Baixe Célula Combustível e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Ambiental, somente na Docsity! Célula Combustível Célula a combustível (Fuel Cells) é uma tecnologia que utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade com alta eficiência, e também vapor d’água quente resultante do processo químico na célula a combustível. A importância da célula está na sua alta eficiência e na ausência de emissão de poluentes quando se utiliza o hidrogênio puro, além de ser silenciosa. O seu principal combustível, o hidrogênio, pode ser obtido a partir de diversas fontes renováveis e também a partir de recursos fósseis, mas com muito menor impacto ambiental. Será em breve uma solução para a geração de energia no próprio local de consumo, desde uma indústria, residência, centros comerciais, além de sua utilização em automóveis, aviões, motos, ônibus e equipamentos portáteis, tal como o telefone celular e os laptops. Pesquisas de desenvolvimento de CaCs estão sendo realizadas em todo o mundo por empresas de energia, montadoras de automóveis, fabricantes de equipamentos eletrônicos, universidades e centros de pesquisa especializados em energia alternativa, com o objetivo de diminuir os custos, as dimensões, aumentar a eficiência dos equipamentos e, para muitos países, diminuir a dependência de combustíveis fósseis, como o petróleo, assim como a dependência dos países do Oriente Médio, região com grande concentração e produção de petróleo e de instabilidades políticas, religiosas, econômicas e sociais. No contexto internacional, verifica-se a adoção de ações visando ampliar o aproveitamento de energias renováveis com uma progressiva redução no uso dos combustíveis fósseis, reestruturando a produção, a distribuição, o uso da energia e incorporando novas tecnologias. Neste cenário, o papel do hidrogênio será fundamental. Célula a Combustível de Óxido Sólido da GlobalThermoelectric. Já foram investidos mais de dois bilhões de dólares pelas grandes indústrias automobilísticas no desenvolvimento de automóveis - carros, caminhões e ônibus - movidos por CaCs, prevendo-se a produção em massa para a nova geração de veículos movida a hidrogênio ainda no final desta década. A General Motors espera produzir até o ano de 2020, um milhão de automóveis a célula a combustível. Dentro de sete anos, será um mercado de 10 bilhões de dólares anuais. Segundo o departamento de energia dos EUA, se o país utilizasse, em 10% da sua frota, veículos movidos por células a combustível, a economia em petróleo seria de 800.000 barris por dia. Esta quantia equivale a 13% das importações de petróleo deste país em 2003. Há, portanto, um movimento em favor de uma economia baseada no hidrogênio, e não mais no petróleo. Uma nova infra-estrutura de armazenamento, distribuição e uso da energia deverá surgir como forma de distanciar o mundo de um regime energético baseado em combustíveis fósseis, limitando as emissões de CO2 a apenas duas vezes o nível pré-industrial, minimizando os efeitos do aquecimento global na biosfera do Planeta. História Apesar da alta tecnologia empregada para o seu funcionamento, as células a combustível são conhecidas pela ciência há mais de 150 anos. Embora tenham sido consideradas uma grande curiosidade do século XIX, elas foram alvos de intensas pesquisas principalmente durante a Segunda Guerra Mundial. A primeira CaC foi construída em 1801 por Humphrey Davy, que realizou estudos em eletroquímica usando carbono e ácido nítrico. Mas o advogado e cientista inglês, William Grove (1811–1896), que foi considerado o precursor das células a combustível. A “Célula de Grove”, como era chamada, usava um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico e um eletrodo de zinco imerso em sulfato de zinco para gerar uma corrente de 12 amperes e uma tensão de 1.8 volts. Grove descobriu que colocando dois eletrodos de platina com cada lado de cada eletrodo imerso num tubo contendo ácido sulfúrico diluído, e os outros dois lados separadamente conectados em tubos fechados com oxigênio e hidrogênio, uma corrente contínua circularia entre os eletrodos. Os tubos isolados e fechados produziam água e também gases, e ele notou que o nível de água aumentou em ambos os tubos onde a corrente elétrica passou. Em seguida, Grove construiu uma fonte de energia usando vinte e seis células em série e foi o primeiro a notar e explicitar a dificuldade de produzir altas densidades de corrente elétrica em uma pilha a combustível (várias células a combustível conectadas em série), que utiliza gases como reagentes. O problema que enfrentou na época ainda está sendo estudado atualmente por pesquisadores da área. O seu empenho neste problema é demonstrado pela seguinte citação: “Como a ação química ou catalítica só poderia acontecer com uma placa de platina comum na linha ou marca de água onde o líquido, o gás e a platina se encontram, há dificuldade em obter um dispositivo capaz de oferecer uma superfície notável de ação”. Em 1800, os cientistas britânicos William Nicholson e Anthony Carlisle descreveram o processo de usar eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio. Mas combinar os gases para produzir eletricidade e água foi a grande descoberta de William Grove. Logo depois ele chamou o dispositivo desta experiência como a “bateria