. C K ) ipen

AUTARQUIA ASSOCIADA UNIVERSIDADE DE SO PAULO

ANLISE AMBIENTAL DA CLULA A COMBUSTVEL DE

MEMBRANA TROCADORA DE PROTNS SOB O ENFOQUE

DA AVALIAO DO CICLO DE VIDA

SANDRA HARUMI FUKUROZAKI

Dissertao apresentada como parte dos requisitos para obteno do Grau de Mestre em Cincias na rea de Tecnologia Nuclear-Mater ia is .

Orientadora: Dra. Emilia Satoshi Miyamaru Seo

So Paulo 2006

A U T A R Q U I A A S S O C I A D A UNIVERSIDADE DE S O P A U L O

A N L I S E A M B I E N T A L DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A

T R O C A D O R A DE PROTNS S O B O ENFOQUE DA A V A L I A O DO CICLO

DE VIDA

S A N D R A HARUMI F U K U R O Z A K I

D i s s e r t a o a p r e s e n t a d a c o m o par te

d o s r e q u i s i t o s para a o b t e n o d o Grau

de Mestre e m C i n c i a s na rea de

T e c n o l o g i a Nuc lear - Mater ia is

Or ien tadora :

Dra. Emi l ia S a t o s h i M i y a m a r u Seo

SO P A U L O

2006

INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E N U C L E A R E S

A U T A R Q U I A A S S O C I A D A UNIVERSIDADE DE S O P A U L O

A N L I S E A M B I E N T A L DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A

T R O C A D O R A DE PROTNS S O B O ENFOQUE DA A V A L I A O DO C ICLO

DE V IDA

S A N D R A H A R U M I F U K U R O Z A K I

D i s s e r t a o a p r e s e n t a d a c o m o par te

d o s r e q u i s i t o s para a o b t e n o d o G r a u

de Mest re e m C inc ias na rea de

T e c n o l o g i a Nuc lear - Mater ia is

O r i e n t a d o r a :

Dra. Emi l ia S a t o s h i M i y a m a r u Seo

S O P A U L O

2006

Aos meus pais e ao Miguel naturalmente.

Foram vrias as instituies e pessoas que colaboraram direta ou

indiretamente para a construo deste trabalho, a estas devo meus sinceros

agradecimentos.

Ao Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento - CNPq, pela bolsa

concedida e ao Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares - IPEN, pela

oportunidade de realizao do presente estudo.

minha faml ia, pelo apoio sempre constante e incondicional ao longo da

minha formao, em especial a Monize Kozu Fukurozaki pela pacincia nos

meus momentos de mau humor e madrugadas acordadas.

minha orientadora, Dra. Emil ia Satoshi Miyamaru Seo, pela amizade,

confiana, incentivo e, principalmente, pelos conhecimentos adquir idos no

decorrer da nossa convivncia.

Aos pesquisadores do Programa de Clulas a Combustvel - PROCEL, Dr.

Marcelo Linardi, Dr. Estevan Spinac e Dr. Almir Oliveira Neto, pelo suporte,

materiais e discusses essenciais para o desenvolvimento desta dissertao.

Aos profissionais da rea de Meio Ambiente, pelas crt icas e sugestes que

serviram de base para a formatao da aval iao ambiental : Dr. Jacques

Demajorovic e M.Sc Alcir Vilela Jnior - Faculdade de Engenharia Ambiental

/Centro Universitrio SENAC; Dr. Gil Anderi da Silva - Grupo de Preveno a

Poluio/ Escola Politcnica da Universidade de So Paulo e Dr. Milton Nono

Sogabe - Secretaria de Estado do Meio Ambiente (SMA)/ Companhia de

Tecnologia e Saneamento Ambiental (CETESB).

Aos doutores e tcnicos , pelos esclarecimentos e anl ises realizadas: Dr.

Nelson Batista de Lima, Dra. Mitiko Saiki, Dra. Vera Lcia Ribeiro Salvador, Dra.

El izabete Dantas Sonoda, Dra. Duclerc Fernandes Parra, Marco Andreol i , Marco

Scapin, Olandir Vercino Corra e Elias Silveira.

A Dra. Snia R. M. Castanho, Dr. Egberto Gomes Franco, M.Sc.Edgard

Ferrari da Cunha, M.Sc Antnio R. dos Santos, M.Sc Marcelo do Carmo, M.Sc

Thais Aranha, M.Sc Martha L. Bejarano, M.Sc Rubens Chiba, M.Sc Walter Kenji,

l ize Puglia, Bruno Ribeiro de Matos, pelo auxlio e informaes diversas. Por fim,

aos demais colaboradores e colegas de jornada acadmica do IPEN, pelas idias

e os momentos de distrao.

/\ nos/a cultura do desenvolvimento no prev o

retorno iluminao vela; projeta-se para o

futuro, no para o passado; leva em conta o

equilbrio biofsico, no em termos estticos, mas

dinmicos, avaliando os fatos conforme tempos

biolgicos, objetivando um fluxo estacionario de

energia, de populaes, de recursos.

Enzo Tiezze

A N L I S E A M B I E N T A L DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A

T R O C A D O R A DE PROTNS S O B O ENFOQUE DA A V A L I A O DO C ICLO

DE V IDA

S A N D R A HARUMI F U K U R O Z A K I

RESUMO

A energia o combustvel do crescimento e um requisito essencial para o

desenvolv imento scio-econmico. No entanto, o atual modelo de produo

baseado em combustveis fsseis considerado ameaador para o homem e a

natureza. Desta forma, as preocupaes relacionadas s atividades antrpicas e

os seus efeitos no meio ambiente so traduzidos pela implementao de padres

mais rgidos de controle ambiental e pela mobi l izao da sociedade em favor das

tecnologias energt icas menos impactantes. Diante desse cenrio, a Clula a

Combustvel de Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC tem sido reconhecida

como a resposta para a premente necessidade de energia limpa e eficiente. Em

relao aos sistemas convencionais de gerao de energia, suas vantagens

durante o uso a conf iguram como candidata ideal para diversas apl icaes, em

especial as mveis. Entretanto, embora o foco de diversas aval iaes ambientais

em sistemas de energia seja voltado para a etapa da sua util izao, os estgios

relacionados produo do sistema e dest inao final devem ser considerados j

que estes tambm apresentam impactos. No caso da PEMFC, nas fases

anteriores e posteriores ao uso, os aspectos relacionados aos catal isadores de

platina apontam cargas ambientais que no podem ser negl igenciadas. Neste

sentido, a Aval iao do Ciclo de Vida tem sido util izada para entender e

questionar os riscos e oportunidades que acompanham um determinado produto,

a partir de uma viso sistmica das suas relaes com o meio ambiente.

precisamente nesse contexto que o presente trabalho pretende dar sua maior

contribuio, a partir de um estudo exploratrio almeja-se prover uma anl ise

ambiental dessa tecnologia na etapa ps-uso do conjunto eletrodo membrana,

nomeadamente em relao aos catal isadores de platina, sob o enfoque da

Aval iao do Ciclo de Vida - ACV. Para atingir tal propsito, so apresentadas e

discutidas as relaes entre energia, meio ambiente e desenvolvimento, bem

como a tecnologia de Clulas a Combustvel e os atuais estudos sobre ACV da

PEMFC. As contr ibuies das questes levantadas foram uti l izadas para o

desenvolvimento de um mtodo de recuperao dos catal isadores da PEMFC e,

especialmente, para a sua posterior aval iao ambiental . Dentre os resultados

significativos destaca-se a importncia da ACV como ferramenta til para

compreender o peso das questes ambientais relacionadas platina e, para

subsidiar as estratgias relacionadas ao desenvolvimento, consol idao e

inovao da PEMFC.

ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF THE PROTON EXCHANGE MEMBRANE

FUEL CELL ON THE SUBJECT OF LIFE CYCLE ASSESSMENT

S A N D R A HARUMI F U K U R O Z A K I

ABSTRACT

The energy is the fuel of growth and an essential requirement for the socioeconomic development. However, the current production model is based on fossil fuels, considered as threat to man and nature. As for, the relating to the human activities and their effects on the environment, they are handled by the implementation of a more rigid model of environmental control and the mobilization of the society in favor of technologies with less energy impact. In view of this scenario, the Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC has been recognized as a key for the vital need of a clean and efficient energy. Considering the conventional power generation system, their advantages during usage configure its application as an ideal option for several utilities, especially in the mobile sector. Even though, the focus on several environmental evaluations in energy systems is referred back to the initial stage of it use, the employment relating to production of the system and to final destination should be considered, since these also present impacts. In the case of PEMFC, their previous and subsequent phases of use are issues related to the platinum catalysts, which indicates an environmental importance that cannot be overlooked. In this sense, the Life Cycle Assessment has been used to understand and to question the risks and opportunities that are associated to certain product, starting from a systemic concept of their relationships with the environment. It is precisely in this context that the present research intends to present its major contribution, starting from an exploratory study towards the its objectives to provide an environmental analysis of such technology linked to post stage of powder-use of the membrane electrode assembly - MEA, concerning the platinum catalysts, on the subject of Life Cycle Assessment - LCA. To attain such aim, the relationships between energy, environment and development are presented and discussed, as well as, the Fuel Cell technology and the current studies on LCA of PEMFC. Several questions raised up on this issues have conthbuted in the development of a method of recuperating the PEMFC catalysts and, particularly, for its subsequent environmental evaluation. Among significant results are the importance of LCA, out lined as useful tool for perceiving the weight of environmental matters concerning the platinum and its subsidy strategies relating to the development, consolidation and to the innovation of PEMFC.

