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Célula Combustível
Fontes de Hidrogênio 
O hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do universo. Ele compõe 75% de sua massa, e 90% de suas moléculas. Possui a maior quantidade de energia por unidade de massa que qualquer outro combustível conhecido - 52.000 British Thermal Units (BTU) - Unidades Térmicas Britânicas - por libra (ou 120,7 kilojoules por grama), cerca de três vezes mais calor por libra que o petróleo estando em seu estado líquido. Quando resfriado ao estado líquido, o hidrogênio de baixo peso molecular ocupa um espaço equivalente a 1/700 daquele que ocuparia no estado gasoso, sendo possível então o seu armazenamento e transporte.
No seu estado natural e sob condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. É um condutor de energia, uma forma de energia secundária que deve ser processada como veremos adiante, como a eletricidade.
O hidrogênio é uma molécula com grande capacidade de armazenar energia e por este motivo sua utilização como fonte renovável de energia elétrica e também térmica vem sendo amplamente pesquisada. Se for produzido a partir de fontes renováveis (etanol e água) e tecnologias renováveis, como as células fotovoltaicas, turbinas eólicas e turbinas de hidrelétricas, o hidrogênio torna-se um combustível renovável e ecologicamente correto.
É um elemento químico largamente encontrado na água, no ar, nos seres vivos, no petróleo e, para ter um aproveitamento como fonte de energia eficiente, deve estar na forma pura - gasosa ou líquida. Apresenta uma inflamabilidade elevada, mas não é maior que a do gás natural, uma fonte energética que está em expansão no Brasil e deverá ser uma das principais fontes de hidrogênio, pois na sua estrutura de hidrocarboneto, é encontrado o metano (CH4).
O hidrogênio molecular (H2) existe como dois átomos ligados pelo compartilhamento de elétrons - ligação covalente. Cada átomo é composto por um próton e um elétron. Como o hidrogênio tem densidade de 1/14 em relação ao ar, alguns cientistas acreditam que este elemento é a fonte de todos os demais, por processos de fusão nuclear.
Quando queimado com oxigênio puro, os únicos produtos são calor e água. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio, alguns óxidos de nitrogênio (NOX) são formados. Ainda assim, a queima de hidrogênio produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis fósseis.
Num sistema de célula a combustível, a utilização do hidrogênio puro traz vantagens como não necessitar de reformadores (equipamento utilizado para extrair o hidrogênio de uma fonte deste combustível, tal como o gás natural), diminuindo o tamanho e custo do sistema, além de não contaminar as membranas e eletrodos que são sensíveis a alguns compostos.
Principais Fontes de Hidrogênio
Gás Natural
O gás natural é uma fonte de energia rica em hidrogênio, com a relação de um átomo de carbono para quatro átomos de hidrogênio. É um dos combustíveis fósseis mais utilizados no mundo, com sua participação na matriz energética mundial de aproximadamente de 23%, atrás apenas do petróleo que está com 40%.
Dentre os principais combustíveis fósseis, como o petróleo e o carvão, o gás natural é o menos poluente.
Hoje, aproximadamente a metade da produção de hidrogênio no mundo provém do gás natural, e a maior parte da produção em escala industrial é pelo processo de reforma a vapor, ou como um subproduto do refino de petróleo e produção de compostos químicos.
Para ser utilizado numa célula a combustível, o gás natural passa pelo processo de reforma para se obter o hidrogênio. A reforma a vapor do gás natural utiliza energia térmica – calor - para separar os átomos de hidrogênio do átomo de carbono no metano (CH4), e envolve a reação do gás natural com vapor d’água a alta temperatura em superfícies catalíticas – platina ou níquel. O processo extrai os átomos de hidrogênio, deixando o dióxido de carbono como subproduto.
Este processo realiza-se em duas fases:
Fase 1: A reação decompõe o combustível em água e monóxido de carbono (CO).
Fase 2: Uma reação posterior transforma o monóxido de carbono e a água em dióxido de carbono e hidrogênio.
Estas reações ocorrem sob temperaturas de 200ºC ou maiores. Em células a combustível de óxido sólido (SOFC) ou carbonato fundido (MCFC), a reforma a vapor ocorre internamente devido à alta temperatura – entre 600°C e 1000°C. O catalisador a esta temperatura pode ser o níquel, mais barato que a platina, pois nesta temperatura as reações de catálise ocorrem mais facilmente dispensando um catalisador de altíssima taxa de reações e caro como a platina.
Do ponto de vista ambiental este sistema de produção de hidrogênio não é considerado sustentável, devido às emissões de CO2, que contribui para o efeito de estufa.
