspondem aos recursos naturais finitos, como os combustíveis fósseis. Já
as renováveis, uma vez exploradas pelo homem, se reconstituem espontaneamente ou
por práticas de conservação. Entre elas estão o ar, a água e a vegetação. Estimativas da ONU apontam que as reservas de petróleo existentes no mundo devem durar apenas
mais 75 anos; as de gás natural, pouco mais de 100; e as de carvão, aproximadamente
200.
Nos últimos anos, a desaceleração do crescimento econômico mundial – em virtude da crise asiática, da recessão japonesa e do colapso econômico russo – aponta para uma
redução da demanda de energia, principalmente nos países industrializados. Até 2020, o consumo deverá ser maior nas nações em desenvolvimento, segundo a Agência
Internacional de Energia Atômica.
113
Nas próximas duas décadas, o petróleo tende a permanecer como a principal matéria -prima mundial, embora se calcule que seu uso possa diminuir de 40% para 38%, em
razão do aproveitamento de outros recursos energéticos. Por causa dos baixos custos de exploração e por não provocar dano algum ao meio ambiente, o gás natural será a
fonte de energia primária cuja utilização crescerá mais rápido até 2020, de acordo com
estudos do governo dos Estados Unidos (EUA). Estima-se que o consumo de carvão, por sua vez, se eleve a uma taxa média anual de 1,6% no mesmo período. Nos países em
desenvolvimento, deve subir mais que o dobro.
A energia nuclear responde por cerca de 9% da produção mundial. Os Estados Unidos (EUA) possuem a maior capacidade nuclear instalada (28% do total mundial), seguidos
da França (18%) e do Japão (12%). A energia nuclear utilizada hoje é gerada pela
quebra (fissão) dos núcleos do urânio-235, sendo Canadá o maior produtor mundial (11.706 toneladas).
A maior desvantagem dessa forma de energia é o risco de vazamento do material radioativo das usinas. O mais grave acidente da história ocorre em Chernobyl, na Ucrânia, em 1986. A explosão de um dos reatores espalha uma nuvem radioativa pela
Europa. Cerca de 135 mil habitantes são obrigados a deixar a região de Chernobyl, pelo
menos 30 pessoas morrem e, de acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), em torno de 5 milhões de pessoas contraem câncer. Em setembro de 1999 acontece o
pior acidente nuclear da história do Japão e o mais grave do mundo depois do de
Chernobyl. O desastre é provocado pelo não-cumprimento de normas básicas de segurança na usina nuclear da cidade de Tokaimura e causa a contaminação de pelo
menos 27 pessoas.
A falta de tecnologia para tratar os resíduos nucleares é um dos grandes problemas do setor. Esse material costuma ser encapsulado em tambores de aço e enterrado em
regiões inóspitas. A escolha dos locais de depósito envolve questões técnicas e políticas
e deve obedecer a critérios rígidos. Em 1994, 65 nações assinam a Convenção sobre Segurança Nuclear, que entra em vigor em 1996 e regulamenta o transporte de lixo
radioativo e a construção, a manutenção e o uso das usinas nucleares.
Principal gerador de energia, o petróleo é responsável por cerca de 40% da produção total. Das reservas existentes no planeta, 82% já foram descobertas. A parcela restante
encontra -se em campos menores e de difícil exploração. Além dos membros da
Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Opep), os principais produtores são Estados Unidos (EUA), Federação Russa, México, China, Canadá, Reino Unido e
Noruega.
Após o desmembramento da União Soviética (URSS), em 1991, é revelada a
importância das reservas no mar Cáspio (oeste da Ásia), até então totalmente
controladas pelo governo soviético. Calcula-se que seus recursos petrolíferos sejam equivalentes aos do mar do Norte e que seu potencial seja suficiente para atender a
toda a demanda dos EUA durante uma geração. No entanto, a região, que compreende
países como o Turcomenistão, o Azerbaidjão e o Irã, é politicamente conturbada, o que
114
dificulta a exploração. Em setembro de 1999 é descoberto um campo gigantesco no Irã,
com reservas estimadas em 26 bilhões de barris.
CENÁRIO ENERGÉTICO NACIONAL
De acordo com artigo do Ministério das Minas e Energia (2001)
Embora possua uma grande diversidade de fontes de energia, o Brasil não tem geração suficiente para atender à demanda interna. A produção, em 2001, foi equivalente a 202,7 milhões de toneladas de petróleo, mas o consumo final totalizou 231 milhões, o que resultou num déficit de 28,3 milhões, suprido por importações.