INTRODUO 15

OBJET IVO 19

F U N D A M E N T A O TERICA

1 - ENERGIA, MEIO A M B I E N T E E DESENVOLVIMENTO 21

1.1 - Energia e Meio Ambiente 22

1.1.1 - Mudanas Climticas 24

1 . 1 . 2 - Deposies cidas 25

1 . 1 . 3 - Poluio Urbana do Ar 26

1.1.4 - Centrais Termoeltr icas 27

1 . 1 . 5 - Centrais Hidroeltricas 28

1.1.6 - Centrais Nucleares 28

1.2 - Energia e Desenvolvimento 29

2 - C L U L A S A C O M B U S T V E L 31

2.1 - Sonho ou Desafio? 31

2.2 - Or igem e Histria da Tecnologia 32

2.3 - Sistema Conversor de Energia 34

2.3.1 - Classif icao das Tecnologias 36

2.4 - Principais Vantagens 38

2.4.1 - Alta Eficincia e Segurana 38

2.4.2 - Flexibil idade de Planejamento 40

2.4.3 - Desempenho Ambiental 41

2.5 - Tecnologia da Clula a Combustvel de Membrana Trocadora de Prtons 42

2.5.1 - Evoluo Histrica do Desenvolv imento 45

2.5.2 - Apl icaes 46

3 - A V A L I A O DO CICLO DE V IDA 50

3.1 - Breve Histrico e Definies 51

3.2 - Guia e Marco Metodolgico 54

3.2.1 - Objetivo e Escopo 55

3.2.2 - Inventrio do Ciclo de Vida - ICV 57

3 . 2 . 3 - A v a l i a o do Impacto do Ciclo de Vida - A lCV 58

3.2.4 - Interpretao 60

3.3 - Aval iao do Ciclo de Vida Simplif icada 61

3.4 - Restries a Prtica da Aval iao do Ciclo de Vida 63

3.5 - Importancia do Uso da Aval iao do Ciclo de Vida 64

4 - A V A L I A O DO CICLO DE VIDA DA C L U L A A C O M B U S T V E L DE

M E M B R A N A T R O C A D O R A DE PRTONS 66

4 - Emisses Ambientais da SOFC e SPFC: sistema de produo e disposio

final 67

4 . 1 . 1 - S i s t e m a PEMFC 69

4.1.2 - Processo Produtivo do MEA 70

4 . 1 . 3 - I n v e n t r i o 72

4 . 1 . 4 - Anlise do Inventario e Consideraes sobre o Estudo 75

4.2 - Aval iao do Ciclo de Vida de Mdulos de Clulas a Combustvel 77

4.3 - Impactos da Legislao de Residuos Veiculares na Unio Europia: opes

de fim de vida para as clulas de eletrlito polimrico 78

4.5 - Anl ise Geral dos Estudos sobre a Aval iao do Ciclo de Vida da PEMFC 78

M E T O D O L O G I A

5 - DESENVOLVIMENTO E A N L I S E DO PROCESSO DE R E C U P E R A O

DOS C A T A L I S A D O R E S DE P L A T I N A DA PEMFC 81

5.1 - Rota Experimental 81

5.2 - Aval iao do Ciclo de Vida Simplif icada do Processo 85

5.2.1 - Objetivo e Escopo 87

5.2.2 - Inventrio 88

5.2.2.1 - A n l i s e T e r m o g r a v i m t r i c a - A T G 91

5.2.2.2 - Espectrometra de Fluorescncia de Raios X - FRX 91

5.2.2.3 - D/frao de Raios X - DRX 92

5.2.2.4 - Anl ise por At ivao Neutrnica 93

5.2.2.5 - Anl ise de Voltametr ia Cclica 94

5.2.3 - Aval iao de Impactos 95

5.2.4 - Interpretao 99

R E S U L T A D O S E D ISCUSSES

6 - A V A L I A O DO C ICLO DE VIDA DO PROCESSO DE R E C U P E R A O

DOS C A T A L I S A D O R E S DE PLAT INA DA PEMFC 100

6.1 - Pr Aval iao da ACV: questes relevantes sobre a Platina 100

6.1.1 - Propriedades gerais da platina 102

6.1.2 - Demanda e Apl icaes 104

6.1.3 - Suprimento e Preo 107

6 . 1 . 4 - Impactos Ambientais e Restr ies Legais 109

6.1.5 - Consideraes sobre a Etapa de Simpli f icao 112

6.2 - Inventrio: coleta e anlise dos dados 113

6.2.1 - Processo de Produtivo do MEA 113

6.2.2 - Processo de Recuperao 121

6.2.3 - Anl ises de Verif icao: eficincia do processo 121

6.2.4 - Anl ises de Caracterizao: potencial de reciclagem 126

6.3 - Aval iao de Impactos 130

6.3.1 - Identif icao de Aspectos e Impactos 130

6.3.2 - Anl ise da Signif icncia 134

C O N C L U S E S

Concluses 137

REFERNCIAS

Referncias 140

Tabela 1.1 - Escala de problemas ambientais associados energia 23

Tabe la 1.2 - Contr ibuio relativa de gases provenientes de combustveis fsseis

ao efeito estufa 24

26

37

59

60

62

Tabe la 1.3 - Fontes de poluio e seus poluentes

Tabe la 2.1 - Classif icao das CaC conforme o eletrlito uti l izado

Tabe la 3.1 - Exemplos de listas de seleo de categorias de impactos

Tabela 3.2 - Exemplos de indicadores e modelo de caracterizao

Tabela 3.3 - Anl ise dos mtodos de simplif icao da ACV

Tabela 4.1 - Quant idade dos principais materiais e os requerimentos em termos

de energia 72

Tabe la 4.2 - Entrada de energia para cada processo de produo do MEA. 72

Tabe la 4.3 - Perdas de materiais no processo de produo do MEA 73

Tabe la 4.4 - Emisses para o meio ambiente da produo de platina. 74

Tabe la 4.5 - Total de emisses para o meio ambiente na produo do MEA 74

Tabe la 4.6 - Custo das perdas de platina 75

Tabe la 5.1 - Caracterst icas do MEA 83

Tabe la 5.2 - Exemplo de aspectos e impactos 96

Tabe la 5.3 - Escala de probabil idade 97

Tabela 5.4 - Escala de severidade 97

Tabe la 5.5 - Escala de limites 98

Tabela 5.6 - Escala de status regulatrio 98

Tabe la 5.7 - Aval iao mltipla dos critrios 99

Tabe la 6.1 - Propriedades da platina 103

Tabe la 6.2 - Estado de oxidao e compostos de platina 103

Tabe la 6.3 - Demanda de platina por setor em qui logramas 106

Tabela 6.4 - Suprimento de platina por regio em qui logramas 107

Tabela 6.5 - Custo da fabr icao do eletrodo e porcentagem do aumento entre os

anos 2004 e 2005 108

Tabe la 6.6 - Referncias de estudos sobre a concentrao de platina em

diferentes compart imentos ambientais, na fauna, f lora e outros locais 110

Tabe la 6.7 - Composio da tinta cataltica 114

Tabe la 6.8 - Carga cataltica e massa est imada por eletrodo 115

Tabe la 6.9 - Especif icaes do eletrlito e da camada difusora. 115

Tabe la 6.10 - Valores obtidos na pesagem do MEA e dos seus componentes em

gramas 116

Tabe la 6.11 - Comparao entre a massa inicial e final do MEA em gramas 116

Tabe la 6.12 - Comparao entre a massa do eletrlito padro (P) e do eletrlito

obtido no processo em (R ) em gramas 117

Tabe la 6.13 - Comparao entre a massa da camada difusora padro e da

camada obtida no processo (R ) em gramas 117

Tabe la 6.14 - Comparao entre a massa da camada cataltica terica (T) e a

camada obtida no processo em gramas. 118

Tabe la 6.15 - Massa est imada para os elementos da camada cataltica obtida no

processo de recuperao em gramas 119

Tabe la 6.16 - Perfil das amostras encaminhadas para anlise em gramas 119

Tabe la 6.17 - Determinao da platina e outras impurezas 124

Tabe la 6.18 - Dimetro mdio das partculas de catal isadores de platina

preparados por diferentes tcnicas 128

Tabe la 6.19 - Identif icao de atividades, aspectos e potenciais impactos 132

Tabe la 6.20 - Aval iao da signif icancia dos impactos 134

Tabe la 6.21 - Critrios considerados durante a pontuao 135

Figura 1.1 - Efeito estufa 25

F i g u r a 2 . 1 - Converso direta de energia das CaC em comparao as tecnologas

de converso indireta 35

F igura 2.2 - Classif icao das Clulas a Combustvel 36

F igura 2.3 - Comparao das eficiencias em porcentagem (%) 38

F i g u r a 2.4 - Desenho esquemtico da PEMFC 43

F igura 2.5 - MEA e clula unitria da PEFC 43

F i g u r a 2.6 - Mdulo do PEMFC 44

F igura 2.7 - Exemplo de apl icao porttil ( laptop) da PEFC 47

F i g u r a 2.8 - Veculo de emisso nula - NECAR 47

F igura 3.1 - Etapas da aval iao do ciclo de vida. 54

F igura 3.2 - Dimenses do escopo de estudo da A C V 55

F igura 3.3 - Exemplo de um diagrama de fluxo de um sistema e processos de um

produto 57

F i g u r a 3.4 - Estrutura conceituai da A lCV 59

F igura 3.5 - Procedimentos de simpli f icao da A C V 63

F igura 4 . 1 - Diagrama conceituai do ciclo de vida de um sistema CaC em 7

estgios 68

F i g u r a 4.2 - Diagrama do f luxo de produo do MEA 71

F i g u r a 5 . 1 - Proposta de recuperao da platina do MEA da PEMFC encontradas

na literatura 82

F igura 5.2 - Diagrama simplif icado do procedimento experimental 84

F igura 5.3 - Software de ACV - Sima Pro Demo 89

F igura 5.4 - Ficha de coleta de dados 90

F i g u r a 6.1 - Diagrama geral do ciclo de vida da platina 101

Figura 6.2 - Jia de platina 104

F igura 6.3 - Platina em barra em gros 104

F igura 6.4 - Sensor de platina utilizado para detectar monxido de carbono 105

F igura 6.5 - Platina ancorada em substrato de alumina, util izada como

catalisador em processos da industria petrolfera 106

F igura 6.6 - Disco rgido com camada magnt ica de platina 106

F igura 6.7 - Preo da platina no perodo de janeiro de 2004 a dezembro de 2005

108

F igura 6.8 - Escala de risco ecolgico 111

F igura 6.9 - Ciclo de vida da platina na PEMFC 113

F igura 6.10 - Diagrama de blocos de preparao do MEA 114

F igura 6.11 - Inventrio do processo de recuperao 120

F igura 6.12 - Curva da ATG para a massa cataltica 122

F igura 6.13 - Curva da ATG para tinta cataltica 123

F igura 6.14 - Curva da A T G para a platina comercial 123

F igura 6.15 - Elementos detectados pela anlise de at ivao neutrnica 125

F igura 6.16 - Difratogramas de raios X para a camada cataltica 126

F igura 6.17 - Difratogramas de raios X para a tinta cataltica 126

F igura 6.18 - Difratogramas de raios X para a platina comercial 127

F igura 6.19 - Vol tamogramas cclicos para a massa cataltica, tinta e platina

comercial 129

F igura 6.20 - At iv idades do processo de recuperao nas quais so

identif icados os aspectos ambientais 131

F igura 6.21 - Exemplo de uma cadeia de efeitos relativos ao consumo de

energia 132

15

No decorrer do tempo, a produo de energia eltrica constituiu-se como

um fator ct iave no desenvolvimento das sociedades. A partir da I Revoluo

Industrial, em meados do sculo XVIII , uma transformao indubitvel ocorreu

nas relaes produtivas e sociais, favorecida pela descoberta de novos

mecanismos de converso energtica e fomentada pelo uso do carvo. A

substituio gradativa dessa fonte por outras, como o petrleo e o gs natural,

propiciou uma nova organizao de mbito global, concomitamente a II

Revoluo Industrial, sobrevinda um sculo depois.