A reforma a gás natural tem se mostrado o meio de menor custo para produzir o hidrogênio comercial, mas como pode ser observado acima, o gás natural é um hidrocarboneto, e emite CO2 no processo de conversão. Entretanto, se o pico global da produção de gás natural ocorrer por volta de 2020, como predizem alguns geólogos, será necessário descobrir outros métodos de produzir hidrogênio ou utilizar um combustível renovável como o etanol – álcool da cana-de-açúcar, e esta deverá ser a principal aposta brasileira.
Etanol
O etanol é hoje uma das principais fontes de energia no Brasil. É uma fonte de energia renovável, pouco poluente, e se aplicado em células a combustível, possibilita uma eficiência energética melhor que a utilizada hoje e com praticamente nenhuma emissão de poluentes.
Além disso, o Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, e também o maior produtor de açúcar e etanol (álcool). Movimenta anualmente cerca de 12 bilhões de dólares e emprega diretamente aproximadamente um milhão de trabalhadores, e indiretamente cerca 3,5 milhões, com a maior parte das unidades produtoras e de mercado de trabalho localizadas nos Estados de São Paulo e do Paraná.
No ano de 2003, a produção de álcool chegou a 14,4 bilhões de litros em todo o país, com o Centro-Sul responsável por 12,9 bilhões de litros desse total. É um volume 16,72% acima dos 11,014 bilhões de litros produzidos na safra 02/03. Isto se deve às novas variedades de matéria-prima, às condições climáticas favoráveis e à melhoria da eficiência industrial das unidades produtoras.
O etanol é produzido a partir de amido de milho, da cana-de-açúcar, da beterraba e de outras matérias-primas, e tem sido usado por décadas como combustível para transporte em várias partes do mundo. Apresenta energia densa e líquida que pode ser estocada compactamente, contém 35% de oxigênio, e possui uma combustão limpa. Pode ser produzido no país, o que diminui a necessidade do óleo importado e dos derivados de petróleo, contribui para a segurança energética dos países e fornece suporte econômico e mercados alternativos para as safras da matéria-prima utilizada.
Quando o etanol substitui o petróleo, os benefícios ambientais incluem menores emissões de CO2. E ao contrário de outros combustíveis oxigenados, o etanol não é nocivo ao meio ambiente no caso de ocorrerem derramamentos ou vazamentos. Por possuir estes atributos, o etanol possui um futuro forte como combustível alternativo ou como combustível adicional para mecanismos de combustão interna. A demanda por etanol é crescente e a indústria do etanol responde com progressos, como uma tecnologia de produção mais eficiente e com uma capacidade de produção maior.
Quando o etanol é usado em uma célula a combustível, pode gerar além de energia, importantes contribuições ambientais, além de abrir novos mercados com a geração distribuída e com aplicações avançadas em sistemas de transporte. Por este motivo, a indústria do etanol está começando a ter um papel mais importante nos mercados futuros.
As células a combustível com etanol usado diretamente são conhecidas como DEFCs – Direct Ethanol Fuel Cells/Etanol Direto. No Brasil, assim como nos EUA, existem estudos procurando viabilizar a utilização do etanol nas CaCs, mas ainda estão em fase de desenvolvimento.
As principais características do Etanol estão abaixo:
» Líquido incolor e volátil, com odor e sabor característicos;
»Pureza expressa em graus Gay Lussac. O álcool vendido comercialmente para fins domésticos tem 96ºGL.
»Capacidade de dissolver substâncias orgânicas.
»Composto orgânico saturado.
» Pode ser dissolvido com água em todas as proporções.
» Queima gerando uma chama com desprendimento de calor e nenhuma fuligem.
»Fórmula Molecular: CH2OH5
» Peso Molecular: 46
» Densidade API: 47,1
» Massa Específica: 789,1 kg/m³
»Temperatura de fusão (a 101,35 kPA): -117,22º C
»Temperatura de ebulição (a 101,35 kPA): 77,78º C
» Calor latente: 921096,00 J/kg
»Valores Caloríficos: 26990,90 J/kg (mais baixo) a 29,28 J/kg (mais alto)
»Razão ar-combustível: 9,0 : 1
»Octanagem (Método motor ASTM): 99
»Índice de Cetano: 10
Metanol
O metanol é um líquido incolor, com peso molecular igual a 32,04, possuindo um odor suave na temperatura ambiente. Sua fórmula molecular é CH3OH. Atualmente, o metanol é uma das matérias-primas mais consumidas na indústria química. Já foi conhecido como álcool da madeira, devido a sua obtenção comercial a partir da destilação destrutiva da madeira.
A maior utilização do metanol atualmente está na produção de formaldeído, metil-tert-butil-éter (MTBE) – aditivo para a gasolina e que está sendo banido aos poucos nos EUA – e como combustível puro ou em mistura com gasolina para automóveis leves.
