FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DECÉLULAS A COMBUSTÍVEL UTILIZANDO REFORMA DE

ETANOL EM COMUNIDADE ISOLADA DO ESTADO DE MATOGROSSO

João Carlos CamargoDepartamento de Energia – Faculdade de Engenharia Mecânica – UNICAMP

CEP 13083-970 Campinas – SP tel: 19 3289 1860

Ennio Peres da SilvaLaboratório de Hidrogênio – Instituto de Física – UNICAMP

CEP 13083-970 Campinas – SP tel: 19 3289 1860

Otacílio Borges CanavarrosNúcleo Interdisciplinar de Estudos em Planejamento Energético NIEPE - UFMT

CEP 78 085 8000 Cuiabá - MT tel: (65) 624 8797

Carla Kazue Nakao CavalieroNúcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético NIPE – UNICAMP

CEP 13083-970 Campinas – SP tel: (19) 3788 5040

Paula Duarte AraújoDepartamento de Energia – Faculdade de Engenharia Mecânica – UNICAMP

CEP 13083-970 Campinas – SP tel: 19 3289 1860

RESUMO

A geração de energia elétrica utilizandocélulas a combustível constitui-se atualmente umaalternativa promissora que concilia alta eficiência deconversão e baixos impactos ambientais. Esteequipamento é um dispositivo eletroquímico quecombina hidrogênio com oxigênio do ar paraproduzir energia elétrica, tendo como subprodutos,calor e água. O hidrogênio necessário para ofuncionamento das células pode ser obtido de váriasfontes, tanto renováveis como não-renováveis. Dessamaneira o etanol produzido no Brasil a partir dacana-de-açúcar é um candidato natural, de onde sepode extrair o hidrogênio através do processo dereforma. Este processo é uma alternativa ao óleoDiesel largamente utilizado para geração de energiaelétrica em comunidades isoladas, principalmentenas regiões Norte e Centro-Oeste do país. Estetrabalho propõe-se a apresentar os aspectosprincipais do projeto que está sendo realizado peloNúcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético– NIPE da UNICAMP em conjunto com a

Universidade Federal de Mato Grosso – UFMT paraa instalação de uma unidade de geração de energiaelétrica com célula a combustível em umacomunidade isolada do Estado do Mato Grosso.

ABSTRACT

Nowadays the electric power generationusing fuel cells has become a promising alternativethat conciliates high efficiency and lowenvironmental impacts. A fuel cell is anelectrochemical device that combines hydrogen withoxygen from air to produce electric energy with heatand water as byproducts. The hydrogen necessary tofeed the fuel cell can be obtained from renewableand non-renewable sources. Indeed, the ethanolproduced from sugar cane in Brazil is a naturalcandidate from which hydrogen can be extractedthrough a process called reforming. This would bean alternative to Diesel largely used to electricgeneration in isolated communities mainly in theNorth and Central West country’s regions. Thiswork intends to show the main aspects of the project

that has been carried out by UNICAMP’s NúcleoInterdisciplinar de Planejamento Energético – NIPEassociated with Federal University of Mato Grosso –UFMT to install an electric generation unit poweredby a fuel cell in a Mato Grosso’s isolatedcommunity.

INTRODUÇÃO

O abastecimento de energia elétrica àscomunidades isoladas tem sido sempre um grandedesafio no Brasil. Apesar do sistema elétricointerligado brasileiro já cobrir grande parte doterritório brasileiro – cerca de 96,6 % [1], ainda háextensas regiões principalmente no norte e centro-oeste sem acesso à rede de energia.

Tradicionalmente, essas comunidades sãoatendidas em suas necessidades de energia elétricaatravés de geradores a óleo Diesel, que lhes évendido subsidiado, pois as grandes distânciasenvolvidas na distribuição encareceriamsobremaneira o custo, inviabilizando a suautilização.

Nesse sentido a substituição do óleo Diesel poralternativas energéticas disponíveis no local dacomunidade tem mobilizado instituições de pesquisapara encontrar soluções. As fontes renováveis comosolar, eólica e biomassa se colocam como opçõesque contemplam aspectos como disponibilidade nolocal, sustentabilidade, fortalecimento da economialocal, etc. Dentre as alternativas que preenchemesses requisitos está o etanol.