Desenvolveu-se ento toda uma gama de indstrias baseadas na

economia de energia fssil, por um lado, voltadas para a produo e suprimento

de energia: mquinas diversas, turbinas, sistemas de transmisso; por outro, para

a sua uti l izao: equipamentos de uso industrial e domstico, i luminao, fora

motriz, cl imatizao e comunicao. Conseqentemente, esse conjunto de

instrumentos alterou de forma profunda o ritmo e o curso dos processos de

formao scio-espacial e econmicas da humanidade, moldando as

caracterst icas do atual desenvolvimento.

Contudo, nos anos 7 0 \ uma crise mundial sem precedentes, acarretada

pelo boicote internacional realizado pelas naes rabes, membros da

Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo - OPEP, propiciou uma busca

frentica por fontes alternativas de energia e despertou o mundo para a

necessidade de melhor util izao dos recursos naturais. No mesmo perodo,

internacionalmente, assistia-se ao surgimento de uma economia ambiental , como

conseqncia da inquietao global quanto a sustentabi l idade dos sistemas de

produo vigente.

Pelo prisma do crescimento econmico, formularam-se conceitos como

Integrated Resources Planning e o Demand Side Management, voltados para o

planejamento e uso racional dos recursos, os quais ainda hoje const i tuem modos

de gesto e expanso de sistemas energt icos, como alternativa ao paradigma

meramente demogrf ico de oferta crescente para consumo crescente (GRIMONI

e. al., 2004).

' Em 1973 a crise do petrleo foi provocada pelo embargo ao fornecimenlo de petrleo aos Estados Unidos e s potencias europias e posteriormente, em 1979, causada pela revoluo iraniana que derruba o .\ Reza Pahlevi.

16

Do ponto de vista ecolgico, os desastres ambientais fatais como o fog em

Londres, a contaminao por mercrio na baa de Minamata no Japo, o acidente

nuclear em Three Mile Island nos Estados Unidos, a contaminao por gases

txicos em Bhopal na ndia, bem como as conseqncias locais, regionais e

globais associadas ao uso intensivo de combustveis fsseis, como chuva cida,

camada de oznio e aumento da temperatura (PENNA, 1999), indicaram a

insustentabil idade do modelo energtico corrente e a necessidade de fomentar o

desenvolvimento de sistemas geradores de energia que possibi l i tassem uma

contr ibuio decisiva para um futuro ambientalmente seguro.

Paralelamente, o pensamento inaugurado pelo Clube de Roma (1960),

prosseguido pela Conferncia de Estocolmo (1972), o Relatrio da Comisso de

Brundtland (1987) e a Reunio da Cpula da Terra (1992) conduziram a

concluses similares, segundo os quais o modelo de produo e consumo em

vigor, incluindo o atendimento as exigncias energticas, no compatvel com

uma perspect iva de sustentabi l idade intergerencial e nem equidade, em mbito

mundial no presente.

Estas constataes resultaram no paradigma do desenvolvimento

sustentvel, no qual a capacidade de assegurar os direitos das geraes

presentes e futuras esto int imamente relacionadas energia (REIS & SILVEIRA,

2001). No obstante, tambm emergiu a crescente tendncia de padres mais

rgidos de controle ambiental a valorizao das fontes renovveis, menos

poluidoras e, os instrumentos de preveno e mit igao das external idades

ambientais negativas, sobretudo os que visam auxil iar na compreenso, reduo

e controle dos impactos na natureza, entre os quais ressalta-se a Aval iao do

Ciclo de V i d a - A C V .

Dentre as diferentes rotas inovadoras para a gerao de energia mais

sustentvel est, atualmente, o hidrognio, cuja viabil idade energtica encontra-

se na tecnologia de clulas a combustvel - CaC. Estas so dispositivos

eletroqumicos que podem converter continuamente a energia qumica de certas

fontes renovveis ou no, em eletr icidade sem a necessidade de combusto a

quente e com um rendimento global superior aos equipamentos de transformao

convencionais. Em adio a natureza eletroqumica da reao produzindo gua

17

(KORDESCH & SIMADER, 1996), a alta eficincia pode propiciar urna

significativa reduo do uso de combustveis fsseis e da l iberao de gases do

efeito estufa, resultando em emisses locais extremamente baixas durante o uso,

fator especialmente importante em reas densamente povoadas.

Deste modo, os diferentes tipos de tecnologia CaC configuram-se em

candidatas ideais para uso em apl icaes mveis e estacionrias, incluindo

pequenas residncias, plantas de energia e calor de mdia e larga escala,

respect ivamente. No setor mvel, as CaC, part icularmente as de baixa

temperatura de operao (80 a 90 C), como a Clula a Combustvel de

Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC, podem ser usadas em veculos

particulares e coletivos, trens, avies, barcos, a lm de sistemas portteis de

diversos usos (BAUEN et. al., 2003).

Perante essas part icularidades, os distintos setores da sociedade tm

direcionado uma maior ateno para as CaC, pr incipalmente em relao a

PEMFC, visto a crescente demanda por energia e a preocupao em relao

qual idade urbana do ar, acidif icao regional e mudanas climticas. Entretanto,

essas caractersticas vinculadas uti l izao da tecnologia refletem apenas parte

deste quadro, pois recursos so consumidos e emisses so geradas em outras

etapas do contexto global do ciclo de vida desse produto, incluindo a manufatura

e a disposio final.

Segundo KARAKOUSSIS et. al (2000), o estgio em uso t ipicamente

dominante na aval iao de todo o ciclo de vida dos sistemas convencionais de

gerao de energia e engenhar ia de transporte. Contudo, os sistemas de CaC

comprometem uma escala relat ivamente extica de materiais e requerem

processos de manufatura que ainda esto em desenvolvimento,

conseqentemente a anl ise dos seus outros estgios do ciclo de vida so de

suma importncia, visto apresentarem vantagens ambientais durante sua

util izao.

No caso da PEMFC, mesmo encontrando-se no limiar do estgio comercial,

o fator determinante para a sua ampla insero no mercado envolve, alm de

questes econmicas relacionadas ao alto custo dos materiais da membrana e

dos catal isadores de platina, os aspectos ambientais relacionados a este metal

18

durante a fase de produo e ps-consumo do mdulo da PEMFC (PEHNT, 2 0 0 1 ;

HANDLEY, 2002).

Neste sentido, a Aval iao do Ciclo de Vida tem se consol idado como uma

ferramenta lder, tanto no mundo empresarial como governamental , para entender

e questionar os riscos e oportunidades que acompanham os produtos ao longo de

sua vida, desde a fase de extrao de recursos para a manufatura at o seu

destino final, ps-consumidor.

Por conseguinte, os processos de deciso baseados em uma A C V

conduzem a aes mais efetivas e, com maior sustentao no longo prazo com

relao reduo dos custos econmicos e ambientais das companhias e para o

pas (CALDEIRA-PIRES et. al, 2005). Portanto, para o desenvolvimento e

promoo de novos modelos energticos, torna-se imperativo a adoo desse

instrumento.

Face s consideraes acima, a preocupao primordial deste estudo est

em convergncia com o momento atual, isto , na necessidade de aprofundar o

conhecimento relacionado ao peso das questes ambientais no desenvolvimento,

consol idao e inovao da Clula a Combustvel de Membrana Polimrica

Trocadora de Prtons - PEMFC, visto, no mbito do desenvolvimento sustentvel,

a premncia pelo fornecimento de energia limpa e segura ao meio ambiente.

19

Tendo em vista as consideraes apresentadas na introduo e

principalmente, dada a importncia dos catal isadores de platina no mbito

econmico e ambiental de desenvolvimento da Clula a Combustvel de

Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC, o presente trabalho tem por objetivo

geral prover uma anl ise ambiental dessa tecnologia na etapa ps-uso do

conjunto eletrodo membrana, nomeadamente em relao platina, sob o

enfoque da Aval iao do Ciclo de Vida - ACV. Neste sentido, os seguintes

objetivos especf icos foram del imitados:

1)- Apresentar os aspectos gerais sobre energia, sua relao com o meio

ambiente e desenvolvimento sustentvel, bem como a tecnologia PEMFC;

2) - Proporcionar informaes sobre a abordagem metodolgica da Aval iao do

Ciclo de Vida e sua importncia no contexto do estudo;

3)- Analisar e discutir as principais publicaes existentes sobre a A C V da

PEMFC, especi f icamente no que tange as questes relacionadas aos

eletrocatal isadores de platina;

4)- Desenvolver um mtodo de recuperao de platina e exemplif icar o uso da

ACV, aval iando a sua funcional idade na definio de mtodos para a recuperao

e reciclagem do catalisador da PEMFC, a partir de um estudo exploratrio.

Para atingir tal propsito, o desenvolvimento da pesquisa consistiu

inicialmente na pesquisa bibliogrfica em base de dados especial izados. Esta

etapa consol idou-se na construo de quatro captulos nos quais so

apresentadas as fundamentaes tericas do estudo que serviram de alicerce

para o desenvolv imento do mtodo de recuperao dos catal isadores de platina

da PEMFC e, especialmente, para a sua posterior avaliao ambiental .

Os procedimentos real izados na construo e aval iao do processo

configuraram na metodologia aqui apresentada como quinto captulo, sendo os

dois ltimos captulos subseqentes os resultados e discusses e, as concluses

da pesquisa. Portanto, o trabalho est estruturado da seguinte forma:

20

O captulo I apresenta concisamente os aspectos relevantes sobre energa,

meo ambiente e desenvolv imento, cujo contexto aborda a importncia da

tecnologia de CaC no cenrio atual. Na seqncia, o captulo II aglutina

Informaes sobre a CaC, apontando sua origem, histrico do desenvolvimento,

suas principais caractersticas e vantagens, com especial ateno tecnologia

PEMFC, inserindo as questes relevantes para a abordagem metodolgica da

ACV.

Subseqentemente, o capitulo III introduz a Aval iao do Ciclo

apresentando o histrico, guia e marco metodolgico, simpli f icao da ACV e

outros aspectos como importncia do uso dessa ferramenta de gesto no

desenvolv imento industriai e no Brasil.

O captulo IV aglutina informaes sobre os atuais estudos realizados

sobre a Aval iao do Ciclo de Vida da PEFC e, dada a ausncia de literatura

nacional sobre o assunto, optou-se por descrever e discutir trs dos principais

estudos realizados internacionalmente, identif icando os problemas ambientais

associados ao ciclo de vida de um mdulo da PEFC e, ainda, suas implicaes

para a sustentabi l idade da tecnologia.

No captulo V apresenta-se o desenvolvimento e a anl ise do processo de

recuperao da platina da PEMFC em duas etapas. A primeira caracteriza-se pela

descr io dos procedimentos uti l izados na rota experimental, enquanto a segunda

trata daqueles relacionados anlise simplif icada da ACV dos MEA da PEFC,

produzida e util izada no Programa de Pesquisa e Desenvolvimento de Clulas a

Combustvel do IPEN (PROCEL) .