A tecnologia conhecida como metanol direto (DMFC) é uma variação da tecnologia PEMFC no qual faz uso do metanol diretamente sem a necessidade de reforma do combustível para se ter o hidrogênio puro. O metanol é convertido em dióxido de carbono e hidrogênio no ânodo. O hidrogênio se quebra em prótons e elétrons. Os prótons atravessam a membrana até reagir com o oxigênio para formar água, seguindo o mesmo padrão de reação numa típica célula a combustível PEMFC.
A maioria das CaCs são alimentadas por hidrogênio, o qual pode ser adicionado diretamente ou ser extraído a partir de um combustível no próprio sistema CaC através da reforma de uma fonte de hidrogênio tal como o metanol, o etanol, e hidrocarbonetos, como o gás natural e gasolina. As células a combustível de Metanol Direto (DMFC), entretanto, são alimentadas por metanol, o qual é misturado ao vapor e então ao ânodo (eletrodo negativo) da célula a combustível.
As células a combustível DMFC não tem muitos dos problemas de armazenamento típicos de outras tecnologias, pois o metanol tem uma densidade de potência maior que a do hidrogênio – embora menor que a da gasolina ou diesel. O metanol também é mais fácil de transportar e fornecer para o mercado, pois pode utilizar a corrente infra-estrutura por ser um combustível líquido, como a gasolina.
Estas células operam na temperatura de 120-130°C, o qual é um pouco maior que a temperatura padrão de uma PEMFC (80°C), e atinge uma eficiência de aproximadamente 40%. A desvantagem é que a baixa temperatura de conversão do metanol para hidrogênio e dióxido de carbono precisa de uma quantidade maior de platina como catalisador do que na PEMFC convencional, o que aumenta o custo da célula a combustível. O aumento no custo é, entretanto, compensado pela praticidade de utilizar um combustível líquido e de não necessitar de um reformador. A tecnologia existente nas DMFCs ainda está em início de desenvolvimento mas já têm demonstrado sucesso em aplicações em telefones celulares e laptops, mercados potenciais para esta tecnologia.
As principais propriedades físicas do Metanol estão abaixo:
»Densidade
(20/4 °C) máx: 0,7932
» Ponto inicial de ebulição
760mm Hg, °C: 64,4+ - 0,1
» Faixa de destilação
760mm Hg, °C máx: 1,0 incluindo, 64,4+ - 0,1
» Limite de inflamabilidade inferior
% vol 6,7
»Limite de inflamabilidade superior
% vol: 36,5
»Calor de combustão
cal/g, gas.,25 °C: 5683
»Calor de combustão
cal/g, liq.,25 °C: 5420
»Calor de fusão
cal/g: 0,76
»Calor de vaporização
cal/g (ponto normal de ebulição): 262,8
»Ponto de congelamento
°C: -97,8
»Índice de refração
n20: 1,32863
»Calor específico do líquido
cal/g/°C a 20°C: 0,599
»Pressão crítica
Atm: 78,7
»Temperatura crítica
°C: 240,0
»Temperatura de auto-ignição
°C: 470
»Coeficiente de expansão cúbica
por °C a 55°C: 1,24 x 103
»Constante dielétrica
mhos, 25°C: 32,63
»Pressão de Vapor
mm Hg, 20°C: 96,0
»Solubilidade em água, álcool ou éter completa
Água
A água deverá ser uma das principais fontes de hidrogênio no futuro. Companhias de energia no Brasil estão começando a pesquisar a viabilidade econômica de se produzir hidrogênio a partir da água utilizando os reservatórios das grandes usinas hidrelétricas brasileiras. A idéia é produzir durante a madrugada, período em que a demanda por energia é baixa e de menor custo.
Para extrair o hidrogênio da molécula de água (H2O), utiliza-se o método por eletrólise. A eletrólise faz uso da eletricidade para romper a água em átomos de hidrogênio e oxigênio, passando por ela uma corrente elétrica. Este processo existe há mais de 100 anos. Seu funcionamento consiste de dois eletrodos, um negativo (ânodo) e outro positivo (cátodo) que são submersos em água pura, à qual se deu maior condutibilidade pela aplicação de um eletrólito, tal como um sal, melhorando a eficiência do processo.
As cargas elétricas da corrente quebram as ligações químicas entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio e separa os componentes atômicos, criando partículas carregadas (íons). Os íons se formam em dois pólos: o anodo, polarizado positivamente, e o catodo, polarizado negativamente. O hidrogênio se concentra no cátodo e o anodo atrai o oxigênio. Uma tensão de 1,24V é necessária para separar os átomos de oxigênio e de hidrogênio em água pura a uma temperatura de 25ºC e uma pressão de 1,03Kg/cm2. A tensão necessária para quebrar a molécula de água varia conforme a pressão ou a temperatura são alteradas. Visualmente, o hidrogênio borbulha em direção ao eletrodo de carga negativa (anodo), e o oxigênio rumo ao eletrodo de carga positiva (cátodo). A menor quantidade de eletricidade necessária pra eletrolisar um mol de água é de 65,3 Watts-hora (25ºC). A produção de um metro cúbico de hidrogênio requer 0,14 kilowatts-hora (kWh) de energia elétrica (ou 4,8kWh por metro cúbico).
