Célula a Combustível

O esgotamento dos combustíveis fósseis e a degradação do meio ambiente estão entre os principais e cruciais problemas enfrentados pela sociedade moderna.

Estes problemas são relacionados porque uma das principais fontes de poluição ambiental é o uso indiscriminado de combustíveis fósseis para produzir energia. Em particular, o uso desses combustíveis em um número cada vez maior de veículos que transitam nos grandes centros urbanos é uma das maiores preocupações atuais, visto o grande número de poluentes produzidos.

A energia química armazenada nos combustíveis é liberada através da combustão. Neste processo o combustível reage com oxigênio produzindo água e dióxido de carbono e liberando parte da energia armazenada nas ligações químicas.

A combustão direta ideal pode ser resumida:

Combustível + O2 ® H2O + CO2 + energia (a maior parte na forma de calor).

Infelizmente os combustíveis possuem impurezas, muitas delas compostos de enxofre, e as altas temperaturas atingidas no processo de combustão permitem a reação do nitrogênio presente no ar. Além disso nem sempre a quantidade de oxigênio presente é suficiente para que ocorra a total queima do combustível, gerando macropartículas de carbono. Todos estes fatores geram uma considerável poluição.

Na combustão direta real temos:

Combustível (contém enxofre – S) + ar (O2, N2) ®

H2O

+ CO2 (aumentando o Efeito Estufa)

+ SOx + NOx (causando a Chuva Ácida)

+ outros componentes poluentes (monóxido de carbono, hidrocarbonetos, macropartículas de carbono, aldeídos, etc. – causando problemas respiratórios e cardíacos, etc. )

Outro problema é a eficiência do aproveitamento da energia química contida no combustível. A maior parte da energia liberada na combustão direta, como a que ocorre na queima de combustível no motor dos automóveis ou nas usinas termoelétricas, está na forma de calor. O movimento do carro ou do gerador é o resultado da expansão que este calor provoca nos gases, dentro dos motores, ou do vapor de água na termoelétrica. Nos dois casos apenas uma pequena parcela (aproximadamente 20%) da energia química pode ser aproveitada como energia mecânica ou como energia elétrica. A maior parte da energia é simplesmente liberada no meio ambiente na forma de calor, o que também é uma forma de poluição.

Em resumo, os maiores problemas de produção de energia por meio de combustão são:

  • Combustível fóssil não é renovável;
  • O aproveitamento da energia é pequeno (baixa eficiência);
  • Poluição ambiental severa promovendo problemas sérios para a saúde e bens materiais.

Então, nas alternativas para produção de energia devemos considerar:

  • Eficiência.
  • Poluição ambiental (que é mais importante).

A célula a combustível é uma alternativa em que a combustão é realizada de maneira controlada, aumentando a eficiência do aproveitamento da energia liberada e de modo menos poluente. A idéia é aproveitar o deslocamento que os elétrons sofrem durante a combustão.

O princípio de funcionamento está esquematizado na figura 1, utilizando como combustível o hidrogênio (H2). O hidrogênio entra em contato com um metal e cede elétrons para este metal produzindo H+. Esse elétron circula por um circuito elétrico externo, onde sua energia pode ser aproveitada, e retorna para a célula a combustível onde, novamente através de um metal, encontra-se com o oxigênio. Os dois pólos da célula são ligados por um eletrólito, ou seja, uma substância ou solução que permite o movimento de íons. Através do eletrólito, íons com o oxigênio que ganhou elétrons de um lado e o  hidrogênio que perdeu elétrons do outro ligam-se formando água, que é o produto desta reação. Por este processo até 50% da energia química pode ser transformada diretamente em energia elétrica. Se outros combustíveis forem usados, outros produtos serão obtidos.

Uma parte da energia química ainda é transformada em calor e também pode ser aproveitada, por exemplo, em sistemas para aquecimento de água. Assim a eficiência do aproveitamento da energia química pode chegar a 80%.

Porque célula a combustível é uma alternativa?

  • Possui elevada eficiência de conversão:

–          elétrica 50%,

–          com cogeração 80%  (calor pode ser usado para aquecer água).

  • Geração no local, sem poluição química (porque produz somente água) e sem poluição sonora.
  • Vida útil de 40.000 horas.
  • Custo ainda é elevado porque é uma tecnologia nova e não é produzido em grande escala.

Aplicações da célula a combustível:

  • Veículos espaciais: local onde as pessoas possuem pequeno espaço, necessitam de energia elétrica e não podem ter poluição. A água produzida pela célula também é utilizada para consumo dos tripulantes.
  • Agências de cartão de crédito: na falta de energia elétrica para os computadores causaria grande prejuízo, portanto neste caso a célula a combustível é utilizada como estratégia de segurança.
  • Em hospitais: energia elétrica é de extrema importância sendo que a falta desta causaria sérios problemas. A água e calor produzidos pela célula podem ser utilizados em suas lavanderias.
  • Em residências: como uma forma alternativa de produção de energia, independente de meios de distribuição. O calor produzido também poderia ser utilizado no aquecimento de água (chuveiro, cozinha e lavanderia).
  • Em veículos: que seriam movidos a motores elétricos, contribuindo de maneira significativamente para a redução no consumo e na redução da poluição.
REFERÊNCIAS

1.      Gonzales, E. R.; Química Nova 2000, 23, 264.

2.      Gonzales, E. R.; Produção de Energia não Poluente Através de Células a Combustível – Palestra proferida no Centro de Divulgação Científica e Cultural-USP, out 2000.