O captulo VI traz os resultados e discusses decorrentes da aval iao do

ciclo de vida simplif icada. No entanto, dada as dif iculdades notrias e grande

divergncia no tratamento das questes levantadas, este captulo se coloca como

uma contr ibuio e discusso no sentido de criar abordagens ou mtodos que

incluem as questes ambientais sistematicamente na pesquisa e desenvolvimento

da tecnologia PEFC. Por fim, as principais constataes da pesquisa, incluindo as

recomendaes e as sugestes futuras sobre as questes tratadas neste estudo

so apresentadas nas concluses.

21

1 - ENERGIA, MEIO AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO

A histria do desenvolvimento humano possui uma estreita relao com o

uso da energia, cuja part icipao imprimiu e imprime, o ritmo das modif icaes no

contexto scio-econmico. A partir da segunda metade do sculo XVII I , a

referncia ao uso intensivo das fontes energticas, em termos produtivos , pode

ser verif icada na Europa Ocidental, part icularmente durante a Revoluo

Industrial.

Neste perodo, o apogeu das mquinas a vapor elege o carvo mineral

como fonte de energia primria, devido s suas caractersticas e quant idade

disponvel, superando assim, o uso da lenha. Na segunda metade do sculo XIX,

a indstria do petrleo dava seus primeiros passos na participao da matriz

energtica mundial, inicialmente em solo norte-americano (at meados da

Primeira Guerra Mundial) e, posteriormente no Oriente Mdio, consol idando os

pases desta regio em uma das principais fontes de energia no mundo.

Paralelamente, a energia com qual idade, de fcil acesso, com alto grau de

fracionamento se desenvolve no final do sculo XIX, marcando o surgimento da

indstria da eletricidade. Tratando-se de uma fonte secundria de energia

(depende de t ransformaes a partir de fontes primrias), a eletricidade destacou-

se ao longo do sculo X X face sua participao na viabil izao de at ividades e

processos, desde os pr imrdios da i luminao pbl ica at os atuais equipamentos

eletrnicos, em especial os motores eltricos.

O motor eltrico trifsico representou um importante passo no sistema

energtico, estabelecendo estruturas e conceitos que evoluram e prevalecem at

os dias de hoje. Para a indstria, o uso da eletricidade, significou a possibi l idade

de concepo de layout's adequados de forma independente aos processos

produtivos (FERNANDES FILHO ef. al, 2004). Quanto sociedade, o acesso

eletricidade proporcionou, alm de bens de consumo e servios necessrios

qual idade de vida, o desenvolv imento social no seu sentido mais amplo.

No obstante, o surgimento de novas tecnologias tambm propicia, a partir

dos anos 50, o uso da energia nuclear, na qual acreditava-se na poca que esta

22

viria a substituir a economia de energia fssil. De acordo com UDAETA ef. al

(2004), nos tempos modernos, as energias renovveis se consol idaram apenas

por meio de grandes hidroeltricas. No entanto, a primeira grande crise do

petrleo em 1973, desperta o desenvolvimento de novos mecanismos de

converso de energia baseada em recursos renovveis e, a busca pela garantia

de atendimento s necessidades futuras.

Desta forma, ao longo do tempo foram vrias as fontes energt icas que

part iciparam no cotidiano das populaes, umas sucedendo s outras, ou ainda,

atuando simultaneamente, em propores variadas, conforme a sua

disponibi l idade e custo. Todavia, o uso da energia em equil brio com o

desenvolv imento scio-econmico representa um dos grandes desafios da

humanidade. Para tanto torna-se importante ter uma compreenso minimamente

clara dos processos envolvidos nas transformaes energt icas e suas

conseqncias ambientais.

1.1 Energia e Meio Ambiente

No decorrer da sua histria, a humanidade tem selecionado os sistemas

energt icos em funo de dois elementos: a disponibi l idade tcnica e a

viabi l idade econmica. Porm, o modelo energtico vigente tem se revelado

insustentvel, comprometendo, cada vez mais a curto prazo, os equilbrios

ecolgicos e cl imticos e, conseqentemente o desenvolvimento scio-econmico

e o bem estar social. Desta forma, na ltima dcada, um novo parmetro tem

progressivamente condicionado a aceitao ou recusa dos sistemas de energia:

os impactos ambientais resultantes da sua implementao.

Conforme OLIVEIRA ef. al (2004) o setor energtico produz efeitos nocivos

ao meio ambiente em toda a sua cadeia de desenvolvimento, desde a extrao de

recursos naturais at os seus usos finais. Por exemplo, a extrao de recursos

energt icos, seja petrleo, carvo, biomassa ou hidroeletricidade, tm impl icaes

em mudanas nos padres de uso do solo, recursos hdricos, al terao da

cobertura vegetal e na composio atmosfrica.

23

J os processos relacionados com a produo e uso de energia l iberam

para a atmosfera, a gua e o solo diversas substncias que comprometem a

sade e sobrevivncia no s do homem, mas tambm da fauna e flora. Embora

seja difcil identificar com clareza todos esses impactos, uma vez que estes

podem ocorrer de forma direta e indiretamente, a energia , do ponto de vista

global, pode ser apontada como uma das principais fontes de desequilbrio da

natureza causada pelo homem.

No obstante, os danos ambientais no se restr ingem ao local onde se

realizam as atividades de produo ou de consumo de energia, mas tambm

abrangem as escalas regionais e globais (TAB 1.1). No nvel regional pode-se

mencionar, por exemplo, o problema de precipitaes cidas, ou ainda o

derramamento de petrleo em oceanos, que pode atingir vastas reas.

TABELA 1.1 - Escala de problemas ambientais associados energia

Prob lemas G l o b a i s Mudana no Clima Global Depleo do Oznio Estratosfrico Reduo da Biodiversidade

Prob lemas Reg iona is

Degradao e Uso da gua e do Solo Contaminao ocenica Mobilizao de Contaminantes Txicos Precipitao cida Radioatividade e lixos radioativos

P r o b l e m a s L o c a i s

Poluio do ar urbano Poluio do ar interno Poluio das guas subterrneas e de superfcies Resduos slidos e perigosos Campos eletromagnticos Sade e Segurana ocupacional Acidentes de larga escala Esttica e outros aspectos (por ex. rudos, perturbao visual)

Fonte : CARVALHO (2000)

Em relao aos impactos globais, e os exemplos mais contundentes so as

alteraes climticas resultantes do acmulo de gases na atmosfera (efeito estufa)

e, a depleo da camada de oznio devido ao uso de clorof iuorcarbonetos

uti l izados em equipamentos de ar condicionado e refr igeradores. Neste sentido,

apresenta-se a seguir a principal conseqncia ambiental de cada escala de

24

abrangncia, e posteriormente os impactos der ivados dos atuais sistemas de

energia.

1.1.1 M u d a n a s C l i m t i c a s

Um dos mais complexos e maiores efeitos das emisses do setor

energtico so os problemas globais relacionados a mudanas cl imticas.

Segundo REIS e. al (2005), o aquecimento global resulta da modif icao na

intensidade de radiao trmica emit ida pela superfcie da Terra, em funo da

crescente concentrao de gases do efeito estufa (GEE), cujas emisses esto

relacionadas ao uso de combustveis fsseis (TAB .1.2).

TABELA 1.2 - Contribuio relativa de gases provenientes de combustveis fsseis ao efeito estufa

Gs CarbAnico Metano (CH

25

Parte da radiao solar refletida pela Terra e atmosfera

A radiao solar atravessa a atmosfera limpa

A maior parte da radiao solar absorvida pela superfcie da Terra , aquecendo-a

TERRA

Parte da radiao infravermeltia absorvida na Terra e re-emitida pelos gases estufa. O efeito disso o aquecimento da superfcie e da atmosfera baixa

A superfcie da Terra , emite radiao infravermelha

FIGURA 1.1 - Efeito estufa

Fonte: CARVALHO, 2000

Neste sentido, as impl icaes no clima mundial para os pases e suas

populaes encontram-se na alterao da produtividade agrcola e da pesca,

inundaes de regies costeiras e aumento de desastres naturais. A seriedade

desses efeitos tem sido reconhecida por diversos estudos cientficos

internacionais e vrios pases esto procurando consenso para uma agenda

mnima de at ividades para controle e mit igao de emisses, como o Protocolo de

Kyoto, discutido no mbito dos pases signatrios da Conveno Climtica .

1.1.2 D e p o s i e s c i d a s

Embora o termo chuva cida seja amplamente uti l izado nas publ icaes

sobre o assunto em questo, de acordo com OLIVEIRA et. al (2004), a

denominao mais adequada para o fenmeno precipitaes cidas, visto que

as deposies podem ocorrer em forma de chuva, neve, partculas slidas ou

g a s e s .

Os principais componentes encontrados nas precipitaes cidas so o

cido sulf i jr ico (H2SO4) e o cido ntrico (HNO3), formados na atmosfera a partir

26

do dixido de enxofre (SO2) e dos xidos de nitrognio (NOx), ambos produtos

daqueima de combustveis fsseis. Os danos causados pelos cidos l iberados no

uso desse energtico, precipitados tanto na sua forma seca quanto mida,

prejudicam a cobertura de solos, vegetao, agricultura e materiais

manufaturados.

No que tange a sade humana, a presena de particulados contendo SOae

NOx provocam ou agravam doenas respiratrias como bronquite e enfisema,

especialmente em crianas. Esse tipo de problema tem sido verif icado em regies

da China, Hong Kong e Canad que sofrem os efeitos de termoeltr icas a carvo

situadas muitas vezes em locais distantes de onde ocorrem s precipitaes

cidas.

1.1.3 P o l u i o Urbana d o Ar

Um dos problemas mais antigos da civil izao a poluio urbana do ar,

sendo responsvel por inmeras doenas, inclusive mortal idade nas populaes

das grandes cidades. A principal fonte de poluio em reas urbanas advm da

queima de combustveis fsseis para fins de aquecimento domstico, gerao de

energia, funcionamento de motores a combusto interna, processos industriais e

incinerao de resduos slidos (TAB 1.3).

TABELA 1.3 - Fontes de poluio e seus poluentes

Caldeiras e fornos industriais

Motores de combusto interna

Indstria de refino de petrleo

Indstria qulmics

Metalurgia e qumica do coque

Indstria extrativa mineral

Indstria alimentcia

Indstria de materiais de construo

F * a r t i C L i lados

Cinzas e fuligem

Fuligem

R, fuligem

P, fuligem

P. xidos de ferro

Emisses Gasosas

NlOx. SO2, CO. aldedos, cidos orgnicos. 3,4-

benzopireno

CO, rMOx. aldedos, hidrocarbonetos 3,4-

benzopireno

SO2, H2O, NtHs, NOy. CO, cidos, hidrocarbonetos,

aldedos, cetonas

Depende do processo (Ex.: SO2CO, hidrocarbonetos,

solventes)

SO2, I H3, ISIO. CO, composto de flor,

substncias orgnicas

Depende do processo (Ex.: CO, compostos de flor)

MH3. l-lzS (multicomponentes de composto orgnicos)

CO. compostos orgnicos

Fonte: Conservao de Energia - Eficincia Energtica de Instalao e Equipamentos, 2001 apue/CARVALHO (2000)

CCWSSO Ru-H^ f c - i p. ,r/

27

O consumo de derivados de petrleo pelo setor de transporte o que

apresenta a maior contribuio para a degradao do meio ambiente no nivel

local. Est ima-se que 5 0 % dos hidrocarbonetos emit idos em reas urbanas e

aprox imadamente 2 5 % do total das emisses de todo dixido de carbono gerado

no mundo, resultem das at ividades desenvolvidas com os sistemas de transporte.