A eletrólise não tem sido muito utilizada porque os custos da eletricidade usada no processo impedem que ela concorra com o processo de reforma a vapor do gás natural e futuramente com o de etanol. A eletricidade pode custar de três a quatro vezes mais que o gás natural reformado a vapor. À medida que o gás natural for ficando mais escasso e caro, provavelmente a eletrólise ficará competitiva. No Brasil, pode-se aproveitar os reservatórios das hidroelétricas e produzir hidrogênio nos horários fora de pico e mais baratos, como durante a madrugada. Se os custos das células fotovoltaicas, de geração eólica, hídrica e geotérmica, todas estas formas de energia renováveis e livres de carbono, diminuírem, a eletrólise através destes métodos será uma opção também atrativa.
Biomassa
A biomassa oferece as melhores perspectivas entre todas as fontes de energia renováveis e como fonte de hidrogênio, seja produzindo álcool (etanol), metanol ou metano (CH4). A cana-de-açúcar, o milho, as florestas cultivadas, soja, dendê, girassol, colza, mandioca, palha de arroz, lascas ou serragem de madeira, dejetos de criação animal, são bons exemplos de biomassa. Seu valor energético é alto, pois uma tonelada de matéria seca gera 19 GJ. Um hectare de cana-de-açúcar produz 980 GJ e a mesma área reflorestada gera 400 GJ.
Metano de Estação de Tratamento de Água e Esgoto
O metano (CH4) é um componente do "biogás", produzido por bactérias anaeróbias. Estas bactérias são encontradas em grande quantidade no meio ambiente. Elas quebram, ou digerem, matéria orgânica na ausência de oxigênio e produzem o "biogás" como resíduo metabólico. Exemplos de fontes de biogás incluem os aterros sanitários, o esterco de gado ou porcos e as estações de tratamento de águas e esgotos. O metano também é o principal componente do gás natural produzido por bactérias anaeróbias há milhões de anos atrás.
Algas e Bactérias
Os processos biológicos e fotobiológicos através de enzimas utilizam algas e bactérias para produzir hidrogênio. Sob condições específicas, os pigmentos em certos tipos de algas absorve energia solar. As enzimas na célula de energia agem como catalisadores para decompor as moléculas de água. Algumas bactérias também são capazes de produzir hidrogênio, mas diferentemente das algas necessitam de substratos para seu crescimento. Os organismos não apenas produzem hidrogênio, mas também podem limpar poluição ambiental.
Sabe-se de longa data que as algas produzem pequenas quantidades de hidrogênio, mas até recentemente os cientistas não haviam encontrado um método factível para aumentar esta produção. Cientistas da Universidade da Califórnia, Berkeley, e o Laboratório Nacional de Energia Renovável encontraram uma solução. Após permitir que a cultura de algas crescesse sob condições normais, os pesquisadores privaram-nas de enxofre e oxigênio. Após muitos dias gerando hidrogênio, a cultura de algas foi colocada novamente sob condições normais por alguns poucos dias, permitindo assim que armazenassem mais energia. O processo pode ser repetido várias vezes. A produção de hidrogênio por algas pode eventualmente promover um meio prático e de baixo custo para a conversão de luz solar em hidrogênio.
Gasolina e Diesel
A gasolina e o diesel também podem ser utilizados para produzir hidrogênio para as células a combustível, mas são mais inconvenientes por terem uma estrutura com diversas moléculas. A única vantagem seria o aproveitamento da sua infra-estrutura estabelecida em postos servindo como transição para o modelo de postos a hidrogênio no futuro. Mas a tendência deverá ser o aproveitamento da infra-estrutura estabelecida pelo álcool (etanol).
Armazenamento de Hidrogênio
Se o primeiro desafio da tecnologia do hidrogênio é a sua produção, o segundo é como armazená-lo; um dos principais obstáculos para o estabelecimento da infra-estrutura para a tecnologia do hidrogênio. Além da questão de segurança, a capacidade de armazenamento é importante, pois define a autonomia dos veículos. O mesmo se aplica para as aplicações portáteis, estacionárias e espaciais.
