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Clulas Combustveis a Alumnio: uma reavaliao oportuna para o
planejamento energtico brasileiro
Francisco Carlos C. Schwab [email protected]
Faculdade de Engenharia da AEDB, Resende-RJ, Brasil
RESUMO Mais de 70% do potencial hidroeltrico do Brasil sua
principal riqueza energtica encontra-se em regies distantes dos
grandes centros consumidores, que por sua vez j utilizam todo o
potencial localmente disponvel. Para assegurar o abastecimento e
atender a demanda adicional para crescer, ser necessrio aproveitar
o potencial remanescente. As clulas combustveis, em especial as que
utilizam Alumnio, podem ser uma forma de armazenar, transportar e
aproveitar esta energia. Em funo disso, seriam uma boa alternativa
para substituir o petrleo atualmente consumido no sistema de
transportes, com menos impacto ambiental e mais eficincia. O
objetivo deste artigo revisitar alguns pontos bsicos sobre esta
tecnologia e situa-la no contexto brasileiro, como contribuio
inicial para uma reavaliao e possvel retomada em sua pesquisa e
desenvolvimento no pas. Palavras-Chave: Energia renovvel. Clulas
combustveis. Alumnio. Energia para veculos.
1. INTRODUO O aproveitamento das potencialidades do alumnio como
fonte de energia em clulas
combustveis tem sido alvo de muitas pesquisas e desenvolvimento
de prottipos desde os anos 60. Apezar de suas vantagens, alguns
problemas tecnolgicos ainda parecem persistir, levando a que novos
tipos de clulas combustveis, de desenvolvimento mais recente,
ganhem preferncia nas pesquisas internacionais.
Entretanto, se levarmos em conta algumas caractersticas
especficas do Brasil, justifica-se uma reavaliao desta tecnologia,
para utilizar o alumnio como armazenador e portador de energia
renovvel. Poderia ser uma alternativa estratgica interessante para
o planejamento energtico nacional, considerando os seguintes pontos
principais:
O maior potencial atual de energia limpa e renovvel encontra-se
muito distante dos grandes centros consumidores, necessitando
normalmente extensas linhas de transmisso que oneram o
empreendimento e aumentam a insegurana do sistema;
Na regio deste potencial energtico existem vastas minas de
bauxita, minrio que justamente requer grande suprimento de energia
eltrica para ser transformado em alumnio, metal considerado como
energia condensada;
Parte deste alumnio poderia ser usada como portador de energia,
se utilizado em clulas combustveis, e capaz de devolver sua energia
atravs de reao qumica, mantendo-a armazenada para ser usada quando,
onde e na quantidade necessria;
Estas clulas poderiam ser excelente alternativa para substituir
parte do petrleo consumido no sistema de transportes do pas, com
menos impactos e muito mais eficincia, particularmente para o
transporte de cargas e transporte coletivo;
fundamental identificar e explorar as alternativas que
interessam ao pas, mesmo em casos onde no tenha havido atratividade
suficiente para os pesquisadores de outros pases.
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Neste momento de transio, pelo qual est passando a conjuntura
energtica mundial, pode existir uma janela de oportunidade
insuspeitada, capaz de nos trazer perspectivas similares s do lcool
combustvel.
A concluso deste artigo sugerir como pertinente uma reavaliao
cientfica, tcnica e econmica mais detalhada das Clulas combustveis
a Alumnio, considerando que podero se mostrar uma boa alternativa
para aproveitamento das oportunidades e vantagens do contexto, no
caso especfico do Brasil.
2. UM MUNDO EM TRANSIO: SEUS DESAFIOS E RISCOS Todas as
evidncias indicam que o mundo j est passando por uma grande
transformao na rea de energia. Trata-se de um grande impacto,
pois energia como se fosse o sangue que circula nas veias da
civilizao atual, acarretando mudanas que devero se definir ao longo
das prximas duas dcadas. Isto dever ocorrer no s por problemas como
o crescente custo do petrleo, ou pelas restries quanto poluio e os
impactos ambientais, mas principalmente pela disponibilizao de
novas tecnologias. O momento atual reflete a grande tenso desta
transio: h um formidvel esforo de pesquisa e desenvolvimento de
inmeras possibilidades, com inovaes surgindo a cada dia. Ao
acompanhar as notcias do setor observa-se como as tecnologias se
alternam na crista da onda, to logo as novidades so divulgadas.
