Células de combustível

28-05-2011 09:26

Na rota do hidrogénio

 

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As fuel cells conquistam mercados sucessivos, por serem uma forma segura, portátil e não poluente de gerar energia. As aplicações já vão desde os autocarros aos telemóveis, passando pelas infra-estruturas críticas. Maria Inês Campos, investigadora da Johnson Matthey, dá o seu ponto de vista pessoal sobre o sector e sobre o que virá a seguir.

Pense em 4.836.000.000 de euros.  Enquanto faz as contas ao que poderia fazer com este dinheiro, veja a que corresponde: aquecimento, iluminação, alimentação de aparelhos eléctricos, etc. Em comum: a rede eléctrica nacional. Some os transportes aos gastos, e acaba de descobrir o preço que Portugal pagou, em 2009, em petróleo bruto e refinados.

Com a vulgarização do conceito de “energia verde”, vamos recordando a nossa missão enquanto cidadãos: proteger, preservar e melhorar o ambiente para a geração actual e para as futuras, isto é promover um desenvolvimento sustentável. No dia-a-dia, ao separar o plástico do vidro, vamo-nos sentindo “verdes”, mas é o preço a pagar nas bombas de gasolina que nos lembra o preço dessa “sustentabilidade”.

Se, além de querermos manter o nosso estilo de vida, tivermos a legítima ambição de melhorá-lo, como acontece na China, na Índia ou em África, o problema agrava-se. Preocupado, o mundo tem procurado soluções para este dilema entre crescimento e sustentabilidade. Entre elas, avultam os equipamentos alternativos para conversão de energia, as chamadas “células de combustível” (ou, em inglês, fuel cells). Se o termo não lhe diz nada, talvez “carro a hidrogénio” ajude.

Energia insustentável

Na factura do preço do petróleo bruto e refinados, os já referidos 4,8 mil milhões de euros (cerca de três por cento do PIB a preços de mercado), considere apenas os produtos de petróleo. O gasóleo é decididamente o produto com maior peso, representando 32,9%; em segundo lugar, vêm a nafta e os produtos químicos derivados, com 11,4%; no terceiro lugar deste pódio, está o gás propano, com 8,1%. As gasolinas automóveis já refinadas ficam-se pelos 6,4%, mas em contrapartida ocupam o primeiro lugar na tabela de reexportação dos refinados petrolíferos, com 27%.

Sendo estes dados relativos a 2009, recorde os anos anteriores. Em 2007, a mesma factura custou aos portugueses 6,5 mil milhões de euros; com a subida dos preços dos produtos energéticos, ascendeu a 8 mil milhões no ano seguinte. A redução dos preços e as menores quantidades importadas (menos 10% de combustíveis) justificam a melhoria em 2009, mas estes valores confirmam a não-sustentabilidade da nossa sociedade. Portugal importa 83% da energia que consome, sendo sexto na dependência na Europa a 27 (os cinco mais dependentes são Chipre, Malta, o Luxemburgo, a Irlanda e a Itália).

Em Fevereiro, o presidente da Comissão Europeia, Durão Barroso, alertou para a importância da redução da factura energética da Europa, que é de cerca de 270 mil milhões de euros (petróleo bruto). Perante o dilema crescimento/sustentabilidade, ponderam-se estratégias, procuram-se soluções e a União Europeia surge como exemplo, promulgando medidas ambientais. Aprovada pelo Conselho Europeu em 2007, a política mais actual é conhecida por “20-20-20”: redução de 20% na emissão de gases de efeito de estufa, aumento de 20% nas energias renováveis e aumento de 20% na eficiência energética, metas a cumprir até 2020.