O hidrogênio tem a menor densidade no estado gasoso e o segundo ponto de ebulição de todas as substâncias conhecidas, fazendo com que se tenha dificuldades para armazená-lo no estado gasoso ou líquido. Quando em forma de gás, necessita de um sistema de armazenamento de grande volume e pressão, e quando no estado líquido, precisa que o seu armazenamento utilize sistemas criogênicos, ou seja, em baixíssima temperatura (-253°C).
A baixa densidade do hidrogênio seja no estado líquido ou gasoso, também resulta numa baixa densidade de energia. Por isso, um certo volume de hidrogênio contém menos energia que o mesmo volume de qualquer combustível em condições normais de temperatura e pressão. Isto faz com que o volume ou a pressão do tanque aumente, pois uma certa quantidade de hidrogênio é necessária para que um veículo atinja uma boa autonomia. A vantagem de se utilizar numa célula a combustível é a alta eficiência desta tecnologia com relação aos motores à combustão interna, precisando de menos combustível para atingir o mesmo resultado.
Classe A com corte mostrando o tanque e a célula.
Apesar de sua baixa densidade de energia volumétrica, o hidrogênio tem a maior relação energia-peso que qualquer outro combustível. Infelizmente, esta vantagem é usualmente ofuscada pelo alto peso do tanque de armazenamento e equipamentos associados, fazendo com que muitas vezes seja maior e mais pesado que aqueles utilizados para armazenar gasolina, diesel ou álcool. Mas já há projetos que utilizam materiais de carbono ultra-resistentes e mais leves para estes propósitos.
Para aplicações práticas, o hidrogênio pode ser armazenado em alta pressão, no estado líquido em contêineres criogênicos, ou quimicamente ligados a certos metais (hidretos metálicos). O volume e o peso dos sistemas estão cada vez mais próximos quando comparados ao armazenamento de gasolina, metanol, etanol, gás natural e baterias convencionais, cada um contendo a mesma quantidade de energia.
Existem atualmente cinco meios principais de se armazenar o hidrogênio. Uma das mais pesquisadas no Brasil é através de hidretos metálicos, onde o hidrogênio é absorvido por metais. Esta tecnologia vem sendo pesquisada pelo Laboratório de Hidrogênio do COPPE/UFRJ. O instituto de pesquisa do hidrogênio é uma referência da tecnologia do hidrogênio no Brasil e no mundo, e vem pesquisando o armazenamento do combustível em hidretos metálicos com apoio da Renault, CNPq e FAPERJ.
Além do armazenamento em materiais sólidos, há pesquisas para compressão de hidrogênio em cilindros que suportem altíssimas pressões. O objetivo das montadoras de automóveis é atingir pressões internas de até 10.000 psi, pelo menos. Algumas já conseguiram, mas o nível de segurança deve ser altamente confiável. Por isso, a maioria dos protótipos são de 5.000 psi.
As cinco principais formas de se armazenar hidrogênio são:
»Reservatórios de Gás Hidrogênio Comprimido;
»Reservatórios para Hidrogênio Líquido;
»Hidretos Metálicos;
»Adsorção de Carbono;
»Micro-esferas.
Vejamos abaixo as principais características das opções de armazenamento de hidrogênio.
Reservatório de Gás Hidrogênio Comprimido:
Sistemas de armazenamento de gás em alta pressão são os mais comuns e desenvolvidos para armazenamento de hidrogênio. A maioria dos veículos movidos por células a combustível utilizam esta forma de armazenamento feito em cilindros, de forma similar aos utilizados com gás natural comprimido. 
Nas seções cilíndricas, o formato parece com domos hemisféricos, embora novos formatos estejam em desenvolvimento, com múltiplos cilindros e outros formatos buscando aproveitar espaços disponíveis nos automóveis, aumentando a quantidade de hidrogênio armazenado, seja por aumento de volume, ou por maior compressão.
Buscando minimizar o volume e ao mesmo tempo maximizar a quantidade de hidrogênio armazenado, os fabricantes de cilindros estão tentando atingir as maiores pressões possíveis. Cilindros de alta pressão normalmente armazenam hidrogênio com pressão de 3.600 psi (250 bar) embora novos desenhos já tenham conseguido certificação para operar com 5000 psi (350 bar). O estado da arte da tecnologia atualmente em desenvolvimento já superou o teste padrão de explosão para 23.500 psi (1620 bar) utilizando um cilindro de 10.000 psi (700 bar).
Os cilindros devem ser feitos com placas finas, utilizando materiais altamente resistentes e de excelente durabilidade. Estão classificados basicamente em 4 tipos de acordo com o material utilizado.
» Tipo 1: Podem ser feitos totalmente de alumínio ou aço;
»Tipo 2: Camada fina de alumínio ou aço envolto por outro composto – geralmente fibras de carbono - em forma de circunferência;
» Tipo 3: Fina camada de aço ou alumínio envolto totalmente por outros compostos como fibras de carbono;
» Tipo 4: Uma camada de plástico resistente envolto por outro composto também resistente.