Devido ao ritmo de crescimento populacional combinado ao
desenvolvimento econmico, a demanda por energia at 2015 j dever ter
crescido 50%, num perodo de apenas 10 anos (SIQUEIRA, 2004). A
incorporao de grandes contingentes de populaes sociedade de consumo
como o caso da China e da ndia trar uma presso ainda maior sobre as
demandas energticas e ambientais. Ainda estaro disponveis grandes
reservas de petrleo e carvo: os principais combustveis da nossa
poca. Em funo disso, provvel que os combustveis fsseis ainda
continuem como fonte principal nas prximas dcadas, se bem que com
predomnio cada vez maior do gs natural, mais limpo. Teremos tambm
um perodo com grande participao das chamadas tecnologias de
transio, como o caso dos veculos hbridos que j comearam a ser
comercializados. Entretanto, j se prev o crescente predomnio das
clulas combustveis, medida que as tecnologias forem evoluindo e se
tornando mais competitivas.
As clulas combustveis representam a tecnologia mais promissora a
longo prazo, constituindo-se numa alternativa muito eficiente,
flexvel, limpa, e com impacto ambiental extremamente reduzido.
Alguns tipos de clulas j se encontram bastante desenvolvidos, com
modelos comerciais j em operao, enquanto que outros tipos como
Alumnio/Ar (Al/Ar) ainda carecem aperfeioamentos em busca da
competitividade. Segundo um relevante estudo de Lenssen (1996: 779)
a clula combustvel poder um dia ser considerada o chip de silcio da
economia do hidrognio, prevendo-se que esta nova era estar
consolidada ao final do sculo XXI, quando captaes de energias
elicas e solares devero prover 90% do consumo mundial, gerando
eletricidade e produzindo o portador de energia considerado ideal:
o hidrognio.
Nesta conjuntura de desafios e riscos, percebe-se uma
oportunidade: que as Clulas combustveis a Alumnio podero se mostrar
uma boa alternativa como tecnologia de transio, dentro do contexto
nacional.
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3. CLULAS COMBUSTVEIS: UM PANORAMA DE REFERNCIA O nome clula
combustvel j consagrado em nosso pas, mas no
conceitualmente correto, pois se trata de uma traduo deturpada
ou simplificada do termo fuel cell, que quer dizer clula a
combustvel. Este nome reflete o seu modo de funcionamento, pois um
dispositivo que produz energia eltrica atravs de um processo
eletroqumico, a partir de um combustvel que vai sendo alimentado
numa clula. O nome faz distino em relao s pilhas e baterias, pois
estas precisam ser substitudas, recondicionadas ou recarregadas
quando gastam toda a sua carga.
importante observar que as clulas combustveis se tornaram muito
atraentes porque, at agora, as baterias no se mostraram capazes de
atender adequadamente aos crescentes e variados requisitos para
armazenagem e transporte de energia eltrica. As principais fontes
alternativas de energia renovvel e limpa tm como produto a gerao de
eletricidade, que uma forma de energia com limitaes tcnicas para
distribuio e armazenamento. Estes so justamente dois pontos fortes
dos combustveis fsseis, principalmente no caso do petrleo e seus
derivados: so mais facilmente transportados, armazenados,
distribudos e utilizados. As clulas combustveis resolvem estes
problemas e ainda trazem diversas vantagens, cujas principais
podemos resumir como sendo:
Alta eficincia no aproveitamento do combustvel, pelo menos o
dobro da eficincia energtica dos motores de combusto interna
(MCI);
Constituem uma tecnologia bem mais limpa, com baixo impacto
ambiental;
Operam com componentes quase exclusivamente eletro-eletrnicos,
sem peas mveis, livre de atritos e desgastes, com alta
confiabilidade e durabilidade;
Geram energia na medida das necessidades, de maneira distribuda
junto aos pontos de consumo, independentes dos grandes sistemas de
distribuio;
Podem utilizar uma grande variedade de combustveis, desde os
tradicionais como gs natural, at os renovveis como o nosso etanol
da cana-de-acar.
A primeira clula combustvel foi demonstrada por Sir William
Grove em 1843, de princpio similar s clulas de cido fosfrico
atuais. A idia em si no nova, porm ficou sem viabilidade prtica de
aproveitamento, devido a dificuldades de materiais adequados e
tecnologias de suporte. Alm disso, levou desvantagem frente a
outras tecnologias mais viveis e accessveis. S recentemente, a
partir da dcada de 70, comearam a serem usadas como fontes de
energia, a partir das misses espaciais da NASA, que adotaram o tipo
Alcalino, utilizando hidrognio para gerar energia eltrica e
liberando vapor dgua que tambm era aproveitado.
Desde ento muitos avanos foram feitos com o lanamento de modelos
comerciais de clulas, principalmente do tipo membranas de troca
usando diretamente hidrognio ou outros combustveis capazes de
desempenho similar. Entretanto, at o momento, nenhum tipo de clula
nem novo combustvel podem ser considerados tecnologia madura. A
humanidade se encontra, efetivamente, numa era de transio, premida
pela necessidade de buscar alternativas para a sua principal base
energtica: o petrleo.