Portugal transpôs a medida e aprovou a Estratégia Nacional para a Energia para 2020 (ENE2020), na qual se lêem objectivos ambiciosos que incluem a redução da “dependência energética do País face ao exterior para 74% em 2020”, a consolidação das energias renováveis, a redução em “20 milhões de toneladas de emissões de CO2” e a criação de um equilíbrio tarifário que suporte o crescimento da utilização das energias renováveis (comparativamente às tarifas actuais da electricidade). Actualmente, Portugal é uma referência mundial no que diz respeito à energia eólica; no entanto, a ENE2020 fixa o compromisso para um “consumo de energia final de 31% a partir de fontes renováveis” e a sua diversificação no futuro.

Casas, aviões e energias renováveis

As energias renováveis são provenientes de recursos que se renovam naturalmente. O vento (energia eólica), o sol (energia solar), as marés (energia das ondas), a matéria orgânica (biomassa, biocombustível), o calor da Terra (geotermia) e o biogás (produzido em aterros ou na digestão anaeróbia de resíduos e efluentes) são alguns exemplos. A capacidade de cada uma destas fontes de energia em Portugal, bem como as metas a atingir, foram avaliadas pela ENE2020 e quantificadas em megawatts.

Para ter uma ideia do que significa um megawatt (MW), pense num Jumbo, o Boeing 747: o seu consumo médio em voo é de 140 MW. Quanto é isso? Podemos dizer que é o mesmo que um porta-aviões que carrega 85 aeronaves e é do tamanho de 3,5 campos de futebol. Continua difícil? O consumo doméstico médio é de cerca de 1,2 kW. Em voo, um Jumbo consome tanta energia como 120 mil casas.

De acordo com os dados da ENE2020, a energia eólica nacional tem uma potência instalada de 3500 MW (dados de 2009; em 2004, eram 537 MW) e prevê-se a adição de 2000 MW até 2012 (para 2020, estimam-se 8500 MW). Isto é, em 2020, a energia eólica produzida em Portugal poderia sustentar o voo de 60 Jumbos. Quanto à energia solar, fixou-se o objectivo de 1500 MW de potência instalada até 2020; retomando a bitola, dez Jumbos.

Quanto à costa portuguesa e ao seu elevado e ainda não aproveitado potencial para a energia das ondas, está numa fase de demonstração. A viabilização de uma zona piloto para testes pode contribuir para a ambição de ter 250 MW de potência instalada até 2020. A biomassa ficará pela implementação da capacidade já atribuída de 250 MW.

Na geotermia, para além da aposta da Região Autónoma dos Açores, quer fomentar-se a investigação e a avaliação do potencial de aplicação no território continental. Finalmente, quanto ao biogás e aos resíduos, será impulsionado o aproveitamento do potencial dos combustíveis derivados de resíduos, e prevê-se a promoção da produção de biocombustíveis na agricultura nacional.

No final da lista, e ainda não mencionada, vem a energia do hidrogénio; por outras palavras, as células de combustível. Diz a ENE2020 que é necessário avaliar o seu potencial energético de forma a viabilizar a sua utilização em larga escala e “promover soluções inovadoras no sector dos transportes”.

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Células de hidrogénio no espaço

A invenção da célula de combustível remonta a 1839 e é atribuída ao britânico William Grove, mas foi somente no final da década de 1950 que Francis T. Bacon desenvolveu um exemplar capaz de produzir 5 kW (uma potência equivalente a 50 lâmpadas de 100 watts). Uma década mais tarde, surgiriam as células de combustível de membrana trocadora de protões. Igualmente conhecidas como “células de combustível a hidrogénio”, foram desenvolvidas pela General Electric, e tornaram-se o primeiro modelo comercializado.

Na década de 1960, no decurso do programa espacial Gemini, a NASA chegou à conclusão de que a energia nuclear era demasiado perigosa para abastecer as naves, as baterias eram demasiado pesadas e a energia solar era demasiado instável. A solução foi recorrer a um sistema energeticamente eficiente (tem um rendimento de 70%), cujo produto da reacção era água potável utilizada para consumo pelos astronautas. Consta que o equipamento terá sido usado em mais de cem missões e somado 80 mil horas de voo.