Ademais, a baixa qual idade desses combustveis em muitos pases, aliada

precar iedade de veculos, trnsito congest ionado e condies cl imticas

desfavorveis em grandes cidades, contr ibuem para que exista uma quase

permanente concentrao de f inas partculas no ambiente urbano, que

comprometem signif icat ivamente a qual idade do ar e, desta forma, a sade

humana (GRIMONI et. al, 2004).

1.1.4 C e n t r a i s T e r m o e l t r i c a s

A produo de eletr icidade em termoeltr icas representa em escala

mundial cerca de um tero das emisses antropognicas de dixido de carbono,

sendo seguida pelas emisses do setor de transporte e industrial. Os principais

combustveis uti l izados em todo o mundo so o carvo, der ivados de petrleo e,

crescentemente, o gs natural. Existem ainda outros t ipos de usinas

termoeltr icas que queimam resduos de biomassa ( lenha, bagao) e at mesmo

resduo urbano.

A lm das emisses de gases e partculas, ocorrem outros problemas

associados com util izao de gua para o processo de gerao termoeltrica,

pois muitas centrais usam a gua para refr igerao ou para produo de vapor.

Esse tem sido um dos principais obstculos para a implantao de termoeltr icas

no pas, uma vez que diversos projetos se localizam ao longo do principal

gasoduto construdo, seguindo exatamente as bacias hidrogrficas com

problemas de abastecimento e de qual idade de gua em regies densamente

povoadas (JANUZZI , 2004).

importante notar tambm que houve bastante progresso com relao ao

aumento da eficincia de usinas termoeltr icas pela introduo de tecnologias de

co-gerao e turbinas a gs. As possibi l idades de gaseif icao de carvo.

28

madeira e bagao oferecem novas oportunidades de usinas mais eficientes e com

menores impactos em relao s convencionais.

1.1.5 Cent ra is H i d r o e l t r i c a s

Segundo JANUZZI (2004), muitas vezes faz-se referncia

hidroeletricidade como sendo uma fonte " l impa" e de pouco impacto ambiental .

Na entanto, embora a construo de reservatrios (grandes ou pequenos) tenha

resultado em enormes benefcios para o pas, a judando a regularizar as cheias,

promover irr igao e navegabi l idade de nos, tambm produziram impactos

irreversveis ao meio ambiente;

No caso de grandes reservatrios, existem problemas com mudanas na

composio e propriedades qumicas da gua, alterao na temperatura,

concentrao de sedimentos, e outras modif icaes que ocasionam problemas

para a manuteno de ecossistemas jusante da localizao da barragem alm,

daqueles relacionados ao reassentamento de populaes locais. Esses

empreendimentos, ainda que bem controlados, tm promovido impactos na

diversidade de espcies (fauna e flora) e na densidade das populaes de peixes.

No Brasil, um dos maiores exemplos o caso da hidroeltrica de Balbina,

que provocou a inundao de parte da f loresta nativa, ocasionando alteraes na

composio e acidez da gua, nas quais poster iormente teve impacto no prprio

desempenho da usina. At recentemente as turbinas apresentavam problemas de

corroso e depsito de material orgnico, em funo das modif icaes que

ocorreram na composio da gua.

1.1.6 Cent ra is Nuc lea res

A energia nuclear talvez aquela que mais tem chamado ateno quanto

aos seus impactos ao meio ambiente e sade humana. So trs os principais

problemas ambientais dessa fonte de energia. O primeiro a manipulao de

material radioativo no processo de produo de combustvel nuclear e nos

reatores nucleares, com riscos de vazamentos e acidentes. O segundo est

29

relacionado com a possibi l idade de desvios clandest inos de material para

uti l izao em armamentos e conseqentemente, acentuando riscos de

associados ao uso de energia nuclear (JANUZZI, 2004).

Finalmente, o ltimo relaciona ao armazenamento dos rejeitos radioativos

das usinas. Embora, tenha ocorrido substancial progresso no desenvolvimento de

tecnologias que diminuem prat icamente os riscos de contaminao radiativa por

acidente com reatores nucleares, aumentando consideravelmente o seu nvel de

segurana, ainda no se apresentam solues satisfatrias e aceitveis para o

problema do resduo nuclear {ibidem, 2004).

Desta forma, os desafios para continuar a expandir as necessidades

energt icas da sociedade com menores efeitos ambientais so enormes, o que

implica na premncia de significativas mudanas nas estratgias de

desenvolvimento, nas tecnologias em vigor, bem como nos padres de consumo

da sociedade moderna, antes que esses efeitos nocivos aqui mencionados

atinjam um ponto irreversvel.

1.2 Energia e Desenvolvimento

Os valores que sustentam o atual modelo de desenvolvimento na

sociedade estruturam-se na exagerada nfase do progresso econmico, no qual

f reqentemente encontra-se a explorao descontrolada dos recursos naturais,

uso de tecnologias de larga escala e consumo desenfreado, responsveis pela

degradao ambiental , disparidades econmicas, desintegrao social e, entre

outros, na falta de perspect ivas futuras.

Diante deste quadro, no caminho para atingir um desenvolvimento

sustentvel, a questo energtica tem um signif icado bastante relevante,

medida que os vrios desastres ecolgicos e humanos das lt imas dcadas tm

relao ntima com a produo de energia e, o fornecimento eficiente

considerado uma das condies bsicas para o desenvolvimento scio-

econmico (SILVEIRA ef. al,. 2001).

De acordo com o Relatrio da Comisso de Brundtland, o desenvolvimento

sustentvel responde necessidade do presente sem comprometer a capacidade

30

das geraes futuras de satisfazer s suas prprias. Tal conceito agrega em sua

definio, trs pontos fundamentais: crescimento econmico, equidade social e

equilbrio ecolgico (DONAIRE, 1995).

Concretamente, este novo paradigma apia-se nos modos de produo e

consumo viveis a longo prazo para o meio ambiente, associados ao

fornecimento de servios e produtos que atendem as necessidades bsicas da

populao e proporcionem melhor qual idade de vida, alm, dentre outros

aspectos, minimizao do uso dos recursos naturais.

Neste contexto, sendo a produo de eletr icidade responsvel por

aprox imadamente um tero do consumo de energia primria mundial e com

tendncias a expandir nas prximas dcadas f icam evidentes a necessidade de

profundas mudanas na gerao, distribuio e uso da energia. Trata-se de

transformaes em direo a um maior uso de recursos renovveis e um

afastamento gradual dos combustveis fsseis.

Para tanto, os esforos de inovao tecnolgica na rea energt ica para

um futuro com menos impactos ambientais so imprescindveis, pois o fomento

das energias renovveis poder, por ventura, constituir-se na chave para um

desenvolv imento sustentvel, nomeadamente para cumprir as polticas de

preservao do meio ambiente e, em particular para travar as alteraes

climticas.

Nesta perspect iva e em meio as diferentes rotas tecnolgicas, as clulas a

combustvel (CaC) tm sido identif icadas como parte da resposta para a premente

necessidade mundial de energia limpa e eficiente. Esta tecnologia de gerao de

eletricidade, tambm reconhecida como um componente fundamental para a

futura "Economia do Hidrognio" poder reduzir substancialmente emisses de

gases do efeito estufa, associados ao atual sistema de transporte e produo de

energia (PEHNT & RAMESOHI , 2002).

31

2- CLULAS A COMBUSTVEL

2.1 - Sonho ou Desafo?

As duas lt imas dcadas do sculo XX podem ser consideradas como a

transio dos mtodos de produo de energia, armazenamento e converso. Os

combustveis fsseis - o carvo, o leo e o gs natural, responsveis pelo

inacreditvel desenvolvimento da tecnologia do mundo ocidental e sua crescente

mobi l idade de produo so considerados ameaadores para a sobrevivncia do

ambiente natural como conhecemos hoje.

Simultaneamente, tambm se manifesta neste cenrio preocupao

quanto ao consumo irracional e conseqente desaparecimento de combustveis

fsseis, criando barreiras para o futuro do progresso tecnolgico, no mesmo

perodo em que a crescente populao mundial precisa de mais al imento,

melhores moradias, aperfeioamento de produtos industriais e expanso dos

meios de comunicao e transporte.

Soma-se ainda, o di lema causado pela realizao prvia do conceito de

que a energia il imitada, disponvel pela gerao de energia nuclear, contenha

propsitos perigosos. No obstante, esse quadro tem se agravado pelo fato da

expectat iva do suprimento energtico por uma substancial frao de energia solar

ou outras pequenas fontes renovveis, constituir-se em uma iluso (KORDESH &

SIMADER, 1996).

Neste sentido, alguns autores descrevem o futuro como cri t icamente

dependente de energia. Os cenrios pessimistas predizem catstrofes humanas e

solues baseadas em uma economia de energia forada pela "volta aos estilos

bsicos de vida" ^ No entanto, vises mais otimistas consideram que o efeito das

novas tecnologias em adio ao uso da energia solar e outros recursos

renovveis, conduziro para uma melhor uti l izao dos combustveis fsseis,

incluindo o uso apropriado de energia atmica.

'Ibidew, 1996. p 1.

32

2.2 - Origem e Histria da Tecnologia

O desejo de converter energia qumica de combustveis diretamente em

eletricidade existe desde 1900 e, manifestado pela larga escala de

experimentos, nos quais se tentava oxidar carvo e gs natural em pilhas

eletroqumicas^. Um resgate histrico nos leva a constatar que o princpio de

funcionamento da clula a combustvel (CaC) foi verif icado em 1839 pelo fsico

ingls Willian Robert Grove, ao combinar os gases hidrognio e oxignio e, gerar

eletricidade e gua em um processo denominado eletrlise reversa^.

Anos depois, em 1889, o termo "clula a combustvel" foi cunhado pelos

cientistas Ludwig Mond e Charles Langer que tentaram, sem sucesso, produzir o

primeiro disposit ivo prtico, usando gs natural e carvo. Outras tentativas, no

inicio do XX, para a construo de CaC que pudessem converter carvo ou

carbono em energia eltrica tambm falharam em funo da cintica dos

materiais e eletrodos (ALDAB, 2004).

Entretanto, em 1932, ocorreram os primeiros exper imentos bem sucedidos,

resultantes do trabalho do engenheiro Francis Bacon, que aperfeioou os

carssimos catal isadores de platina'*, ao utilizar um eletrlito alcalino menos

corrosivo e eletrodos de nquel mais baratos. Todavia, os desafios tcnicos eram

muitos e somente em 1959 Bacon conseguiu demonstrar um sistema CaC de 5

kW capaz de al imentar uma mquina de solda .