O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar e de etanol, com sua produção concentradaprincipalmente na região sudeste, mas tambémencontrada em regiões isoladas como o Estado doMato Grosso.

O etanol, um álcool oriundo da cana, é umafonte de hidrogênio, o combustível para a novatecnologia de células a combustível que estáemergindo no mercado mundial. As células acombustível são dispositivos eletroquímicos quetransformam energia química em eletricidade.Utilizando na maioria dos casos o hidrogênio emcombinação com o oxigênio do ar, produz energiaelétrica, calor e água, num processo de eletrólisereversa. Sua eficiência de transformação é superioraos dispositivos tradicionais que utilizam acombustão como uma etapa térmica intermediáriapara retirar energia de um combustível fóssil [2].

O projeto aqui descrito procura conciliar asnecessidades energéticas de uma comunidadeisolada partindo do uso de um combustível local erenovável, o etanol, associado à nova tecnologia dascélulas a combustível, promissora no sentido deeficiência de conversão e baixo impactos negativosao ambiente.

As etapas desenvolvidas no projeto são as etapasdescritas a seguir.

OS SISTEMAS ISOLADOS DO ESTADODO MATO GROSSO

O Estado de Mato Grosso é o terceiro emdimensões territoriais no Brasil, com 906.806,9 km²,apresentando em um total de 126 municípiosdistribuídos em seis mesorregiões, compostas por 17microrregiões [3]. O abastecimento de energiaelétrica no estado fica a cargo das Centrais ElétricasMatogrossenses – CEMAT, cuja atuação é agrupadanas seis regionais da empresa: Cuiabá,Rondonópolis, Cáceres, Tangará da Serra, Barra doGarças e Sinop. O atendimento aos consumidores deenergia elétrica é feito pelo sistema interligadoSul/Sudeste/Centro-Oeste e pelo conjunto depequenos sistemas isolados em muitos municípiosdo interior do Estado [4]. Os sistemas isolados estãopresentes em quatro das seis regionais da CEMAT,distribuídos nas mesorregiões norte, leste e oeste doEstado, beneficiando 42 municípios assimagrupados: um na regional de Cáceres, oito naregional de Tangará da Serra, 15 na regional deBarra do Garças e 18 na regional de Sinop. Essessistemas, constituídos pelas várias usinas térmicas àóleo diesel e apenas duas PCHs, caracterizam-sepela insuficiência da oferta e ainda pela baixaqualidade da energia elétrica gerada, comatendimento precário, não satisfazendo a totalidadeda demanda nas classes rural e industrial [4[.

Os municípios atendidos em 1998 pelossistemas isolados, distribuídos pelas regionais daCEMAT, estão abaixo apresentados.

Regional de Cáceres: Vila Bela da SantíssimaTrindade

Regional de Tangará da Serra: Brasnorte,Castanheira, Cotriguaçu, Gaúcha doNorte, Juruena, Juína, São José do RioClaro e Aripuanã.

Regional de Barra do Garças: Água Boa, Altoda Boa Vista, Araguaiana, Canabrava doNorte, Canarana, Cascalheira, Cocalinho,Confresa, Luciara, Porto Alegre do Norte,Querência do Norte, São Felix doAraguaia, São José do Xingu, SantaTerezinha e Vila Rica.

Regional de Sinop: Apiacás, Carmen,Cláudia, Feliz Natal, Juara, Lucas do RioVerde, Nova Monte Verde, Marcelândia,Nova Bandeirantes, Nova Canaã, NovaMaringá, Novo Horizonte, Paranaíta,Porto dos Gaúchos, Tabaporã, Tapurah,União do Sul e Vera.

Em 1998 a capacidade instalada dossistemas elétricos isolados totalizava 60,10 MW, em185 unidades geradoras, tendo sido de 61.302.000litros o consumo de óleo diesel utilizado nastermoelétricas.

Ao final de 1998 os municípios de ÁguaBoa (Mesorregião Leste) e de Lucas do Rio Verdena (Mesorregião Norte), passaram a integrar osistema interligado, ressaltando que os municípiosde Araguaiana e Cocalinho, situados nasproximidades do Rio Araguaia, são atendidos comenergia elétrica proveniente do sistema CELG –Centrais Elétricas de Goiás, estando portanto nossistemas isolados apenas 38 dos 42 municípios [3].