O mercado das células de combustível estava, no entanto, limitado às missões espaciais, devido aos elevados custos inerentes. Foi somente no final da década de 1980 que o investimento da Ballard Power Systems (fundada em 1979) foi recompensado. O desenvolvimento e a optimização resultaram na promoção da célula de combustível como opção real numa vasta gama de aplicações.

Actualmente, a investigação e o desenvolvimento das células de combustível é avidamente realizada por entidades públicas e privadas, com o objectivo de alcançar soluções inovadoras cujo custo possa competir no mercado actual.

Coisas da química

Uma célula de combustível gera electricidade a partir de uma reacção química na qual oxigénio (21% do ar que respiramos) e um combustível (por exemplo, o hidrogénio) se combinam para formar água. O conceito parece simples; estará o leitor disposto a explorar os mistérios da química?

A reacção entre os dois gases, oxigénio e hidrogénio, diz-se quimicamente “não-espontânea”, ou seja, não é possível sem a presença de um catalisador. O que é um catalisador? É uma substância que acelera a reacção sem ser consumida. Os nossos reagentes, o oxigénio e o hidrogénio, são praticamente inertes à temperatura ambiente, mas reagem rapidamente quando expostos à platina, que é o catalisador. Como produto da reacção, obtêm-se água pura e calor.

A electricidade produzida por uma célula de combustível pode ser usada em diversas aplicações. Presentemente, a indústria das fuel cells está direccionada para a comercialização dos “carros a hidrogénio”. No entanto, as células de combustível estão a ser testadas e a alimentar autocarros, barcos, comboios, ­aviões, motas e até bicicletas. Há células de combustível em máquinas de venda automática, aspiradores e sinais rodoviários. Telemóveis, computadores portáteis ou pequenos aparelhos electrónicos alimentados por células de combustível em miniatura já invadiram o mercado. Hospitais, esquadras de polícia e bancos usam células de combustível para reduzir os custos energéticos e precaver eventuais falhas de electricidade, enquanto estações de tratamento de águas ou de lixo usam a mesma tecnologia para converter o gás metano (vinte vezes mais poluente do que o dióxido de carbono) e produzir electricidade. Resumindo, as aplicações são infinitas.

Estacionárias e portáteis

Neste momento, já há mais de 2500 sistemas de alimentação por células de combustível instalados em todo o mundo, em hospitais, enfermarias, hotéis, escritórios, escolas e centrais energéticas. Estes sistemas podem estar ligados à rede eléctrica, fornecer energia extra ou assegurar a electricidade em zonas críticas, ou podem ser instalados como geradores independentes em áreas de difícil acesso. A energia gerada pode atingir 40% de eficiência (combustível/electricidade), utilizando combustíveis de hidrocarbonados. Vantagens adicionais como poluição sonora reduzida (são sistemas silenciosos) e uma poluição do ar vestigial são vistas com agrado. Num edifício de larga escala, estes sistemas de cogeração energética podem reduzir os custos de electricidade entre 20 e 40%, e aumentar a eficiência energética em 85%.

Além das aplicações estacionárias, também já existem células de combustível portáteis, igualmente silenciosas e cujas emissões não perturbam a natureza ou o seu vizinho, caso goste de acampar. Nestes casos, o hidrogénio pode ser substituído por metanol, um álcool, dando origem a uma reacção diferente. Um exemplo é a célula com alimentação directa de metanol. A marca EFOY (http://www.efoy.com), pertencente à companhia alemã SFC Energy AG, celebrou em Janeiro a venda de 20 mil células de combustível, em áreas tão diversas como o lazer, a indústria e a defesa (são consideravelmente mais leves e mais duradoras do que as baterias convencionais).