a gás” – a primeira célula a combustível. Membrana ou Eletrólito Algumas células utilizam eletrólitos líquidos e outras sólidas, como as membranas plásticas de troca de prótons para conduzirem cargas positivas, os prótons. Somente as cargas positivas atravessam o eletrólito, os elétrons não. Cátodo O terminal negativo - ânodo - tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador, e remove a água produzida durante a reação. Dentro da célula a combustível, o gás hidrogênio pressurizado é bombeado para o terminal negativo, o ânodo. O gás é forçado a atravessar o catalisador. Quando a molécula de hidrogênio entra em contato com o catalisador, ela se separa em dois íons de hidrogênio (H+) e dois elétrons (e-). Os elétrons (e-) são conduzidos através do ânodo, contornando o eletrólito até atingirem o circuito externo, onde acendem uma lâmpada ou motor elétrico, e retornam para o terminal positivo, o cátodo. O fluxo de elétrons é a corrente elétrica. Reação Química 2H2 => 4H+ + 4e- O oxigênio (O2), retirado do ar, entra na célula a combustível pelo terminal positivo, o cátodo. O gás é forçado a se dispersar no catalisador. O catalisador separa a molécula de oxigênio em dois átomos de oxigênio. Cada átomo de oxigênio atrai dois íons H+ através do eletrólito. Estes dois íons H+ combinam com o átomo de oxigênio e dois elétrons provenientes do circuito externo, para formar a molécula de água (H2O). Nesta reação, uma certa quantidade de calor é liberada. Reação Química: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O Explicação mais detalhada Na maioria das células a combustível, o ânodo é alimentado com hidrogênio - combustível -, onde ocorre a ionização deste, por reação catalítica na platina, convertendo o hidrogênio H2 em prótons H+ e elétrons H-. Minimiza nossa dependência em produtos do petróleo para produzir energia: Petróleo, gás natural e carvão são um dos tipos de combustíveis fósseis que têm certas desvantagens. O petróleo é uma fonte limitada, o gás natural é difícil de transportar, e o carvão é extremamente agressivo ao meio ambiente. As células a combustível poderão satisfazer nossa demanda por energia ao mesmo tempo em que as reservas de combustíveis fósseis diminuam. Para isso, deve-se utilizar fontes renováveis de energia, como a cana-de-açúcar e outras fontes de biomassa, pois durante o seu crescimento, ocorre o seqüestro de carbono da atmosfera. Emite menos gases causadores do efeito estufa: A maior parte das CaCs emitem oxigênio e água como seus subprodutos. Imaginem dentro de alguns anos que a maior parte da frota de automóveis emita somente estes componentes ao invés de monóxido de carbono, dióxido de carbono e outros gases nocivos, além da fumaça. Embora algumas CaCs emitam dióxido de carbono, a emissão é em pequenas quantidades. Mais eficiência na geração da energia e no consumo da fonte de energia: Atualmente, os motores a combustão interna mais eficientes atingem eficiência de 25 a 30%. Em média, varia de 13 a 20%. As plantas mais eficientes de geração de energia têm eficiência de 33 a 35%. As células a combustível mais usuais e maduras no momento, as de ácido fosfórico (PAFC) e as que utilizam metanol (DMFC), têm eficiência de 40%. Entretanto, quando é utilizado num sistema de cogeração (onde aproveita-se o calor rejeitado para gerar mais energia), as células de ácido fosfórico podem obter eficiência de 85%. Outras tecnologias de CaCs têm suas eficiências variando desde 40% até 85%. De um modo geral, todas as células a combustível têm eficiência maior que os motores a combustão e plantas de geração. Redução de Baterias nos Aterros Sanitários As micro células a combustível são potenciais substitutos da maioria das baterias recarregáveis usadas hoje em dia em muitos tipos de equipamentos eletrônicos. Além dos benefícios em performance que as células já oferecem, embora em protótipos pouco práticos, elas também podem reduzir potencialmente uma vasta quantidade de baterias jogadas nos lixos e que vão parar nos grandes lixões das cidades, os aterros sanitários. A contaminação por parte das baterias pode prejudicar os lençóis freáticos, fonte de água potável, algo muito raro nos dias de hoje. A cada ano, bilhões de baterias são compradas, usadas, e jogadas fora no Brasil e em todo o mundo, principalmente nos EUA. Somente em 1998, mais de 3 bilhões de baterias industriais e de uso doméstico foram vendidas. A cada ano, a demanda por baterias cresce de 5 a 6%, devido ao crescimento na venda de telefones celulares, câmeras de vídeo, computadores portáteis, ferramentas que utilizam baterias e brinquedos. As baterias são uma fonte potencial de lixo contaminante, sendo responsável por 20% do lixo tóxico gerado nos EUA por residências e empresas. Praticamente todas as baterias recarregáveis usadas em laptops e outros equipamentos portáteis são de níquel-cádmio. O vazamento de metais pesados no solo como o cádmio e o níquel, e na água de rios é um problema de grande preocupação. As células a combustível têm uma expectativa de vida muito superior quando comparadas com as baterias recarregáveis w são construídas com materiais menos nocivos. Desta forma, com o aumento do uso de células a combustível em micro-aplicações, espera-se que diminua a contaminação de metais pesados nos aterros sanitários.