A produção nacional (vide Tabela 3) está concentrada nas fontes primárias de energia renovável, como energia hidráulica, lenha e derivados da cana-de-açúcar, que correspondem a 66% do total produzido. As fontes não renováveis – petróleo, gás natural, carvão e urânio – são responsáveis por 34%.
Entre 1990 e 2001, houve uma diminuição na produção de energia com fontes renováveis, principalmente a lenha, que caiu de 15% para 8,4%, e um aumento de fontes não renováveis, sobretudo do petróleo e seus derivados, que cresceu sua participação de 30,2% para 33,8% no mesmo período. Os dados gerais do consumo por fonte primária estão na Tabela 2.
FONTE PARTE DO TOTAL PRODUZIDO ( % ) Hidráulica (hidroeletricidade) 42
Petróleo 27 Biomassa* 24 Gás Natural 6
Carvão Mineral 1
NOTA: * Inclui lenha, bagaço de cana, carvão vegetal, álcool e resíduos vegetais
FONTE CONTRIBUIÇÃO ( % ) Eletricidade 39 Óleo Diesel 12
Lenha e Carvão Vegetal 8 Gasolina 6
Óleo Combustível 5 Carvão Mineral 4
Álcool 3 Outras* 21
NOTA: * Inclui energia nuclear e fontes renováveis como energia solar e eólica.
115
Do total da energia elétrica gerada no Brasil, as usinas térmicas respondem por 8% e as
hidrelétricas, por 92%. A indústria, setor que mais utiliza a eletricidade, é responsável
por 45% do consumo total. Do total de residências, 93% possuem eletricidade. O crescimento no consumo é impulsionado pelos segmentos comercial (8,9%) e
residencial (7,2%). Para isso concorrem a expansão e a modernização dos serviços,
com a abertura de grandes centros comerciais, a instalação de novas ligações residenciais e a difusão do uso de bens de consumo duráveis pelas classes de menor
poder aquisitivo. A indústria registra uma pequena elevação no consumo de energia
(0,7%), o que é explicado por seu fraco desempenho econômico.
A privatização da área elétrica começa em 1995, quando são promulgadas as Leis de Concessões, autorizando o início do processo de venda das empresas de energia
elétrica. A primeira a ser negociada é a Espírito Santo Centrais Elétricas S/A (Escelsa), negociada por 520 milhões de dólares. Até outubro de 1999, 20 empresas haviam sido
privatizadas. Em 1996 é criada a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) para
regularizar e fiscalizar os aspectos técnicos, econômicos e administrativos das cerca de 70 estatais do setor.
Em 11 de março de 1999, dez dias depois de iniciada a privatização da coordenação do sistema de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, ocorre o maior blecaute da história do país. Cerca de 76 milhões de habitantes de dez estados das
regiões Sul e Sudeste e parte do Centro -Oeste, além do Distrito Federal, ficam no
escuro. Em alguns deles, o fornecimento de energia só volta ao normal quatro horas e quinze minutos depois. Grande parte do Paraguai, que é servido pela Hidrelétrica de
Itaipu, também sofre as conseqüências do apagão.
Em 1999, a única usina nuclear em atividade no país, Angra I, produz 3.265 gigawatts/hora (GWH) – quantidade correspondente a 30% da geração de eletricidade
do estado do Rio de Janeiro, de acordo com estudo da Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ) e das Centrais Elétricas Brasileiras S/A (Eletrobrás). As receitas da Eletrobrás Termonuclear S/A (Eletronuclear), que opera a central, crescem 55% em
relação a 1997. Desde o início de suas atividades comerciais, em 1985, a usina produz
cerca de 25 milhões de megawatts/hora (MWH). Gerada com regularidade, essa energia seria suficiente para abastecer uma cidade com cerca de 1,2 milhão de habitantes.
Falhas nos equipamentos, porém, levam Angra I a freqüentes paralisações na produção.
Relatório da Eletronuclear de 1999 revela que problemas no sistema de segurança da usina interrompem 11 vezes o funcionamento do reator em menos de um ano.
Em 1998 cresce a produção de petróleo brasileiro, que corresponde a 64% do total consumido no país. Em 1995, esse índice era de 56%. De janeiro a agosto de 2001 são produzidos 41.946.000 metros cúbicos de petróleo – no mesmo período de 1999 a
produção foi de 36.397.000 metros cúbicos. Para suprir o déficit, recorre -se à
importação. Por outro lado, o país exporta a produção excedente de alguns de seus derivados, como gasolina, óleos combustíveis, combustíveis para navios e graxas
lubrificantes, que totalizam 6.538.000 metros cúbicos em 1999.