Os pontos cruciais para viabilizao das clulas combustveis a
hidrognio so: (i) custo elevado e vida til restrita, que precisa
ser aumentada pelo menos 5 vezes para viabiliz-las; (ii) com as
tecnologias atuais, se gasta 60% mais energia para produzir
hidrognio do que se obtm ao utiliz-lo nas clulas; (iii) a
eletricidade gerada por estas clulas nos veculos cara demais, sendo
necessrio reduzir em 10 vezes este custo para tornar o seu uso
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economicamente vivel. Isto para no falar em outras dificuldades,
como infra-estrutura de abastecimento, atingir produo em grande
escala, etc.
O setor de transporte um dos que apresentam maiores desafios e
tambm grandes oportunidades para novas tecnologias, com diversos
modelos de clulas em estgio pr-comercial. Sabe-se que os veculos (e
os meios de transporte em geral) so os maiores consumidores de
combustveis de petrleo e constituem grande fonte de emisso de gs
carbnico, principal causador do aumento do efeito estufa.
Um desdobramento da atual fase de transio so os veculos chamados
hbridos, ou seja, que apresentam uma combinao de diferentes
tecnologias e/ou formas de energia, em busca de maior eficincia
energtica. Estes veculos hbridos so dotados de frenagem eltrica
regenerativa, para recuperar parte da energia motriz original e
armazen-la nas baterias para reutilizao, atingindo assim uma alta
eficincia global. Segundo um estudo do MIT, os veculos hbridos esto
desenvolvendo uma supremacia que dever perdurar at o ano 2020, ver:
http://lfee.mit.edu/features/hydrogen.vehicles . Um exemplo prximo
de ns o nibus brasileiro da Eletra, com motorizao diesel-eltrica e
baterias, em circulao experimental na linha Centro-Barra da Tijuca,
no Rio de Janeiro. Nos Estados Unidos, o primeiro hbrido vendido em
massa foi o automvel Honda Insight lanado em dezembro de 1999, com
motorizao gasolina/eletricidade, que atinge 30Km/litro. Outro
exemplo atual o automvel hbrido Prius da Toyota, eleito o carro do
ano nos Estados Unidos em 2004, cuja produo j atinge 30.000
veculos/ms e mesmo assim estava com fila de espera de 6 meses.
Entretanto, h inmeras outras tecnologias em gestao e testes,
competindo pela supremacia, muitas tentando substituir o motor de
combusto interna por clula combustvel. Como por exemplo o Quark,
carro-conceito apresentado pela Peugeot no Salo de Paris em 2004,
com clula que utiliza hidrognio comprimido e baterias de
nquel-hidreto metlico. Estas informaes podem ser acessadas em
www.portalve.com.br bem como tambm em
www.babez.de/peugeot/quark.php .
A tecnologia ideal para veculos eltricos seria os chamados
puramente eltricos, ou seja, tipo plug-in que usam apenas motor
eltrico e baterias que so periodicamente ligadas em tomadas para
recarregar, que permitem maximizar a eficincia energtica. Uma
tentativa que atingiu escala comercial foi feita pela General
Motors-GM a partir de 1996, restrita Califrnia, para atender
exigncias de uma nova legislao local. Foram produzidas mais de
1.000 unidades do EV1 (electrical vehicle 1) e arrendadas mediante
contrato de leasing para usurios que se interessaram em participar
do teste. Os carros eram no poluentes, silenciosos, bom desempenho,
montagem mais simples e com poucas peas, manuteno fcil, e o custo
de energia mostrou-se compensador. Considerando o preo mdio atual
da energia eltrica e da gasolina, um carro eltrico teria custo de
combustvel 2,6 vezes mais barato. Entretanto, as baterias eram um
problema e continuam a ser ainda hoje. No caso do EV1 pesavam
750Kg, dobrando o peso total do carro, e mesmo assim s conseguiam
reter energia suficiente para uma autonomia mxima de 145Km em
estradas. Aps alguns anos (3 a 4 anos) o conjunto de baterias tinha
que ser substitudo, gerando uma despesa to elevada que tornaria o
custo do ciclo de vida maior do que o dos carros com motor de
combusto interna(MCI). A partir de 2002 a GM resolveu encerrar o
teste, rompeu os contratos e recolheu todos os carros, que foram
sucatados at o final de 2004. Houve forte reao por parte do pblico,
questionando a deciso e tentando reverter a situao, acusando que o
teste fora positivo mas que diminuiria os lucros da GM. Esta por
sua vez, alegou que havia poucos clientes e que aquela tecnologia
no tinha futuro. Isto deu origem a um polmico documentrio
intitulado Quem matou o carro eltrico, atualmente disponvel em
locadoras de vdeo, ver http://www.pluginamerica.com/wktec.shtml ou
www.imagemfilmes.com.br , ver trailer em
http://www.pbs.org/now/shows/223/index.html#here .
