Hoje, o mundo está correndo em direção a um futuro de energia sustentável. Embora o vencedor final seja desconhecido, o hidrogênio surgiu como um claro favorito, fornecendo inúmeras possibilidades para produção, distribuição e aplicação de energia. Para resolver o mistério do título vantagens da célula de combustível, vamos começar com o que é célula de combustível e seus tipos e então descobriremos tudo sobre suas vantagens e desvantagens.
As células de combustível existem há mais de 150 anos e fornecem uma fonte de energia infinita, ecologicamente segura e constantemente disponível. Então, por que elas ainda não são usadas em todos os lugares? Até recentemente, era devido ao custo. As células eram proibitivamente caras de fabricar. Esse não é mais o caso.
O que é célula de combustível?
Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que converte energia química em corrente elétrica utilizável . Toda célula de combustível possui dois eletrodos conhecidos como ânodo e cátodo. Os eletrodos são onde ocorrem as reações que geram eletricidade.
Cada célula de combustível também possui um eletrólito, que transporta partículas eletricamente carregadas de um eletrodo para o outro, bem como um catalisador, que acelera as reações nos eletrodos. Embora o hidrogênio seja o combustível mais básico, as células de combustível também requerem oxigênio. Um dos aspectos mais atraentes das células de combustível é que elas produzem muito pouca poluição, pois grande parte do hidrogênio e do oxigênio necessários para gerar energia acabam se misturando para formar um subproduto inofensivo, principalmente água.
Uma única célula de combustível produz uma quantidade insignificante de eletricidade de corrente contínua (CC). Na prática, várias células de combustível são frequentemente empilhadas juntas. Os conceitos são os mesmos, seja em uma célula ou em uma pilha. Depois disso, vamos explorar as vantagens e desvantagens das células de combustível.
4 Vantagens e desvantagens da célula de combustível
Sir William Robert Grove, um juiz, inventor e cientista galês, inventou a primeira célula de combustível em 1839. Ele criou eletricidade e água combinando hidrogênio e oxigênio na presença de um eletrólito. A inovação, posteriormente conhecida como célula de combustível, não gerou eletricidade suficiente para ser útil. Portanto, vamos analisar algumas das vantagens e desvantagens das células de combustível.
Vantagens
1. Não é necessária recarga
Uma célula de combustível não precisa ser recarregada. Uma célula de combustível pode replicar energia até ser abastecida com combustível.
2. Sem problemas de saúde
As células de combustível não são perigosas e não causam problemas de saúde porque não produzem fumaça ou poluição atmosférica enquanto operam.
3. Eficiente
As células de combustível são extremamente eficientes porque podem transformar energia química diretamente em energia elétrica. Em comparação com outras alternativas de mercado acessíveis, as células de combustível são 60% mais eficientes.
4. Livre de poluição
As células de combustível não têm impacto negativo na poluição do ar. Esta é uma das vantagens mais notáveis entre outras vantagens das células de combustível. Como uma célula de combustível não tem partes mecânicas, ela é completamente silenciosa, portanto, sem poluição sonora.
Se o hidrogênio for empregado como combustível de entrada, os únicos subprodutos observados serão água, calor e eletricidade, resultando em eficiência máxima e nenhuma emissão de material prejudicial.
Desvantagens
1. Caro e não duradouro
Assim como as vantagens das células de combustível, elas também têm desvantagens. Como elas são bem caras por natureza. As células de combustível têm uma vida útil mais curta.
2. Difícil de armazenar
As células de combustível são difíceis de armazenar, pois o combustível usado nas células deve ser mantido em um nível específico de temperatura e pressão.
3. Inseguro e Perigoso
O hidrogênio é um combustível muito inflamável, o que levanta problemas óbvios de segurança. No ar, o gás hidrogênio queima em concentrações que variam de 4 a 75%.
4. Difícil de extrair
Apesar de ser o elemento mais abundante no Universo, o hidrogênio não existe por si só, portanto, ele deve ser coletado da água por eletrólise ou isolado de combustíveis fósseis à base de carbono. Ambas as abordagens exigem uma quantidade significativa de energia para serem concluídas.
Essa energia pode ser mais cara do que a obtida do próprio hidrogênio. Além disso, na ausência de CCS, essa extração frequentemente necessita do uso de combustíveis fósseis, minando as credenciais ecológicas do hidrogênio.
Quais são os vários tipos de células de combustível?
Após aprendermos sobre as vantagens e desvantagens das células a combustível, vamos também conhecer os diferentes tipos de células a combustível. A principal distinção entre as células a combustível reside no tipo de eletrólito utilizado . Essa classificação define o tipo de:
- Processos eletroquímicos que ocorrem na célula
- O tipo de catalisadores necessários
- A faixa de temperatura na qual a célula funciona
- O combustível necessário e outros critérios.
Essas propriedades, por sua vez, influenciam as aplicações para as quais essas células são mais adequadas. Várias variedades de células de combustível estão sendo desenvolvidas atualmente, cada uma com seu próprio conjunto de vantagens, limitações e possíveis aplicações. Saiba mais sobre os tipos de células de combustível abaixo.
1. Células de combustível de polímero de membrana eletrolítica
As células a combustível de membrana de eletrólito polimérico (PEM), também conhecidas como células a combustível de membrana de troca de prótons, apresentam alta densidade de potência e baixo peso e volume quando comparadas às células a combustível convencionais. O eletrólito das células a combustível PEM é um polímero sólido , e os eletrodos são de carbono poroso com um catalisador de platina ou liga de platina. Elas requerem apenas hidrogênio, oxigênio do ar e água para funcionar. Normalmente, são alimentadas por hidrogênio puro fornecido por tanques de armazenamento ou reformadores.