No mesmo perodo, a National Aeronautics and Space Administration -

NASA comeou a pesquisar um gerador de eletr icidade compacto, para ser

uti l izado a bordo das naves de uma srie de misses espaciais tr ipuladas. Aps

desistir das alternativas existentes na poca, por apresentarem riscos

segurana e outros problemas tcnicos relacionados ao peso e durabi l idade da

fonte, a NASA se voltou para o desenvolvimento da tecnologia CaC.

-Ibidem. 1996. p. 1 NETO, E. H. G. (2005). Utilizados poTond e Langer em uma clula hidrognio-oxignio

33

Desta forma, o sistema construido por Bacon serviu como prototipo para as

CaC uti l izadas no programa espacial Apollo e Gemini, responsveis por

conduzirem o vo do Homem lua em 1968. No obstante, as pesquisas em CaC

ressurgiram mais fortemente no mundo, quando substratos de carbono poroso

com baixas cargas de catalisador providenciaram uma soluo de baixo custo

para os sistemas CaC hidrognio-ar e, o interesse por automveis eltricos

movidos a CaC foi difundido, conduzindo assim a vrios prottipos (KORDESH &

SIMADER , 1996).

Em meados de 1970, houve uma mudana na direo do interesse pela

tecnologia de CaC. O sistema alcalino {Alcaline Fuel Cell - AFC) que t inha

a lcanado o nvel mximo de aperfeioamento nos programas espaciais foi

substitudo, nos programas mundiais de P&D, pelo sistema de acido fosfrico

{Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), no qual constitua-se mais apropriado para

apl icao estacionria de gerao de energia. A tendncia na ampl iao de

plantas de gerao para larga escala foi especialmente notvel no Japo,

pr incipalmente aps a perda de interesse dos Estados Unidos.

Contudo, nos anos 80 e 90 destacou-se o acelerado desenvolv imento de

sistemas CaC de carbonato fundido {Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC) e de

xido slido {Solid Oxide Fuel Cell - SOFC), c laramente devido ao fato das

plantas de CaC de alta temperatura apresentarem uma melhor eficincia global

quando associadas ao calor. Infortunamente, aspectos relacionados expectativa

de vida dos materiais resultaram em problemas ainda em pauta.

Tambm em 1990, ocorre outra reviravolta no cenrio tecnolgico das CaC,

quando a clula a combustvel de membrana trocadora de prtons {Proton

Membrane Exchange - PEMFC) surge como o mais atrativo objeto de

desenvolvimento. Embora esse sistema exista desde 1960, seu desempenho no

foi seguro nos projetos espaciais, de forma que a ateno na poca se voltou

para os sistemas AFC. No entanto, as altas densidades de corrente do sistema

PEMFC, obt idas a partir de pesquisas de novos tipos de membrana e

catal isadores, associadas a um aperfe ioamento na expectat iva de vida

operacional real imentaram o interesse por esta tecnologia {ibidem, 1996. p. 2).

SO r::'-iO^!. C Lftf;5-ki. rSJC! FAR

34

Atualmente, o cenrio das CaC bastante discutido e difundido

internacionalmente, devido a caractersticas inerentes da tecnologia, por exemplo,

gerao de energia distribuda e util izao de fontes renovveis para obteno

de hidrognio. No caso do Brasil, os reflexos das aes conduzidas no exterior

para o desenvolvimento da tecnologia CaC resultaram no Programa Brasileiro de

Sistemas de Clulas a Combustvel - ProCaC, como iniciativa do Ministrio da

Cincia e Tecnologia e do Centro de Gesto e Estudos Estratgicos- CGEE -

(MCT/CGEE, 2002).

No mbito acadmico, verif ica-se que desde o final da dcada de 70

algumas atividades na rea de clulas a combustvel no nvel nacional tm sido

realizadas. Direta ou indiretamente vrias instituies, tais como a Universidade

Federal do Cear, Universidade Federal do Rio de Janeiro, o Instituto de

Pesquisas Tecnolgicas - IPT de So Paulo e o grupo de eletroqumica de So

Carlos, j se dedicaram ao estudo deste tipo de tecnologia. Recentemente, em

meados de 1998, iniciou no Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares -

IPEN/CNEN de So Paulo o estudo e desenvolvimento de sistemas, eficientes e

de baixo impacto ambiental , associados a CaC (WENDT e al, 2000).

2.3 - Sistema Conversor de Energia

As CaC so clulas eletroqumicas que podem converter cont inuamente a

energia qumica de um combustvel e um oxidante em energia eltrica pelo

processo envolvendo essencialmente e invariavelmente um sistema eletrodo-

eletrl i to^. Caractehzam-se por operar com alta eficincia e nveis de emisses

bem abaixo dos mais rgidos padres.

Conforme NETO (2005), a frmula termodinmica do ciclo de Carnot^

mostra que uma mquina trmica no pode converter toda a energia do calor em

energia mecnica, mesmo sob condies ideais, pois uma parte do calor

'Ibidem, 1996. p.9 ' Mxima eficincia= (T) - T 2 ) / T 1

35

perdida. Por exemplo, o motor a combusto utiliza o calor de uma fonte de

energia em alta temperatura (Ti) , converte parte desse calor em energia

mecnica, e perde a outra parte para um ambiente de menor temperatura (T2),

como o ar ambiente.

No caso das clulas a combustvel , o processo no envolve a converso de

calor em energia mecnica, pois estas t ransformam a energia qumica

diretamente em energia eltrica (FIG 2.1). Desta forma, a eficincia das CaC pode

superar o limite de Carnot, at mesmo em baixa temperatura, como em 80 C

{ibidem, 2005. p. 94).

Converso em energia trmica V

Converso em energia

mecnica

FIGURA 2.1 - Converso direta de energia das CaC em comparao as tecnologias de

converso indireta.

Ademais, o sistema de CaC apresenta vantagens por ser modular,

podendo ser construda para uma larga escala de requerimentos de potncia,

desde a centena de watts at a mltiplos kilowatts e megawatts, permit indo desta

maneira, a construo de plantas energticas al tamente eficientes at em locais

remotos. Devido s baixas emisses, as plantas de CaC podem ser instaladas na

local idade onde a energia ser consumida e, pr incipalmente, em reas

densamente povoadas. Como resultado, as linhas de t ransmisso so mais

econmicas e as perdas no sistema so reduzidas.

De acordo com KORDESH & SIMADER (1996), os princpios bsicos da

clula a combustvel so similares s conhecidas baterias eletroqumicas,

envolvidas em muitas atividades do nosso dia a dia. A grande diferena, no caso

das baterias, que esses disposit ivos possuem estocados no seu interior a

36

energia qumica contida nas substncias. Quando essa energia transformada

em eletricidade, as baterias so descartadas (baterias primrias) ou recarregadas

apropnadamente (baterias secundrias). No caso da CaC, a energia qumica

providenciada por combustvel e um oxidante armazenado fora da clula na qual

as reaes ocorrem, assim, a energia eltrica pode ser obtida cont inuamente,

contanto que as clulas sejam supridas por esses reagentes.

2.3.1 - C l a s s i f i c a o d a s T e c n o l o g i a s

H diferentes t ipos de CaC e muitas formas de classif icao so

encontradas na literatura (WENDT e. a/, 2000; 2002;. ALDAB, 2004). A FIG. 2.2

apresenta um exemplo razovel de uma classif icao geral de tipos da tecnologia

com descries abrangendo tambm os quesitos: CaC diretas, indiretas e

regenerativas. Nas CaC diretas, os produtos das reaes das clulas so

descartados, enquanto que nas clulas regenerativas, os reagentes^ consumidos

so regenerados por um ou mais mtodos, como indicado na FIG. 2.2 abaixo.

Clulas a Combustvel

D i r e t a s R e g e n e r a v a s

Baixa temperatura

Temperatura Intermediria

Alta temperatura

C a C de reforma

C a C b i o q u m i c a s

H 2 - O 2 H 2 - O 2 H 2 - O 2 Trmica

C o m p o s t o s o r a n i c o s - 0 2

C o m p o s t o s o ran icos -O?

C O - O 2 Eltr ica

C o m p o s t o s d e N? - O2

Amn ia - O2 Fotoqumica

H 2 -Haloanios

Rad ioqu mica

Metal - O2 Mtodos a a II K

Combust ve l e Oxidante

FIGURA 2.2 - Classificao das Clulas a Combustvel

Fonte: KORDESH &SIMADER (1996), modificado por FUKUROZAKI (2006)

No caso, o combustvel e o o.xidantc.

37

Os dois tipos descritos anteriormente so similares a baterias primrias e

secundrias^. O terceiro, so as CaC indiretas, como exemplo desta categoria

est a clula com reforma que usa combustveis orgnicos passveis de serem

convert idos em hidrognio e, a clula bioqumica, na qual uma substncia

bioqumica decomposta por meio de enzimas em soluo (algumas vezes

providas por adio de bactrias) para produzir hidrognio.

Uma outra subdiviso dos modelos de sistemas de clulas est de acordo

com a temperatura de operao, considerada por muitos pesquisadores a mais

apropriada. Neste propsito, a classif icao adotada consiste em clulas de baixa,

intermediria e alta temperatura de operao; respect ivamente, 25 a lOO^C, de

100 a 500C e, de 500 a 1000C {\bidem, 1996. p. 10). Em cada uma dessas

escalas de temperaturas, h diferentes padres de CaC que podem ser

subdivididas de acordo com o tipo de combustvel (veja FIG. 2.2).

A lguns desses combustveis podem ser disponibi l izados imediatamente,

como gs natural, ou faci lmente produzidos, no caso do hidrognio. Entre os

compostos orgnicos, a var iedade de potenciais combustveis concebvel, por

exemplo, por hidrocarbonetos, lcoois e, inclusive o carbono ou grafite. Os

combustveis contendo nitrognio util izam a amnia, a hidrazina, entre outras, e o

oxignio, na sua forma pura ou ar, usado prat icamente em todas as CaC como

oxidante. Tambm possvel a subdiviso do ponto de vista da natureza

eletroqumica do eletrlito uti l izado. Esta classif icao no est presente na FIG.

2.2 , mas um exemplo desta pode ser observado na TAB. 2 . 1 .

TABELA 2.1 - Classificao das CaC conforme o eletrlito utilizado

C l u l a a Combust ve l S i g l a Eletrlito Temperatura d e O p e r a o

Alcalina AFC Alcalino 50 a 200 C

Membrana Trocadora de Prtons ' PEMFC Polmero 50 a 130C

Metanol Direto DMFC Polmero 60 a130C

Acido Fosfrico PAFC Acido fosfrico 190 a 210C

Carbonato fundido MCFC Carbonato fundido 630 a 650 C

Oxido Slido SOFC Oxido slido 700 a 1000C

1 - Tambm conhecida com Clula a Combustvel de Polmero Eletroltico - PEFC e como Clula a

Combustvel de Polmero Slido - SPFC

Fonte: PROCaC/ CCGE/MCT (2002

Uma quantidade de pesquisas em CaC concentra-se no desenvolvimento de clulas primrias e de reforma.

file://{/bidem

38

Em relao natureza de operao, os eletrlitos pol imricos so

comumente uti l izados em temperaturas baixas e intermedirias (pressurizados).