Na área do lazer (caravanas, barcos, casas de férias, etc.), uma célula de combustível EFOY pode fornecer até 2160 watts-hora por dia de energia limpa e sem ruído, portátil e independente da temperatura exterior. Com um peso a rondar os sete quilos e um volume de metade de uma mala de cabina, os custos limitam-se aos cartuchos do combustível (metanol). Um cartucho pesa cerca de 8,4 quilos e gera energia suficiente para ver 130 horas de televisão ou manter uma lâmpada de halogénio de 10 W acesa durante 910 horas. A poluição? Água e ­dióxido de carbono em quantidades resi­duais. O preço depende dos modelos, e pode ir de 1900 a 5400 euros.

As baterias de consumíveis electrónicos (telemóveis, computadores portáteis, etc.) podem igualmente ser substituídas por esta tecnologia. Os testes comprovam que telemóveis alimentados por este sistema não necessitam de recarregamento durante 30 dias e, no caso dos computadores portáteis, chegou-se às 20 horas. A abrangência deste mercado vai desde os gravadores de vídeo aos detectores de fumo e aos alarmes. Este tipo de células de combustível usa normalmente o metanol, à semelhança do que faz a marca EFOY.

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Telecomunicações seguras

Com o crescimento exponencial do mundo digital, qualquer perturbação energética pode causar perdas de informação, de processos e de produtividade. O uso de células de combustível na internet e nas redes de comunicações está, por isso, em rápido crescimento, devido à necessidade de possuir sistemas mais seguros do que as redes eléctricas actuais. Por exemplo, à rede eléctrica americana é atribuí­da uma confiança de 99,97%. Esta fiabilidade parece excelente, mas, na prática, os custos das falhas de electricidade nos Estados Unidos são estimados em 106 mil milhões de euros por ano (um pouco mais de metade do valor da factura energética europeia, lembra-se?). Uma estimativa redonda, sem considerar a deterioração das infra-estruturas e os efeitos das catástrofes naturais. As células de combustível, pelo contrário, já atingiram um índice de confiança de 99,999% de confiança (menos de um minuto de quebra em seis anos). Estes sistemas podem substituir as baterias e fornecer entre 1 e 5kW a sistemas de telecomunicações, sem ruído ou emissões. A sua durabilidade está comprovada e podem ser usados em locais de difícil acesso, sem restrições climatéricas.

Por outro lado, as células de combustível são actualmente vistas como uma tecnologia válida na redução de emissões e na geração de energia a partir do gás metano produzido nas lixeiras ou nas estações de tratamento de água. Pela mesma razão, a sua aplicação estendeu-se ainda à cervejaria e à vinicultura, tendo sido instaladas por companhias pioneiras em Espanha, no Japão e nos Estados Unidos. Aqui, a produção de resíduos pode, por processos anaeróbicos, gerar metano que, por sua vez, é  utilizado como combustível para produzir electricidade a partir da célula de combustível.

Sobre rodas

No entanto, é no sector dos transportes que as células de combustível estão mais em evidência. Actualmente, todos os grandes produtores de veículos ou já possuem um carro alimentado por células de combustível ou estão a desenvolver e testar protótipos. Entre o investimento nos testes de larga escala, a Honda e a Mercedes já iniciaram processos de leasing. Quanto à abertura total deste mercado, a aposta mais ambiciosa coloca essa data já em 2012.

Este sector emergente compete no mercado automóvel “verde” com as baterias de lítio (carros eléctricos) e com os veí­cu­los híbridos (baterias e combustíveis fósseis). Todas estas abordagens resultam em veículos mais caros do que o carro convencional, pelo que enfrentam grandes dificuldades para se implantarem. Em representação do carro a hidrogénio, a Toyota veio a público, em Março, pela voz do seu director sénior, Shinzo Kobuki, solidarizar-se com o objectivo de diminuir os custos associados a esta nova tecnologia. A estratégia não é novidade e passa maioritariamente pela diminuição da quantidade de platina no catalisador.