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Uma novidade surpreendente foi o lanamento pela GM de seu novo
veculo eltrico, o carro-conceito Volt E-flex Electric Hybrid,
realizado em Janeiro de 2007: Trata-se de um hbrido convencional,
porm dotado de baterias com grande capacidade, possibilitando
reabastec-lo tambm como um plug-in. Divulgaram que este
carro-conceito dever ser comercializado em breve, assim que
terminarem o desenvolvimento de uma nova bateria. Interessante ver
o vdeo onde so mostradas as caractersticas deste veculo, disponvel
em http://www.evworld.com/article.cfm?storyid=1166 , ver tambm
www.chevy-volt.net .
O presidente da GM, Bob Lutz, apresenta o veculo eltrico
Chevrolet Volt na abertura do North American International Auto
Show, em Detroit.
At recentemente as clulas do tipo Metal/Ar no eram consideradas
uma fonte vivel de energia, porm grandes progressos tem sido
alcanados. Neste caso o processo se baseia em aproveitar eltrons
liberados na reao de oxidao do metal com oxignio do ar, para gerar
energia eltrica. Para alguns, estas clulas devem ser consideradas,
mais propriamente, como baterias, sendo que outros as consideram
semiclulas. O fato que o anodo metlico consumido ao longo da produo
de energia: gera resduos que precisam ser removidos e deve ser
substitudo periodicamente, ou seja, no se trata de apenas
reabastecer combustvel. Estas MAFC (Metal Air Fuel Cell) tambm no
operam em circuito inverso, recebendo eletricidade para acumular
energia, como seria ideal para recuperar a energia inercial na
frenagem. Porm apresentam algumas vantagens atrativas e j tem seus
nichos de mercado. interessante analisar os resultados das MAFC
porque as clulas Alumnio/Ar so deste tipo, basicamente com as
mesmas dificuldades e barreiras. Dentre as MAFC, as que tem tido
mais sucesso comercial so as de Zinco, como, por exemplo, no
automvel apresentado pela eVionyx em parceria com o governo da
Malsia, dotado de clula MAFC de Zinco e baterias Nquel-Zinco, cujo
modelo de demonstrao apresentou desempenho recorde: 1.000 Km num
nico percurso, sem reabastecer nem recarregar, com impacto
ambiental mnimo. Ver: www.inventqjaya.com . Outro exemplo de
sucesso com clula Zinco/Ar tem sido as demonstraes do nibus
totalmente eltrico realizadas em conjunto pelo fabricante do
sistema de propulso, a empresa israelense Electric Fuel Co., e a
Agencia Federal de Transportes (FTA) dos Estados Unidos. Os
primeiros testes foram em 1998 e em Janeiro de 2004 o prottipo foi
aprovado para a ltima fase de benchmarking com os concorrentes
restantes, que deve terminar este ano. Estas clulas Zinco/Ar se
mostraram atrativas, mesmo tendo necessidade de serem retiradas
do
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veculo, e encaminhadas para serem recondicionadas aps cada
ciclo, num processo bem mais trabalhoso do que simplesmente encher
um tanque com combustvel.
nibus eltrico com clula Zinco/Ar, em operao experimental no
Arizona, EEUU, 2004. Ver Relatorio dos testes - fase III
www.electric-fuel.com/evpro/Phase3.pdf
O sistema fornece energia para um motor eltrico de 200hp com
bons indicadores de desempenho, similares aos obtidos de clulas
Alumnio/Ar j testadas, o que um bom sinal. 4. PORQUE CLULAS
COMBUSTVEIS A ALUMNIO?
H um interesse estratgico especial para o Brasil: o pas possui
um grande potencial hidroeltrico ainda sem utilizao, justamente nas
proximidades de vastas reservas de bauxita de boa qualidade, alm de
dominar o processamento e ser um dos maiores produtores mundiais de
alumnio.
O alumnio rene pelo menos trs caractersticas bsicas que o tornam
muito atrativo: (i) uma das espcies qumicas mais abundantes e tem
grande produo em muitas partes do mundo, (ii) seu preo
relativamente mais baixo do que outras alternativas, (iii) tem a
mais alta capacidade de estocagem de energia por unidade de
peso.