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As principais reservas de petróleo do Brasil são Campos (RJ), Espírito Santo (ES), Camamu-Almada (BA), Cumuruxatiba (BA) e Amazonas (AM), em mar; Paraná (PR), em
terra; e Potiguar (RN), em terra e mar.
Em setembro de 1999 é anunciada a descoberta de um campo na bacia de Santos (SP). Os cálculos preliminares da Petrobrás indicam reservas potenciais de 600 milhões a 700
milhões de barris, que representam 10 bilhões de dólares a ser explorados em 20 anos. O início da retirada do produto está previsto para 2001. A busca por petróleo na bacia
de Santos começou em 1969 e somente reservas de gás haviam sido descobertas.
Em 1997 é sancionada a lei que permite a entrada da iniciativa privada nacional e internacional no setor petrolífero. Com isso, a Petrobrás, fundada em 1953, deixa de ter
o monopólio em todos os seus segmentos: pesquisa, produção, refino, importação,
exportação e transporte. Para promover a regulamentação, a contratação e a fiscalização dessas atividades, é criada a Agência Nacional de Petróleo (ANP). As
empresas candidatas a atuar na área precisam submeter-se a um processo de licitação.
Em junho de 1999, a ANP realiza licitação para a exploração de petróleo no país. Das 27 áreas oferecidas em oito bacias sedimentares, 12 são vendidas por um valor total de
321,6 milhões de reais. Para atrair concorrentes, o Banco Nacional de Desenvolvimento
Econômico e Social (BNDES) se propõe a financiar 10 bilhões de dólares em investimentos nos próximos dez anos. A própria Petrobrás é a maior compradora,
isoladamente ou em consórcios, arrematando 42% do que é leiloado. As novas
operadoras do setor são a Agip do Brasil, YPF, Kerr McGee, Amerada Hess, Texaco Brasil, Esso do Brasil, Unocal, British Borneo, Shell e BT.
A produção de gás natural, utilizado para fins industriais, comerciais e domésticos, chega a 10,8 bilhões de metros cúbicos em 1999. No ano anterior, havia sido de 9,8 bilhões de metros cúbicos. Em 2000, o acumulado até agosto é de 7,9 bilhões de
metros cúbicos. Como a produção é maior que o consumo (6,7 bilhões de metros
cúbicos), uma parte do excedente é reinjetada nos poços. O volume de gás natural consumido, no entanto, deve crescer. A estimativa é de que até 2005 cerca de 10% do
total da energia consumida no país seja gerada pelo gás natural, especialmente graças
à finalização do gasoduto Brasil-Bolívia.
As principais reservas em terra são Taquaré e Jatobá (AM), na bacia do Solimões, e a de Campo de Barra Bonita (PR), na bacia do Paraná. No mar, destacam-se as descobertas
nos poços CES-141 e 142, na bacia Potiguar (RN), e SES-121, em Sergipe.
O gasoduto Brasil-Bolívia inaugurado em 1999, é considerado um dos maiores projetos de infra -estrutura do mundo, orçado em 2 bilhões de dólares. Embora as tubulações
permitam o transporte de até 30 milhões de metros cúbicos de gás por dia, o acordo inicial prevê o fornecimento de 9 milhões de metros cúbicos diários. A Eletrobrás espera
que a participação do gás natural como fonte energética no Brasil chegue a 11,3%. A
construção do gasoduto tem início em 1997, quatro anos após a assinatura do contrato entre os dois países. A obra é uma das tentativas do governo brasileiro de diversificar a
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matriz energética do país com o objetivo de aumentar a participação do gás natural e
diminuir o consumo de petróleo e de energia hidrelétrica.
A produção de álcool etílico em 2001 é de 14,1 milhões de metros cúbicos, valor um
pouco inferior ao produzido em 2000. Nos últimos anos, o consumo de álcool se mantém em 14 milhões de metros cúbicos, levando à formação de grandes estoques. A
principal razão dessa estagnação é a redução da produção de veículos novos movidos a
álcool, que passam de 96% do total em 1985 para 0,5% em 2000, de acordo com a Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores (Anfavea).
Em 2001, porém, o mercado automobilístico de veículos a álcool volta a crescer, incentivado pelo próprio governo. No estado de São Paulo, por exemplo, o governo anuncia a isenção do Imposto sobre Propriedade de Veículos Automotores (IPVA) para quem comprar automóveis a álcool até o final desse ano. Em contrapartida, os produtores de álcool e cana devem manter o nível de emprego no setor. De janeiro a setembro de 2001 são vendidos 5,4 mil automóveis a álcool, conforme a Anfavea, o que representa um aumento de 43% em relação à soma dos dois anos anteriores. Ainda assim, sua participação no total da frota nacional é de apenas 0,7%.