Em geral, quanto menos metal for usado, mais leve será o cilindro. Por esta razão, os cilindros com fina camada de aço ou alumínio e com alta resistência, tal como o Tipo 3, são mais usados para aplicações com hidrogênio. Os cilindros do Tipo 4 ganharão mais espaço no futuro.
Os cilindros do Tipo 3 utilizam finas camadas de aço ou alumínio intercaladas e envoltas por fibras de carbono, utilizando resinas como o epóxy para colá-las.
A combinação de fibras e resina para envolver as camadas metálicas possibilita uma alta resistência, e diferentemente dos metais, são menos corrosivos, embora possam sofrer danificações devido a impactos, cortes, abrasão, etc.
Um detalhe importante é com relação à temperatura em ambientes quentes, ou devido ao resultado de compressão durante o abastecimento do cilindro, o que faz com que a pressão aumente em 10% ou mais. Qualquer gás armazenado nestas pressões é extremamente perigoso e capaz de liberar um fluxo de gás com força explosiva ou capaz de impulsionar um pequeno objeto na velocidade de uma bala.
Apesar do perigo em potencial, os cilindros de alta pressão têm uma estatística de segurança excelente.
Durante a fabricação, cada cilindro passa por testes de hidrostática e vazamentos, e uma determinada quantidade de cilindros de cada lote são selecionados aleatoriamente para testes cíclicos e de explosão. Os cilindros carregam informações como a marca do fabricante, o padrão de construção, número serial, pressão para uso, máxima pressão de abastecimento, e tempo de validade. Os cilindros têm uma vida útil de aproximadamente 15 anos ou 11.250 abastecimentos. Mas deve-se sempre fazer inspeções e testes de vazamentos como parte de uma rotina de manutenção.
Um veículo com cilindro de hidrogênio utiliza uma série de cilindros montados num compartimento em comum. Na pressão de 3600 psi (250 bar), o sistema de armazenamento pesa aproximadamente quatro vezes mais que o do sistema de armazenamento de hidrogênio líquido e também ocupa um espaço quatro vezes maior. Quando comparado com gasolina, o sistema de armazenamento do gás é cerca de 15 vezes maior em volume e 23 vezes mais pesado. Esses são valores médios e atuais. Em breve, já teremos estas desvantagens minimizadas.
A compressão de gás é um processo de uso intensivo de energia. Quanto maior a pressão final, maior a quantidade de energia que é requerida. Entretanto, a energia incrementada cada vez que se aumenta a pressão final diminui. Assim, o início da compressão é a parte do processo que mais faz uso de energia.
Reservatório de Hidrogênio Líquido
Sistemas de armazenamento de hidrogênio líquido resolvem vários problemas como peso e tamanho que estão associados aos sistemas de compressão em alta pressão.
Para que atingir o estado líquido o hidrogênio deve estar abaixo do seu ponto de ebulição (-253 °C) na pressão ambiente num tanque muito bem isolado, geralmente com vácuo entre duas camadas, muito parecido com uma garrafa térmica. Os tanques de armazenamento não precisam ser altamente reforçados como acontece com os cilindros de alta pressão, mas precisam ser adequadamente robustos para aplicações automotivas.
O hidrogênio não pode ser armazenado no estado líquido indefinidamente. Todos os tanques, mesmo aqueles com excelente isolamento, permitem a troca de calor com os ambientes externos. A taxa de transferência de calor depende do desenho e tamanho do tanque - neste caso, quanto maior o tanque, melhor. O calor faz com que parte do hidrogênio evapore e a pressão no tanque diminua. Para diminuir a perda por evaporação, a maioria dos tanques utilizam o desenho esférico pois oferecem a menor área para um determinado volume, tendo assim uma menor área de transferência.
Os tanques têm uma pressão máxima de operação de 72 psi (5 bar). Se o hidrogênio não for consumido mais rapidamente que sua evaporação, a pressão cresce até um ponto em que o hidrogênio descarrega através de uma válvula de alívio. O hidrogênio descarregado não só é uma perda direta deste combustível, como pode ter um poder de flamabilidade se o carro estiver estacionado em locais fechados. Para que este fluxo de perda seja controlado para não ocorrer uma possível acumulação em potencial, os veículos apresentam válvulas de alívio que liberam o gás numa taxa de 1 a 2% por dia.
Quando utilizado em motores à combustão, o hidrogênio líquido pode ser injetado diretamente nos cilindros. Quando utilizado em carros movidos por células a combustível, o hidrogênio gasoso atinge uma pressão suficiente para que ocorra as reações químicas nos eletrodos e catalisadores.