A platina é o metal precioso mais usado para este efeito, sendo os custos de uma célula de combustível directamente proporcionais à quantidade da platina usada nela. Em 2001, o preço deste metal rondava os 9,5 euros por grama, mas depois conheceu um aumento drástico e atingiu os 51,7 €/g em 2007. Ainda que, em 2008, este valor tenha diminuído, em 2010 chegou aos 43,7 €/g e prevê-se que continue a aumentar (em comparação, o preço do ouro ronda agora os 32 €/g). A optimização do design dos componentes e a diminuição dos custos das fibras de carbono usadas nos tanques de hidrogénio foram igualmente citados. No final, a Toyota deixou a promessa de um corte radical nos preços até 2015.

Quanto aos autocarros, nos últimos cinco anos, mais de 50 veículos alimentados a células de combustível foram testados na América do Norte e do Sul, na Europa (desde 2003), na Ásia e na Austrália. A nova tecnologia provou ser altamente eficiente e reduzir quer as emissões de CO2 (para zero, se o hidrogénio for produzido por fontes de energia renovável), quer a poluição sonora.

Apesar do seu tamanho, as scooters representam uma fonte de poluição considerável. Por isso, a sua alimentação com células de combustível é vista como um mercado de grande potencial, principalmente na Ásia. Os empilhadores são outro exemplo de sucesso, pelos menores custos associados: menor reabastecimento e manutenção, visto que as baterias precisam de ser recarregadas (electricidade e água) ou mesmo substituídas. As interrupções de corrente quando a bateria descarrega são igualmente evitadas.

Dentro do sector dos transportes, a aplicação de células de combustível nos comboios, nos aviões e nos barcos é especialmente desafiante, pelo que tem comprometido o seu desenvolvimento. No âmbito militar, existe um interesse especial na aviação, pelas baixas emissões, pela ausência de poluição sonora e pela difícil detecção térmica pelo inimigo.

Julgamento final

Os críticos e os cépticos dizem que as células de combustível estão a décadas do mercado. Do outro lado da barricada, os investigadores tentam provar o oposto, com dados e relatórios. Que pontos reter deste debate?

Em primeiro lugar, que as células de combustível não são excessivamente caras. Segundo um estudo do MIT (Massachusetts Institute of Technology), um carro alimentado por esta tecnologia (com uma autonomia de 560 quilómetros) custará apenas mais 2500 euros do que um automóvel convencional. Em comparação, um híbrido (autonomia de 50 km) custará sensivelmente mais 3000 euros, e um veículo eléctrico (320 km) cerca de 7000 euros.

Em segundo lugar, o hidrogénio produzido a partir de gás natural é energeticamente mais eficiente e limpo do que a gasolina ou o sistema GPL. Quanto às baterias, os sistemas equiparam-se, em termos de eficiência, caso as fontes de combustíveis sejam as tradicionais. Quanto à construção de infra-estruturas, isto é, de “bombas de hidrogénio” (à semelhança das actuais bombas de gasolina), requer um investimento elevado, mas já está a ser desenvolvida. Finalmente, em relação ao armazenamento do hidrogénio, o objectivo dos 480 km por depósito já foi conquistado, o que confere uma autonomia assinalável.

A verdade é que o império dos combustíveis fósseis engorda com cada factura que pagamos, enquanto se perpetua a nossa dependência. O mundo pede sustentabilidade. Não chega fazer promessas. Há que avaliar o potencial das tecnologias disponíveis e agir, fazendo apostas de longo prazo para alcançar os objectivos definidos pelas políticas energéticas. Como inquilinos do planeta, temos de pagar uma renda. Convém que ela não seja mais elevada do que o necessário.

M.I.C.

 

Para saber mais

http://www.fuelcells.org. Fuel Cells 2000, um ramo do Breakthrough Technologies Institute.

http://www.fuelcelltoday.com. Informações sobre células de combustível (pertence ao grupo Johnson Matthey).

 

SUPER INTERESSANTE Nº157 - Maio 2011