Em 1999 foram integrados seis municípiosao sistema interligado, a saber: Carmen, Feliz Natal,Vera, Cláudia, Marcelândia e União do Sul.tambémem 1999 a transferência para a CEMAT doatendimento de energia elétrica aos quatromunicípios atualmente atendidos precariamente pelaadministração municipal, a saber: Comodoro e NovaLacerda na Regional de Cáceres e Campos de Júlio eSapezal na Regional de Tangará.

PROTÓTIPO DE GERAÇÃO DEENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE

CÉLULA A COMBUSTÍVEL COMREFORMA DE ETANOL

O processo de retirada do hidrogênio de umcombustível líquido como o etanol utilizando umareação com água é chamado de reforma. O etanol éreformado numa reação geral do tipo:

C2H5OH + 3H2O ↔ 6H2 + 2 CO2 (1)

A reação de reforma do etanol, Eq. (1), podeser representada pelas seguintes reações parciais:

C2H5OH + H2O ↔ 4H2 + 2CO (2)

CO + H2O ↔ H2 + CO2 (3)

As Eq. (2) e (3) representam as etapasintermediárias principais do processo de reforma,pois as reações que acontecem no reformador sãocomplexas [5]. A mistura água/etanol no reformadordeve ser aquecida a temperaturas superiores a 550 K.A partir de 650 K a produção de hidrogênio crescerapidamente [6]. A proporção água/etanol de acordocom a Eq. (1), tem sido abordada por alguns autoresque mostram que quanto maior a relação molarágua/etanol, maior a produção de hidrogênio emenor a incidência de compostos como CH3CHO,CH4, C2H4 e carbono no produto da reação.

No que diz respeito aos processos depurificação do hidrogênio produzido pela reforma doetanol, as maiores atenções estão voltadas à remoçãodo monóxido de carbono (CO), reduzindo-o a níveisde partes por milhão (ppm) quando o tipo de célula acombustível utilizada assim o requerer (caso dascélulas tipo PEM) e à remoção do dióxido decarbono (CO2), que apesar de não contaminar oselementos da célula afetam seu desempenho aoreduzir a área de contato dos eletrodos com ohidrogênio. No caso do CO busca- se reduzi-losignificativamente no próprio reator, através de suareação com água (reação de “shift”), produzindo-semais hidrogênio, podendo-se utilizar tambémprocessos de absorção molecular, se necessário [7].

A Figura 1 mostra o esquema geral de umsistema completo com reformador, células acombustível e inversor de freqüência, para geraçãode energia elétrica.

H2O2

PEMFC

R S T

remoção remoçãoH2O CO2

OH2compressor

filtro

válvula defluxo

trocadorde calor

de calortrocador

tanquede etanol

pressão temperatura

volumede controle

compressor

inversorde frequência

trocadorde calor

H2

radiador

ar misturador

ar

controlador

REDE

Figura 1 – Esquema geral do sistema de geração de energia elétrica estacionária utilizando célula a combustível com hidrogênio obtido apartir da reforma do etanol.

As células a combustível utilizada são do tipomembrana de troca de prótons que opera em baixatemperatura (80 °C). A célula gera energia elétricaem corrente contínua (CC), havendo necessidade deum inversor de freqüência para transformá-la emcorrente alternada (CA), necessária para acionar osequipamentos. A Figura 2 mostra o protótipo emdesenvolvimento no Laboratório de Hidrogênio daUNICAMP.

A purificação dos gases de reforma dehidrocarbonetos é um processo amplamente usadopelas indústrias, inclusive para se impedir que ohidrogênio reaja com o dióxido de carbono (CO2),havendo consecutiva perda de parte do hidrogênioque possa ser produzido [9].

Figura 2 – Foto do protótipo do reformador em desenvolvimentono Laboratório de Hidrogênio - UNICAMP

ESTUDO DE CASO: SELEÇÃO DE UMACOMUNIDADE ISOLADA

Nesta etapa do projeto está sendo analisada alocalização da comunidade mato-grossense onde osistema de geração será instalado. A comunidadeselecionada estará localizada em local não servidopor rede elétrica, mas próxima de uma usinaprodutora de álcool, devendo ser constituídaprincipalmente por residências, escolas e outrasinstalações que demandem energia para iluminação.