As clulas a Alumnio foram das primeiras a serem pesquisadas e
muito conhecimento foi sedimentado. J em 1960 Salomon Zaromb,
trabalhando para a Philco Company - USA, fabricou o primeiro
prottipo deste tipo de clula. Em 1992 a empresa Alupower,
subsidiria da Alcan no Canad (fabricante de alumnio) iniciou o
desenvolvimento de um veculo eltrico com apoio da UQM(www.uqm.com).
O Eng Steve Lapp coordenou a converso de um Dodge Caravan para
motorizao eltrica, acionado por clula Alumnio/Ar e baterias, que
rodou 300Km. O principal problema foi a rpida degradao da membrana
de troca, uma tecnologia que ento estava comeando. A tecnologia
tambm exigia uma liga de alumnio de alta pureza, de custo elevado.
Este projeto foi descontinuado em 1994 quando a subsidiria foi
vendida para a EnerTek.
Os diversos experimentos realizados mostraram algumas
dificuldades, que parecem no ter sido satisfatoriamente resolvidas.
Como conseqncia, as aplicaes prticas e modelos comerciais tem sido
escassos, podendo-se considerar que o nico segmento onde as
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clulas Al/Ar se consolidaram so como fonte de energia para
emergncia ou reserva, em centrais telefnicas e instalaes similares,
bem como aplicaes militares e de campo que exijam alta densidade de
corrente eltrica.
Entretanto, o potencial e atratividade das clulas Al/Ar to
grande que sua pesquisa nunca foi totalmente abandonada, e novos
avanos tem sido constantemente registrados, apesar da forte
concorrncia de outras tecnologias.
4.1 CARACTERSTICAS DAS CLULAS A ALUMNIO Clulas Al/Ar no tem
emisses gasosas, no desprendem vapor dgua como no caso
do uso do Hidrognio: o resduo no tem impacto ambiental
significativo e pode ser reciclado. Estudos indicam que sua
eficincia energtica global atinge cerca de 20% com a reciclagem do
xido de alumnio gerado, contra 13% dos motores de combusto interna
(MCI). um ndice que pode ser superado por alguns outros tipos de
clulas, mas bem superior aos motores a exploso e combustveis fsseis
atuais, tomando como referncia a eficincia global no ciclo de vida.
Comparado com outros portadores de energia como gasolina, gs
natural ou hidrognio, o alumnio tem enormes vantagens como baixo
peso, combinado com alta capacidade de armazenar energia,
estabilidade numa faixa ampla de temperaturas. Como no voltil, nem
explosivo, no requer tanques nem transporte especial, pode ser
armazenado sem nenhuma instalao ou dispositivo de segurana. Este ,
atualmente, um dos pontos crticos no desenvolvimento de tecnologia
para uso do Hidrognio: ainda no h uma soluo efetivamente
satisfatria para estes aspectos.
Esquema e funcionamento de uma Clula Combustvel a Alumnio:
Esquema bsico de uma clula Alumnio/Ar: Fonte:
http://129.93.84.115/Chemistry/DoChem/DoChem117.html
Componentes de uma clula Alumnio/Ar:
Anodo constituido por placa de alumnio (Alluminum Aloy) Catodo
poroso ao Oxignio do Ar (Air Cathode) Eletrlito lquido, neste caso
soluo aquosa de cloreto de sdio (Salt water) Carga eltrica
produzida entre os polos (Load)
Cada quilo de alumnio consome 14kWh para ser produzido, na sua
fabricao original a partir do xido de alumnio, e parte desta
energia pode ser devolvida numa clula Al/Ar, numa reao qumica
inversa. Para isso, a capa de xido que existe normalmente sobre a
superfcie do alumnio metlico precisa ser rompida, de modo que uma
reao de oxidao se processe continuamente, e este o papel do
eletrlito, sendo o mais comumente usado uma soluo de hidrxido de
potssio.
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A reao qumica completa produz uma voltagem bastante elevada:
Reaes parciais Voltagem Anodo Al + 4 OH-> Al(OH)4- + 3e -2.35
Catod
o 3/4 O2 + 3/2 H2O + 3e> 3OH
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0.40
Global Al + 3/2 HO + 3/4 O2 > Al(OH)3 2.75 V Reaes qumicas e
produo de energia numa Clula Al/Ar
Fonte: http://www.powerstream.com acessado.em 07Jan2007
4.2 DESAFIOS TECNOLGICOS
geralmente mais fcil levantar as descobertas e conquistas dos
pesquisadores do que seus fracassos e frustraes, pois isto no
costuma ser to divulgado. No diferente no caso da clula
Alumnio/Ar.
H vrias dificuldades, tpicas do processo em si, que j foram ou
esto sendo superadas. A primeira o controle da reao, pois assim que
o Al colocado em contato com o eletrlito a reao comea, tornando a
armazenagem destas clulas complicada e exigindo que anodo e
eletrlito sejam separados.