Enquanto que os eletrlitos fundidos so ocasionalmente uti l izados em

temperaturas intermedirias, mas usualmente em altas [ibidem, 1996. p.11). J os

eletrlitos sl idos (por exemplo mistura de xidos, quando o on oxignio a

espcie transportada) so usados em altas temperaturas. Em termos de

praticidade, os sistemas CaC so dist inguidos pelos t ipos de eletrlitos uti l izados

seguidos dos nomes e abreviaes, mais f reqentemente usados nas publ icaes

(veja TAB 2.1).

2.4 - Principais Vantagens

As CaC oferecem inmeras vantagens como eficincia, segurana,

economia, baixas emisses, caractersticas nicas de operao^, f lexibi l idade de

planejamento e futuro potencial de desenvolvimento. Dentre estes aspectos,

destacam-se, em particular; a alta eficincia e segurana, a f lexibi l idade de

planejamento e o desempenho ambiental.

2.4.1 - A l t a E f i c inc ia e S e g u r a n a

Conforme NETO (2005), a eficincia um valor util izado como parmetro

para verificar a eficcia^ dos componentes, sistemas e processos. No que tange

a converses de energia, a eficincia comumente reflete a relao entre a energia

realmente aprovei tada e a que foi inicialmente util izada, normalmente expressa

em porcentagem.

De acordo com a termodinmica, a converso de energia sempre menor

que 100% e, cada converso de energia resulta em algumas perdas. No caso das

CaC possvel transformar at 9 0 % da energia presente em um combustvel em

eletricidade e calor (i)/dem, 1996. p. 11). A atual clula PAFC foi projetada para

^ Como por exemplo, a confiabilidade no que tange ao controle de voltagem da linlia de distribuio e controle de qualidade (ibidem, 1996. p 13) "' Entende-se por eficcia como a qualidade de produzir o resultado esperado e eficincia como a qualidade de produzir o resultado esperado fazendo um melhor uso dos recursos.

39

oferecer 4 2 % de eficincia na converso eltrica com base em altas temperaturas.

Em curto prazo ser possvel que a PAFC atinja at 46 % de eficincia, pelo

avano do conhecimento em cincias e engenharia (FIG. 2.3).

O Instituto de Pesquisa de Energia Eltrica - Electric Power Research

Institute est ima que o progresso nas clulas de carbonato fundido (MCFC)

resultar em eficincias eltricas acima de 60%, excluindo o topo do ciclo, no qual

estas podem ser ainda maiores. A lm disto, este parmetro independente do

tamanho, visto que a CaC pode operar com a metade da taxa de capacidade,

enquanto mantm uma elevada eficincia no uso do combustvel (/Jb/cfem,1966,

p.12).

C l u l a s a Combust ve l

Motor a d iese l

Motor a gaso l ina

Turb ina a g s e a vapor

20 30 40 50 60 70

FIGURA 2.3 - Comparao das eficincias em porcentagem (%)

Fonte: NETO, 2005

Outro atributo importante da CaC a aptido para cogerao, por exemplo,

a produo de gua quente e vapor de baixa temperatura concomitante a gerao

de eletricidade^ \ Esta taxa de eletr icidade e sada trmica de aproximadamente

1.0, enquanto na turbina a gs em torno de 0.5, comparat ivamente isto

representa o dobro de sada eltrica para a mesma carga de energia. Em

tamanhos pequenos at sistemas de uti l idade pblica, as CaC tambm so mais

eficientes (por um fator 2) quando comparadas, por exemplo, com um ciclo

combinado de 2 M W e taxa de produo de calor de 15 000 Btu/kWh.

" A capacidade de cogerao da CaC tambm contempla diferentes mercados de demanda de gerao trmica.

40

No obstante, os s istemas CaC consti tuem-se de partes modulares e no

girantes, apresentando elevada segurana em relao a turbinas de combusto

de sistemas de ciclos combinados ou engenharia de combusto interna, uma vez

que no h experincia*^ relatada de desarranjos catastrficos, como os que

ocorrem quando as partes mecnicas dos sistemas convencionais mencionados,

fa lham. Espera-se que sistemas de CaC "avanados" apresentem mais

vantagens em relao s tecnologias competi t ivas atuais.

2.4.2 - F lex ib i l i dade de P l a n e j a m e n t o

A flexibil idade de planejamento dos sistemas de CaC, incluindo o aspecto

de modular idade, resulta em benefcios estratgicos e f inanceiros para diversos

propsitos e clientes. Segundo KORDESH & SIMADER (1996), as plantas de

gerao de energia de CaC podem ser construdas em torno de dois anos, sendo

o desempenho independente do seu tamanho; possibi l i tando o uso progressivo da

capacidade do sistema por pequenos incrementos e, segundo as necessidades

dos clientes.

Desta forma, ao igualar melhor o aumento das exigncias de energia, os

longos perodos de sobrecarga podem ser evitados e os custos mdios fixos

podem ser diminudos. Portanto, mesmo se o crescimento do consumo incerto,

a CaC torna-se mais adequada medida que sua capacidade operacional pode

diminuir ou ser acelerada rapidamente em resposta a demanda.

Em adio, os benefcios obtidos com o uso da tecnologia CaC encontram-

se, alm do arrefecimento de reservas marginais, a confiabi l idade das pequenas

unidades de gerao de energia distribuda. Ou seja, a produo de eletricidade

no local onde essa ser consumida, possibilita, entre outros aspectos, na reduo

das probabil idades de falhas devido a interrupes externas de transmisso e,

conseqentemente, na mit igao de despesas de manuteno.

12 A experincia relata somente a perda de eficincia (ibidem, 1996. p. 12).

41

Inicialmente, as CaC podem ser projetadas para o abastecimento com gs

natural ou nafta (amplamente disponvel como produto de baixo custo nas

refinarias) nas clulas que requerem hidrognio. A reforma qumica dos produtos

ricos em hidrognio permite o uso variado de gases de baixa quant idade de

enxofre e combustveis lquidos. O avano do desenvolvimento das CaC tambm

poder habil it-las a operar com carvo gaseif icado.

Embora, a f lexibi l idade de planejamento no seja uma caracterstica restrita

a tecnologia CaC, j que as unidades de ciclo combinado e engenharia de

combusto interna apresentam, cada uma delas, a lgumas das caractersticas aqui

apontadas, as CaC, combinadas com suas outras vantagens, so notadamente

um recurso energtico nico {ibidem, 1996. p.15).

2.4.3 - D e s e m p e n h o A m b i e n t a l

A substi tuio dos atuais sistemas de gerao de eletricidade pela

tecnologia CaC pode melhorar a qual idade do ar e diminuir o consumo de energia

e efluentes, considerando o fato das plantas tradicionais produzirem mais

part iculados, xidos de enxofre e nitrognio do que outras fontes estacionrias

industriais combinadas. As emisses da planta de CaC so menores daquelas

especif icadas pelas restrit ivas regulamentaes ambientais (internacionais),

incluindo o dixido de carbono (CO2), um dos principais gases responsveis pelo

efeito estufa {ibidem, 1996. p.12).

Diferentemente do que ocorre com as plantas de turbina a gs e a vapor,

que requerem um uso massivo de gua para o sistema de resfriamento, a reao

eletroqumica da CaC produz como sub-produto a gua, de maneira que uma

pequena quant idade externa deste recurso necessria para a operao da

planta energtica. No obstante, a quant idade de efluente descartada pela CaC

tambm pequena e, sua qual idade superior, quando comparada s plantas

baseadas em combustveis fsseis, pois no requerem um pr-tratamento para a

sua disposio no meio ambiente. Alm disto, no h um grande volume de

resduos produzidos na operao da CaC {ibidem, 1996, p 12).

42

Ainda, a natureza silenciosa da produo de energia eletroqumica, el imina

uma frao substancial das fontes de rudos associadas aos sistemas

convencionais de vapor e, podem faci lmente entrar em conformidade com os

padres da Ocupacional Health and Safety Administration - OSHA. Ademais, as

exigncias para uso e ocupao do solo so aceitveis e, no caso de fontes

externas de energia, os corredores de transmisso no so necessrios. Por

conseguinte, a CaC, entre as tecnologias de produo de energia, a menos

perigosa, comparat ivamente ao seu pequeno tamanho, devido ausncia do ciclo

de combusto, o estado da arte dos sistemas de segurana e baixa emisso de

poluentes.

2.5 - Tecnologia da Clula a Combustvel de Membrana Trocadora de

Prtons

Dentre os diferentes tipos de CaC, destaca-se a Clula a Combustvel de

Membrana Trocadora de Prtons - PEMFC*^, cujo interesse de diversos pases e

instituies no mundo tem aumentado rapidamente, especialmente devido ao

compromet imento das indstrias automotivas em desenvolver carros movidos

com esta tecnologia (PEHNT, 2001).

Estas clulas de baixa temperatura de operao, que util izam uma

membrana polimrica como eletrlito so as mais promissoras como fonte

estacionria e tambm como alternativa para motores a combusto, por serem

robustas e de fcil ac ionamento e desl igamento, alm das vantagens intrnsecas,

como a alta eficincia com baixa emisso de poluentes.

O princpio de funcionamento da PEMFC como todas as outras CaC. A

energia qumica presente no combustvel , usualmente o hidrognio, e o oxidante,

oxignio, so completamente e ef ic ientemente convert idos em energia eltrica,

calor e gua (FIG.2.4). O hidrognio oxidado no nodo e o oxignio reduzido

no ctodo na unidade da clula (RALF, 1998).

Tambm conhecida como Clula a Combustvel de Membrana Polimrica Trocadora de Prtons - PEFC e de Polmero Slido - SPFC.

43

Hidrogen o Oxignin ar'1

Calor

Calridr.

FIGURA 2.4 - Desenho esquemtico da PEMFC

Fonte: ELECTROCELL, 2006

Basicamente, cada clula apresenta um conjunto eletrodo membrana

planar, denominado membrane electrode assembly - MEA e, placas bipolares

(FIG 2.5). O MEA o corao da CaC, sendo formado pela camada de eletrlito e

os eletrodos de difuso gasosa - EDG, componentes extremamente importantes

e del icados da clula a combustvel.

MEA

P l a c a s b ipolares

FIGURA 2.5 - MEA e clula unitria da PEMFC

Fonte: Brasil H2 Fuel Cell Energy (2005)

44

O eletrlito slido e constitui-se de uma camada delgada de um polmero

condutor protnico, j os EDG so formados por duas camadas distintas: a

camada cataltica composta de nanopartculas de platina ancoradas em carvo

at ivado - Carbon Black e recobertos por uma disperso do eletrlito e; a camada

difusora usualmente constituda de um papel de fibra de carbono rgida - Carbon

Paper ou tecido de carbono t ranado - Carbon Cloth.