DIMENSIONAMENTO DO SISTEMAPARA A COMUNIDADE SELECIONADA

Feita a seleção da comunidade, o protótiposerá adaptado para atender às características de carga

da comunidade. As cargas das residências serãopreferencialmente de iluminação. O protótipo estásendo construído para uma potência de saída de 1kVA. Essa potência poderá alimentar em torno de 30lâmpadas fluorescentes compactas de 20 W.

IMPLANTAÇÃO DO PROTÓTIPO NACOMUNIDADE SELECIONADA: TESTES

E DESEMPENHO

Nesta etapa, já implantado o protótipo nacomunidade, será feito o acompanhamento dofuncionamento do sistema de acordo com asespecificações do projeto. Dadas as condições locaisde pessoal qualificado e disponibilidade de peças eserviços de manutenção, todo o equipamento estásendo construído para operar de forma automatizada,havendo apenas a necessidade de abastecimento docombustível. O sistema de aquisição de dados,computadorizado, deverá enviar os dados à UFMT eà UNICAMP por via telefônica (celular).

RESULTADOS ESPERADOS

Com a operação efetiva do sistema nacomunidade espera-se obter dados em condiçõesreais de seu uso em regiões isoladas, permitindo seconhecer os problemas e os custos desta aplicação,bem como se verificar as possibilidades de suaextensão a outras comunidades das regiões Norte eCentro-Oeste. A base para comparação inicial dacompetitividade econômica do sistema será oscustos dos projetos de atendimento com o uso depainéis fotovoltaicos, nos moldes que vêm sendoimplantados pelo Programa PRODEEN. Apesar doscustos ainda elevados das células a combustível,espera-se desenvolver uma alternativa maiscompetitiva ao uso dos painéis fotovoltaicos, cujatecnologia é praticamente toda ela importada.

Evidentemente que estes resultados tambémpermitirão se obter informações importantes para ouso desta tecnologia em sistemas de geraçãodistribuída, junto aos sistemas interligados à redeonde, entretanto, os aspectos econômicos aindamanterão a competitividade das células acombustível abaixo dos sistemas tradicionais(motores-geradores e turbinas).

Por último, espera-se criar nichos demercado para o uso das células a combustível nageração de energia elétrica, sendo que o atendimentodestes nichos acabará por reduzir os custos destesequipamentos, abrindo novos nichos e ampliando acompetitividade econômica desta tecnologia, cujosbenefícios em termos de eficiência energética eimpactos ambientais justificam os investimentos e osincentivos iniciais necessários.

PALAVRAS-CHAVE

Reforma etanol, célula a combustível,geração de energia elétrica, comunidades isoladas.

REFERÊNCIAS

[1] ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico.Referência disponível na internet:www.ons.org.br

[2] APPLEBY, A. J. et al. Conversion of hydrogenin fuel cells. Wendt, H. ElectrochemicalHydrogen Technology Amsterdam: ElsevierScience Publishers B.V., 1990. 512 p.

[3] SEPLAN/MT - Secretaria de Estado dePlanejamento e Coordenação Geral (1995).Regionalização Administrativa para finsde Planejamento. Cuiabá/MT, 1995.

[4] SILVA, E. P.; CAVALIERO, C. K. N. (2001)Regulação Energética e Meio Ambiente:Propostas para a Região AmazônicaIsolada. Campinas: NIPE/UNICAMP, 2001.193 p.

[5] FISHTIK, I, ALEXANDER A., DATTA, R.,GEANA, D. (2000). “A thermodynamicanalysis of hydrogen production by steamreforming of ethanol via responsereactions”. International Journal of HydrogenEnergy 25, p. 31-45.

[6] GARCÍA, E. Y., LABORDE, M. A. (1991)“Hydrogen production by the steamreforming of ethanol: thermodynamicanalysis”. International Journal HydrogenEnergy 16, n° 5, p. 307-312.

[7] SILVA, E. P., CAMARGO, J. C., CAROLINO,I. R. A reforma do etanol e sua aplicaçãoem células a combustível. IX CongressoBrasileiro de Energia. Vol 1. p.

[8] CEMAT- Centrais Elétricas Matogrossenses(1997). Relatório Técnico 004/DVES.Cuiabá/MT, 1997

[9] NEWMAN, S. A.; Acid and Sour Gas TreatingProcesses, 1985