O controle da reao de oxidao, de modo a modular o fluxo de
energia outro desafio que j recebeu inmeras propostas de soluo. No
caso das clulas que usam combustveis lquidos ou gasosos isto
simples, bastando controlar o fluxo do combustvel. Mas no caso
Al/Ar o anodo slido e mesmo as tentativas de pulveriz-lo no foram
bem sucedidas. Uma possvel soluo o controle do acesso do oxignio,
patenteada pela eVionyx.
A acumulao de uma gelia pelo hidrxido de alumnio formado outro
problema, pois se deposita na superfcie do anodo bloqueando a reao,
absorve lquido do eletrlito e obstrui a clula exigindo uma limpeza
peridica. A soluo mais comum prover um sistema de recirculao do
eletrlito e uma caixa separadora. Este um problema que a
Europositron alega ter resolvido satisfatoriamente.
A troca do anodo de alumnio gera diversas dificuldades, para
garantir a vedao sem criar obstculos operao normal da clula. A
Alupower tem patente de um sistema com cartucho que parece bem
prtico, pois torna a recarga mais simples sem requerer troca da
clula.
Finalmente, segundo informao ao autor, dada pelo Dr. Harry
Knickle da Universidade de Rhode Island, que fez avaliaes em
prottipos destas clulas, uma das maiores dificuldades que a reao
produz eltrons mas tambm desprende hidrognio como reao secundria,
dependo das condies de operao. Segundo ele, bastante problemtico
controlar esta reao secundria.
Uma verdadeira revoluo est em andamento na rea energtica,
estrategicamente fundamental para a moderna sociedade tecnolgica.
Muitas novas tecnologias disputam a
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supremacia em diferentes aplicaes e nichos de mercado. As clulas
combustveis do tipo Alumnio/Ar so uma possibilidade real e j
encontram diversas aplicaes comerciais.
4.3 PERSPECTIVAS PARA AS CLULAS A ALUMINIO Alm da clula Al/Ar,
diversas outras possibilidades tem sido testadas, algumas j
com relativo sucesso, como: Al/perxido de hidrognio para veculos
e equipamentos submarinos; Al/permanganato, entre outras. Tambm
diversas combinaes de ligas de Alumnio e adies no eletrlito tem
sido experimentadas, principalmente para controlar a taxa da reao e
a formao de gelia do resultante hidrxido de alumnio. Dentre as
novidades recentes e possibilidades que merecem ateno podemos
destacar:
Nova patente da Europositron Submetida em Jul/2004 pelo finlands
Rainer Partanen, constitui uma novidade
importante em funo da performance indicada pelo prottipo, porm
ainda dever ser desenvolvido um modelo para demonstrao. Trata-se de
uma nova bateria, que pode ser recarregada cerca de 3.000 ciclos,
utilizando eletroqumica com base em nanotecnologia, com as
seguintes caractersticas: densidade de energia 2100 Wh/litro ou
1330 Wh/Kg, opera bem entre 40C e +70C, vida esperada at 30
anos.
Para exemplificar suas vantagens, estima-se que um veculo
eltrico como o EV1 da General Motors poderia usar uma bateria de
60Kg ou 40 litros com capacidade de 80kWh, suficiente para uma
autonomia mdia de 780Km entre recargas. Entretanto, com as baterias
usadas pela GM, o peso do carro aumenta de 816 para 1550Kg, com
autonomia limitada a 145Km trafegando em estradas. Ver
www.europositron.com acessado em 06/01/2005.
Clulas para aplicaes navais Num primeiro fornecimento para a
marinha canadense em 1992, a clula Al/Ar da
Alupower mostrou desempenho equivalente ao da clula a metanol da
Ballard, ambas usando oxignio lquido no catodo, porm depois outras
possibilidades foram preferidas. Mais recentemente, em Agosto de
2004 a eVionyx ganhou duas etapas seguidas de uma concorrncia para
a marinha americana desenvolvendo uma clula Al/Ar com energia
especfica de 500Wh/Kg e altas densidades de corrente. um grande
mercado potencial.
Aplicaes em veculos Um artigo muito esclarecedor resume as
pesquisas de YANG e KNICKLE. Design
and analysis of aluminum/air battery system for electric
vehicles (Projeto e anlise de clulas Al/Ar para veculos eltricos).
apresentada uma avaliao do desempenho, descrio de todo o processo
de produo de alumnio e uma avaliao global de custos, considerando
todo o ciclo, com o reaproveitamento dos resduos das clulas. Neste
artigo foram relatados seu desempenho e as vantagens comparativas
com outros tipos de baterias.