As placas bipolares so blocos de grafite, sulcados por canais que

providenciam tanto o suprimento do combustvel e do oxidante, quanto conexo

eltrica entre as clulas unitrias, sendo uti l izadas para separar o nodo de uma

clula do ctodo seguinte. As unidades de clulas so comumente dispostas

eletr icamente em srie e sobrepostas vert icalmente, formando um mdulo - stack

(FIG. 2.6).

FIGURA 2.6 - Mdulo da PEMFC

Fonte; Power Pulse (2006)

Em relao aos sistemas externos clula destacam-se, dentre outros, a

unidade de processamento de gs, responsvel pelo fornecimento de ar e

combustvel ; inversor, responsvel pela converso da corrente contnua produzida

no conjunto de CaC a corrente alternada; e trocador de calor que possibilita o

gerenciamento energtico entre a instalao de processamento de gs e o

conjunto de CaC.

Segundo W E N D T ef. al. (2000), o sistema operacional de uma CaC

consiste em todos os disposit ivos de acionamento e controle, bem como de

segurana, que permite uma operao das clulas conforme as especif icaes de

sua ap l i cao. Sistemas operacionais para apl icaes mveis so mais

45

sofist icados e precisam ser mais rpidos que os de apl icaes estacionria,

devido prpria dinmica dos automveis, por exemplo.

2.5.1 - E v o l u o H i s t r i c a d o D e s e n v o l v i m e n t o

Esta tecnologia foi inventada pela General Electric (GE) nos anos 50 e

util izada pela NASA para fornecer energia ao projeto espacial Gemini, que t inha

como principal objetivo testar equipamentos e procedimentos para o Apollo.

Entretanto, a PEMFC da GE (modelo PB2) teve vrias dif iculdades tcnicas,

incluindo contaminao interna e vazamento de oxignio pela membrana, de

forma que baterias convencionais foram usadas nas Gemini 1 a 4 (NETO, 2004)*'*.

Desta maneira, a GE redesenhou sua PEMFC, e o novo modelo P3, apesar

de alguns problemas e fraca performance na Gemini 5, serviu adequadamente

para os outros vos das Gemini. Nas misses Apollo, contudo, a tecnologia

alcalina AFC foi selecionada para o comando e mdulos lunares, assim como

tambm foi escolhida para as misses do Space Shuttle uma dcada depois. Em

1959, Thomas Grubb e Leonard Niedrach, pesquisadores da GE, idealizaram o

uso de membranas orgnicas, de troca catinica, para uti l izao em clulas a

combustvel, promovendo o incio das pesquisas com clulas a combustvel de

eletrlito polimrico.

Entre 1959 e 1961 , a GE desenvolveu algumas membranas fenol-

sulfnicas com platina depositada como catalisador. O desempenho destas

clulas a combustvel era pequeno mesmo uti l izando uma boa quant idade de

platina no eletrodo, cerca de 5mg/cm^, massa equivalente a uma at ividade

cataltica especf ica de 8mA por mg de platina.

De acordo com W E N D T et al. (2000), a carga de platina destas clulas era

muito alta, o que tornava invivel o seu uso comercial . Ademais, devido

degradao da membrana utilizada nestas clulas PEMFC, o desempenho e a

vida til eram limitados. Mesmo com o alto custo e vida til curta, os benefcios

para o programa espacial foram satisfatrios, contudo a apl icao mercanti l ainda

estava distante.

M NETO.E.H.G.celulaacombuslivel.com.br/cac/oconceito/cachistoria.htm. Acessado em 07/06/2004

46

Em 1969, a segunda gerao das clulas a combustvel do tipo PEMFC da

GE eram consti tudas por um mdulo de 350 W, que fornecia energia para o

satlite artificial Biosateilite, uti l izando uma membrana melhor e fabricada pela Du

Pont, o Nafion, ainda muito util izado atualmente {ibidem, 2004.) .

Desde ento, observou-se que a vida til e o desempenho das clulas a

combustvel de segunda gerao melhoraram signif icat ivamente devido ao uso

desta membrana. No obstante, a mudana de cenrio tambm se consol idou

com a uti l izao de carvo ativo, at ivado com platina como eletrocatal isador

{ibidem, 2000. p. 542).

No final dos anos 80, vrias empresas comearam a surgir e atuar no

desenvolvimento de clulas a combustvel. Em 1988, a Ballard Technologies

Corporation, hoje uma das principais fabricantes de clulas a combustvel para

automveis, mostrou que as clulas PEMFC poderiam ser apl icadas em veculos

eltricos, uti l izando membranas experimentais, perf luoradas, desenvolvidas pela

Dow Chemical, iniciando ento uma caminhada rumo ao desenvolvimento efetivo

PEMFC {\bidem, 2004). Conforme ALDAB (2004), atualmente o sistema mais

uti l izado na propulso de veculos e nos sistemas de energia estacionria de

pequena escala.

2.5.2 - A p l i c a e s

As apl icaes para a tecnologia de clulas a combustvel do tipo PEMFC

so inmeras, no apenas na rea espacial e militar, como foi inicialmente, mas

tambm em carros, nibus, motos, caminhes, scooters, equipamentos

estacionrios e portteis (FIG. 2.7) para a gerao de energia em residncias,

comrcio e indstrias (Wendt ef. a/, 2000; RALF, 1997), alm da apl icao em

equipamentos eletrnicos , como celulares e laptops. Isto se deve aos

aperfeioamentos obt idos na fabricao e produo, assim como na densidade de

potncia das clulas PEMFC.

file://{/bidem

47

FIGURA 2.7 - Exemplo de aplicao porttil (laptop) da PEMFC

Fonte: Sras/V H2 Fuel Cell Energy (2005)

O processo de comercial izao de automveis de clulas a combustvel do

tipo PEMFC decorreu em funo da promulgao da lei americana Clean Air Act

Amendments (CAAA), em 1990, na qual a gasolina de queima mais limpa passou

a ser exigida em nove cidades americanas com ar part icularmente poludo.

Neste contexto, em 1994, a Daimler-Chrysler, em parceria com a empresa

canadense Ballard Power Systems, apresentou o NECAR1. uma van com

autonomia de 130km, velocidade mxima de 90km/h e com potncia de 50KW

util izando a tecnologia PEMFC (ibidem, 2004). No obstante, empresas como a

Ford, Renault, Honda, Volkswagen, Toyota, Mazda, Nissan, Fiat, Susuki, Pegeout,

Mitsubishi, entre outras, tambm investiram nesta tecnologia, part icipando no

desenvolvimento de veculos de emisso nula ou emisso mnima de poluentes

(FIG 2.8)

FIGURA 2.8 - Veculo de emisso nula - NECAR

Fonte: Mercedes Benz (2006)

48

De acordo com PEHNT (2001), o avanado desenvolvimento das PEMFC

para a indstria automotiva propiciou uma situao favorvel para a apl icao

destas clulas para gerao estacionria de eletricidade. Conforme NETO (2004),

a Ballard Power Systems (Canad) tm trabalhando em pesquisas com CaC

estacionrias tipo PEMFC de 250KW, principalmente na Europa e Japo.

Desde 2 0 0 1 , cerca de 5 unidades foram instaladas na Europa, sendo a

mais recente no ano 2002 em Oberhausen, Alemanha. Estes sistemas foram

projetados para funcionar com gs natural, embora uma unidade instalada pela

Ebara Ballard, em uma estao de tratamento de gua no Japo seja al imentada

por gs metano, obtido atravs de um digestor anaerbico, a primeira PEMFC

deste tipo.

Tambm a General Motor (GM) vem desenvolvendo clulas a combustvel

do tipo PEMFC para apl icao em sistemas estacionrios, assim como para o seu

tradicional mercado automotivo, e planeja vender, a partir de 2005, unidades de

75kW para indstrias que necessitam principalmente de energia ininterrupta e de

excelente qualidade.

Outras empresas, como Hydrogenics (Canad), Nuvera FuelCells (Itlia,

USA) e Plug Power (USA), esto atuando no desenvolvimento desta tecnologia

para a gerao de eletricidade em unidades estacionrias e sua insero no

mercado. Alm das apl icaes automotiva e estacionria, um mercado potencial

o de gerao de energia porttil, desde PEMFC para laptops e celulares, por

exemplo, at energia para equipamentos maiores, mas que possam ser

transportados e precisam de energia por longo perodo.

Atualmente, h no mundo unidades de demonstrao em operao

gerando uma potncia de 50 kW e outras em desenvolv imento produzindo cerca

de 250 kW (NETO, 2005). Embora esta tecnologia se encontre em acelerado

desenvolvimento e apresente um grande nmero de vantagens durante a fase em

uso e diversas aplicaes, os obstculos para a sua ampla insero no mercado

envolvem, alm de custos relacionados ao MEA, impactos ambientais

relacionados a outras etapas do ciclo de vida desta tecnologia, especif icamente

na manufatura e destino final da CaC.

ccffssAo nK!omi ; mucle/vr/SP-IPE?

49

Neste sentido, uma das tcnicas que esto sendo desenvolvidas e

util izadas para avaliar os efeitos ambientais or iundos de toda a cadeia produtiva

de um bem ou servio a Aval iao do Ciclo de Vida - ACV, pois as informaes

reunidas, no mbito conceituai desta ferramenta, permitem quantif icar tanto as

suas repercusses anteriores, quanto as posteriores. Hoje em dia, a ACV se

apresenta como um dos mais importantes procedimentos de gesto ambiental e

preveno poluio, integrando a srie ISO 14000.

50

3 - AVALIAO DO CICLO DE VIDA

Ass im como os organismos vivos, todo o produto tem uma "vida" que se

inicia com o projeto, seguido pela extrao de recursos, produo de materiais, a

manufatura, o uso e por f im as aes envolv idas no fim da vida til, tais como;

coleta, reuso, reciclagem e disposio de residuos (UNEP/SETAC, 2005). Estas

at ividades ou processos resultam em impactos ambientais devido ao consumo de

recursos, emisses de substncias no ambiente natural e trocas ambientais,

como por exemplo radiao (REBITZER e colaboradores , 2004).

Neste sentido, a Aval iao do Ciclo de Vida - A C V uma abordagem

metodolgica para estimar e avaliar os impactos atribudos cadeia do produto,

tais como; as mudanas cl imticas, depleo do oznio estratosfrico, a criao

do oznio tropoesfrico (smog), eutrof izao, acidif icao, efeitos toxicolgicos na

sade humana e ecossistemas, depleo dos recursos, entre outros.

Quando conduzimos a ACV, a fase do projeto do produto usualmente

excluda pois, f reqentemente, admite-se que esta etapa no contribui

signif icativamente para anlise. Contudo, importante notar que as decises

tomadas durante o projeto inf luenciam signif icativamente os aspectos ambientais

de outros estgios do ciclo de vida. Por exemplo, o projeto de um automvel pode

determinar o consumo do c