Embora o armazenamento de hidrogênio líquido elimine o perigo associado às altas pressões, eles introduzem perigos associados à baixa temperatura. O carbono tem problemas de exposição em temperaturas menores que -30 °C, tornando-o quebradiço e susceptível a fratura. Além disso, o ar pode se liquefazer no lado de fora ou dentro da área de isolamento resultando numa concentração de oxigênio que pode causar uma faísca ou explosão se entrar em contato com materiais combustíveis.
O hidrogênio líquido é mais denso que no estado gasoso mas mesmo assim é mais volumoso que a gasolina considerando-se uma quantidade de energia equivalente. Comparando-se com os tanques de gasolina, os sistemas de armazenamento de hidrogênio são de 4 a 10 vezes maiores e pesados para uma quantidade equivalente de energia.
Hidretos Metálicos
Os sistemas de armazenamento de hidrogênio através de hidretos metálicos são baseados no principio de que alguns metais absorvem o hidrogênio gasoso sob condições de alta pressão e temperatura moderada para formar os hidretos metálicos.
 Esses metais liberam o gás hidrogênio quando aquecidos em baixa pressão e em alta temperatura. Resumindo, os metais absorvem e liberam o hidrogênio como uma esponja.
Hidreto metálico da Savannah River Technology Center.
As vantagens do armazenamento utilizando hidretos metálicos está pelo fato de que o hidrogênio passa a fazer parte da estrutura química do metal e assim não precisa de altíssimas pressões ou estar no estado criogênico (baixíssima temperatura) para operar. Como o hidrogênio é liberado do hidreto para uso em baixas pressões os hidretos metálicos são a opção mais segura dentre todos os outros métodos para se armazenar o hidrogênio.
Há muitos tipos de hidretos metálicos, mas basicamente eles são metais como o magnésio, níquel, aço e titânio. No geral, estão divididos de acordo com a capacidade de liberar hidrogênio em baixa ou alta temperatura.
Os hidretos de alta temperatura são menos caros e podem absorver mais hidrogênio que os hidretos de baixa temperatura, mas requerem quantidades significativas de calor para liberar o hidrogênio. Os hidretos de baixa temperatura podem conseguir calor suficiente através do motor, mas os hidretos de alta temperatura precisam de uma fonte externa de calor.
Muitas vezes os hidretos de baixa temperatura podem ter problemas de liberar o hidrogênio na temperatura ambiente. Para resolver este problema, os hidretos de baixa temperatura precisam ser pressurizados, aumentando a complexidade do processo.
A maior desvantagem dos hidretos metálicos não é tanto a temperatura e pressão necessárias para liberar o hidrogênio, mas a sua baixa densidade de energia. Mesmo os melhores hidretos metálicos contém somente 8% de hidrogênio em relação ao peso e assim se tornam muito pesados e caros. Estes sistemas de armazenamento podem ser até 30 mais pesados e 10 vezes maiores que um tanque de gasolina considerando-se a mesma quantidade de energia.
Outra desvantagem do armazenamento através de hidreto metálico é que devem ser carregados somente com hidrogênio puro, pois podem ser contaminados e perderem a capacidade de armazenamento caso impurezas sejam inseridas. O oxigênio e a água são os principais problemas, pois quimicamente eles adsorvem na superfície do metal retirando potenciais ligações para o hidrogênio. A perda de capacidade de armazenamento devido a contaminantes pode ser resolvida com inserção de calor.
Outro problema associado aos hidretos de metal está relacionado à sua estrutura. Eles são geralmente produzidos na forma granular ou em pó possibilitando assim uma grande área para armazenar o gás. As partículas são suscetíveis ao atrito, o que pode diminuir a eficiência.
Até o momento nenhum hidreto metálico atingiu uma excelente performance considerando-se alta capacidade de absorção, alta densidade, necessidade de pouco calor e ter baixo custo. Em alguns casos, uma mistura de hidretos de baixa e alta temperatura pode ser usada para manter algumas vantagens inerentes a cada tipo ao mesmo tempo em que pode introduzir desvantagens.
Hidretos Alcalinos
É uma variação recente de hidretos que oferece algumas vantagens sobre os métodos anteriores e utiliza compostos como o sódio, potássio e o lítio. Estes compostos reagem com água para liberar o hidrogênio sem necessidade de calor. O processo mais desenvolvido comercialmente envolve o uso de hidróxido de potássio (NaOH), disponível facilmente como refugo de indústrias de papel, pintura, têxteis, plástico e petroquímicas. O hidróxido de sódio é convertido em hidreto de sódio (NaH) retirando-se o oxigênio pela adição de um pouco de calor.
As vantagens deste processo é que não precisam de altas pressões operar em temperaturas criogênicas, além da adição de calor para liberar o hidrogênio, não ter tanto problema com contaminação, problemas estruturais e ser relativamente fácil de manusear.