Durante a dcada de 90 houve uma grande busca por uma bateria que
permitisse as montadoras oferecer um carro eltrico com desempenho e
atratividade similar aos veculos tradicionais de motor a combusto
interna, porm aparentemente sem sucesso. A grande novidade recente
foi desenvolvida no MIT com base em tecnologia de nanofosfatos, que
deu origem a empresa A123Systems para fabricar novas baterias do
tipo ltio-ion de alta capacidade e baixo peso. A General Motors est
contando com estas baterias para seu novo veculo VOLT e planeja
realizar os primeiros testes no incio de 2008, prevendo a
comercializao do veculo at 2010. Ver www.A123Systems.com
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Entretanto, o custo e questes de segurana ainda so obstculos
para baterias tipo ltio-ion. Por isso, outras montadoras ainda esto
preferindo baterias tipo Nquel Hidreto, que tem custo menor, porm
so mais volumosas e mais pesadas para uma capacidade de acumulao de
energia equivalente. A poderia haver uma grande oportunidade para
baterias a alumnio, algo que vale a pena ser verificado em
profundidade, pelo interesse que representa para o nosso pas, como
ser mostrado no item 5 abaixo.
Baterias para equipamentos fixos e portteis
Para equipamentos fixos, como baterias de emergncia ou de
reserva j se usa clulas Al/Ar, consagradas como uma boa
alternativa, com modelos comerciais disponveis, tais como os
oferecidos pela Alupower, Fuel Cell Technologies, Yardley e outras.
Tambm so a melhor alternativa para equipamentos portteis especiais
que exigem alta densidade de corrente eltrica, como em aplicaes
militares e outras.
Bateria comercial Al/Ar de alta capacidade, ver
http://www.yardney.com/alu_power/index.html
Entretanto, h ainda um grande potencial de aplicaes para clulas
Al/Ar em baterias para portteis, como computadores, telefones
celulares e inmeros outros equipamentos similares, como mostraram
prottipos como da Alupower, patenteado em Maro de 2002.
Teoricamente, as baterias Al/ar so consideradas ideais para
portabilidade, pois sua energia especfica terica alcana 8100 Wh/Kg,
ou seja, muita energia em pouco peso.
A constituio esquemtica de uma bateria Alumnio/Ar a
seguinte:
Fonte: http://www.ectechnic.co.uk/alumair.html
Recentemente este mercado vem sendo dominado pelas baterias de
Ltio-ion, que tiveram um grande desenvolvimento. Entretanto, estas
baterias geram um calor considervel durante sua operao e h vrios
casos de problemas com exploses e incndio em computadores portteis,
telefones celulares e outros eletrnicos portteis, lanando uma
grande dvida quanto a sua segurana. Elas so muito sensveis tanto ao
carregamento rpido quanto demanda por descargas fortes de energia
em curtos espaos de tempo.
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O consumo global de baterias representou US$ 48 bilhes em 2003,
incluindo 110 milhes de baterias chumbo-cido para reposio em cerca
de 80% dos veculos existentes. Este mercado dever atingir 65 bilhes
at 2008 e, com o crescimento acelerado dos veculos eltricos,
tornou-se vido de novas solues.
As fortes demandas do mercado e os desenvolvimentos de pesquisas
recentes determinaro, nos prximos poucos anos, o futuro das clulas
Al/Ar. H reais possibilidades de que se consolidem pelo menos como
a melhor alternativa para algumas aplicaes especficas, podendo
representar um papel auxiliar na transio para a Economia do
Hidrognio.
5 . OPORTUNIDADES NO CONTEXTO ENERGTICO BRASILEIRO A proposio
deste artigo, a ser avaliada em mais detalhe, estudar o
aproveitamento
do alumnio como portador de energia para auxiliar no
aproveitamento do potencial brasileiro ainda no utilizado, que se
concentra na Amaznia e Centro-oeste. A distribuio atual a
seguinte:
Fonte: CEPEL, Nov. 2004.
At o momento, apenas cerca de 28% do potencial eletrohidrulico
brasileiro foi aproveitado, e encontra-se praticamente esgotado nas
regies Sul e Sudeste, justamente as mais desenvolvidas e
demandadoras de energia. O aproveitamento de, pelo menos, parte do
potencial restante, se feito em grande escala, no teria
justificativa econmica face aos consumos tradicionais,
principalmente das regies circunvizinhas. Entretanto, poderia ser
utilizado como energia para o sistema de transporte do pas, atravs
de um portador como o alumnio e veculos eltricos, sem necessidade
de grandes e custosas linhas de transmisso e distribuio.
Estas extensas linhas de transmisso so um aspecto relevante para
o aproveitamento da hidroeletricidade a grandes distncias. A
confiabilidade e qualidade do suprimento de energia so hoje fatores
essenciais para grande parte dos consumidores. A medida que a
distncia aumenta, passando por regies nas mais diversas condies,
perde-se bastante nestes dois fatores. Tambm grande o impacto ao
meio ambiente, nos ecosistemas por onde passam estas linhas,
aumentando com sua extenso e com as necessidades de duplicao e vias
de acesso para manuteno. Alm disso, h que considerar as perdas de
energia por efeito Joule,
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que so proporcionais ao comprimento do condutor. Para avaliar as
implicaes deste efeito basta lembrar toda a tecnologia que precisou
ser desenvolvida quando da construo da hidroeltrica de Itaip e que
foi considerada como tendo alcanado o limite de viabilidade
tcnico-econmica.
Em relao ao alumnio, por coincidncia, j existem grandes minas de
bauxita de tima qualidade na regio, minrio que poderia ser usado
para produo de alumnio (eletrometalurgia). o que a Albrs
(Barcarena-PA) e Alumar (S. Luis-MA) j esto fazendo, e com grandes
ampliaes de capacidade produtiva, colocando-as entre as maiores
operaes integradas (do minrio ao metal) a nvel mundial.
Projetos de novas hidroeltricas, como Belo Monte p.ex., tm
estimativa de custo de produo da ordem de US$0,012/kW, um dos mais
baixos do mundo, o que aumenta a atratividade de novos
empreendimentos eletro-intensivos. A previso de que dever estar em
operao a partir de 2012. Entretanto, a necessidade de linhas de
transmisso onera muito os investimentos, causa perda de energia
considervel por efeito Joule e aumenta o impacto ambiental do
empreendimento.
Para dar idia da dimenso e das implicaes destas linhas de
transmisso basta observar uma representao grfica, mostrando a sua
localizao geogrfica e extenso:
Fonte: CEPEL, Nov. 2004.
Considerando toda esta conjuntura, h casos como o da Islndia,
que est desenvolvendo estudos e empreendimentos com a idia similar
de exportar energia, sendo a produo massia de alumnio a estratgia
principal, com a possibilidade de tambm usa-lo como portador de
energia (VAN PELT, 2004).
Para complementar, podemos afirmar que o Brasil j possui
atualmente base suficiente para realizar pesquisas nacionais
visando o desenvolvimento e melhorias em clulas combustveis. Uma
das reas de destaque tem sido a de Nanotecnologia, com
realizaes
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fundamentais para obteno de novos materiais, como para anodos,
catodos e principalmente membranas de troca, que constituem questes
chave para estas novas tecnologias. Recentemente os pesquisadores
do CNEN, Comisso Nacional de Energia Nuclear, anunciaram a produo
de uma membrana composta de nanoparticulas de carbono, adequada
para ser usada em clulas combustveis.
6. CONCLUSES Face ao exposto, consideramos justificado que se
promova um esforo de reavaliao
tcnica, cientfica e econmica para as Clulas Combustveis a
Alumnio, tendo em vista os interesses para o planejamento energtico
brasileiro e seu futuro aproveitamento.
Apesar de terem sido, historicamente, uma das primeiras a serem
pesquisadas, apresentaram algumas dificuldades tecnolgicas que
ainda no parecem totalmente superadas na prtica. Isto se deve,
segundo esta avaliao, ao fato de que os interesses em jogo
desviaram as foras impulsionadoras das pesquisas para outras
direes. Apesar disso, as clulas Al/Ar j se consolidaram como a
melhor alternativa em diversas aplicaes comerciais. Por outro lado,
seu grande potencial de benefcios continua mantendo a atratividade
para pesquisa e desenvolvimento deste tipo de clulas, fazendo com
que alguns inovaes recentes lancem novas possibilidades, que podero
vir a ser confirmadas e alcanar o mercado comercial em futuro
prximo.
O eventual aproveitamento desta oportunidade, neste momento
favorvel de transio de tecnologias, pode trazer uma nova
alternativa, pela utilizao do Alumnio como armazenador e portador
da energia hidroeltrica gerada em regies distantes do Brasil, de
modo a poder ser utilizada nos centros consumidores de maneira
racional, ambientalmente correta e energeticamente eficiente:
quando, onde e na quantidade necessria.
Finalmente, no podemos ficar esperando que outros pases, com
outros interesses e objetivos, desenvolvam tecnologias que possam
ser teis para o Brasil. Precisamos estar atentos para identificar e
tratar de desenvolver as tecnologias de interesse estratgico para o
pas, como pode ser o caso das Clulas Combustveis a Alumnio.
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