Assim como os outros sistemas, os hidretos de sódio são pesados e tem uma densidade de energia que pode ser comparada a obtida pelos hidretos metálicos de alta temperatura. As desvantagens são complicações mecânicas durante o processo relacionados ao corte em pequenas bolas com controle de desenho.
Outros Métodos
Outras formas de armazenar o hidrogênio também vêm sendo pesquisadas, e não estão disponíveis comercialmente. Entre elas estão técnicas de micro-esferas e adsorção de carbono.
Adsorção de Carbono
A adsorção de carbono é uma técnica similar à aplicada aos hidretos metálicos onde o hidrogênio salta quimicamente para a superfície dos grânulos de carbono porosos. O carbono é adsorvido na temperatura de -185°C a -85°C e na pressão de 300 a 700 psi (21 a 48 bar). A quantidade de carbono adsorvido aumenta em baixas temperaturas. O calor em excesso de aproximadamente 150°C libera o hidrogênio.
Micro-esferas
Os sistemas de armazenamento de micro-esferas utilizam pequenas esferas de vidro no qual o hidrogênio é forçado a entrar sob alta pressão. Uma vez armazenado, as esferas podem ser mantidas na temperatura ambiente sem perda de hidrogênio.
Dependendo da temperatura, o vidro é impermeável ao hidrogênio que está dentro da esfera (baixa temperatura) ou permeável (alta temperatura) para que seja libertado.
A adição de uma pequena quantidade calor é suficiente para liberar o hidrogênio. Para aumentar a taxa de hidrogênio libertado, experimentos de choque entre as esferas estão sendo feitos.
Célula Combustível no Brasil
No Brasil, as células a combustível terão uma grande importância na área automobilística - tradicionalmente uma grande consumidora de combustíveis fósseis, e uma das responsáveis pela emissão de grandes quantidades de CO2, o vilão do efeito estufa que ocasiona o aquecimento da atmosfera terrestre.
Na área de equipamentos eletrônicos, possibilitará que várias funções como vídeo, áudio, armazenamento e transmissão de dados sem fio sejam agregados num equipamento apenas, devido à maior quantidade de energia e potência que as CaCs oferecem, além de substituírem as baterias convencionais nocivas ao meio ambiente.
E na parte relacionada à geração de energia estacionária, também terá importância fornecendo energia próxima aos locais de consumo como em residências, comércio e indústrias, aliviando a sobrecarga nos grandes centros de produção de energia como as grandes hidrelétricas e termelétricas, e desfazendo investimentos onerosos em linhas de transmissão para atingir localidades remotas, como já é feito com as células solares.
Para que o desenvolvimento da tecnologia de células a combustível ocorra no Brasil, já existe um programa dedicado às CaCs:O Programa Brasileiro de Sistemas de Células a Combustível, lançado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). E para que a construção e operação de CaCs ocorra no país, é necessária uma atuação conjunta e articulada de diversos setores. No programa, constam os primeiros subsídios para questões referentes a normas sobre propriedade intelectual, ética e de segurança dos experimentos a serem realizados nesta área. (Está disponível no link sobre Legislação).
O Brasil tem um grande potencial para ser referência em tecnologia do hidrogênio e ficar auto-suficiente em energia em todas as formas de aproveitamento de energia, incluindo o petróleo. É um ponto estratégico e crucial para o desenvolvimento e crescimento econômico do país. Com uma grande capacidade hidráulica e sucro-alcooleira, o Brasil poderá produzir hidrogênio para exportar e utilizar em suas próprias células a combustível. O nosso país poderá ser uma referência mundial em auto-suficiência em energia e exportador da tecnologia célula a combustível e de hidrogênio, além de outras tecnologias de energia alternativa, como o biodiesel.
Estamos começando a viver a era do hidrogênio onde os primeiros passos estão sendo dados para que a economia baseada no petróleo se transforme em breve na economia do hidrogênio.
Desafios
Especialistas acreditam que um futuro baseado em célula a combustível acontecerá dentro de uma década, mas muitos desafios devem ser superados. Para começar, programas de cooperação público-privada são necessários para demonstrar os benefícios das CaCs e alcançar a comercialização em massa por volta do ano 2012. Barreiras técnicas e econômicas também devem ser analisadas e vencidas para que as células a combustível sejam utilizadas em aplicações em transportes, energia portátil, estacionária, entre outras aplicações.
Sistema Célula a Combustível Para Automóveis da Ballard
Fonte: Brasil H2 Fuel Cell Energy
Por: Eng. Emilio Hoffmann Gomes Neto
Para saber mais acesse o site:
http://www.celulaacombustivel.com.br/
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