As células a combustível PEM funcionam a baixas temperaturas , tipicamente em torno de 80 °C (176 °F). A operação em baixa temperatura permite uma inicialização rápida (com tempo de aquecimento reduzido) e resulta em menor desgaste dos componentes do sistema, proporcionando maior durabilidade. No entanto, isso exige o uso de um catalisador de metal nobre (geralmente platina) para separar os elétrons e prótons do hidrogênio, o que aumenta o custo do sistema. Como o catalisador de platina é particularmente sensível ao envenenamento por monóxido de carbono, um reator adicional é necessário para remover o monóxido de carbono do gás combustível se o hidrogênio for produzido a partir de um combustível de hidrocarboneto. Esse reator também é caro.
As células a combustível PEM são utilizadas principalmente em transportes e em algumas aplicações estacionárias. Elas são especialmente adequadas para uso em aplicações automotivas, como automóveis, ônibus e caminhões pesados.
2. Células para combustível de metanol direto
A maioria das células a combustível é alimentada por hidrogênio, que pode ser fornecido diretamente ao sistema ou criado dentro do sistema por meio da reforma de combustíveis ricos em hidrogênio, como metanol, etanol e hidrocarbonetos. No entanto, as células a combustível de metanol direto (DMFCs) são alimentadas por metanol puro , que geralmente é combinado com água e fornecido diretamente ao ânodo da célula a combustível.
Como o metanol possui uma densidade energética maior que a do hidrogênio, embora menor que a da gasolina ou do diesel, as células a combustível de metanol direto (DMFCs) evitam muitos dos problemas de armazenamento de combustível que afetam alguns sistemas de células a combustível. Por ser líquido, como a gasolina, o metanol também é mais fácil de transportar e distribuir ao público utilizando a infraestrutura existente. As DMFCs são frequentemente utilizadas para alimentar dispositivos portáteis, como celulares e laptops.
3. Células para combustível alcalino
As células de combustível alcalinas (AFCs) estiveram entre as primeiras tecnologias de células de combustível inventadas e foram o primeiro tipo amplamente empregado no programa espacial dos Estados Unidos para gerar energia elétrica e água a bordo de espaçonaves. O eletrólito nessas células de combustível é uma solução de hidróxido de potássio em água , e o ânodo e o cátodo podem ser de diversos metais não preciosos.
Um desafio significativo para esse tipo de célula a combustível é a sua propensão ao envenenamento por dióxido de carbono (CO2). De fato, mesmo traços de CO2 no ar podem ter um impacto significativo no desempenho e na durabilidade da célula devido à produção de carbonatos. As células alcalinas com eletrólitos líquidos podem operar em modo de recirculação, o que permite a regeneração do eletrólito e ajuda a minimizar os impactos da produção de carbonatos, mas também introduz dificuldades na corrente de derivação.
Outros problemas com sistemas de eletrólito líquido incluem a molhabilidade, o aumento da corrosão e as dificuldades no controle das pressões diferenciais. Essas dificuldades são superadas pelas células a combustível de membrana alcalina (AMFCs), que são menos suscetíveis ao envenenamento por CO2 do que as AFCs de eletrólito líquido. No entanto, o CO2 continua a ter impacto no desempenho, e o desempenho e a durabilidade das AMFCs ficam aquém dos das PEMFCs.
As AMFCs estão sendo estudadas para aplicações que variam de W a kW. Tolerância ao dióxido de carbono, condutividade e durabilidade da membrana, operação em temperaturas mais elevadas, gerenciamento de água, densidade de potência e eletrocatálise anódica são desafios para as AMFCs.
4. Células de ácido fosfórico
As células a combustível de ácido fosfórico (PAFCs) utilizam ácido fosfórico líquido como eletrólito (o ácido é retido em uma matriz de carbeto de silício revestida com Teflon) e eletrodos de carbono porosos com um catalisador de platina. O diagrama à direita ilustra as reações eletroquímicas que ocorrem na célula.
A PAFC é considerada uma célula de combustível contemporânea de "primeira geração". É um dos tipos de célula mais desenvolvidos e a primeira a ser comercializada. Embora esse tipo de célula de combustível seja normalmente usado para gerar energia estacionária, algumas PAFCs têm sido usadas para alimentar veículos de grande porte, como ônibus urbanos.
As células a combustível de óxido de platina ( PAFCs) são mais resistentes às impurezas presentes em combustíveis fósseis reformados do que as células de membrana de troca de prótons (PEM), que são facilmente "envenenadas" pelo monóxido de carbono, pois este se liga ao catalisador de platina no ânodo, reduzindo a eficiência da célula. As PAFCs apresentam eficiência superior a 85% quando utilizadas para gerar eletricidade e calor simultaneamente, mas são menos eficientes quando utilizadas apenas para gerar eletricidade (37% a 42%).
A eficiência das PAFCs é apenas ligeiramente superior à das centrais elétricas de combustão, que normalmente operam com uma eficiência em torno de 33%. Com o mesmo peso e volume, as PAFCs também são menos potentes do que outras células a combustível. Portanto, essas células a combustível são tipicamente grandes e pesadas. As PAFCs também são caras. Elas exigem quantidades substancialmente maiores de catalisador de platina do que outros tipos de células a combustível, o que aumenta o custo.
5. Células de combustível para carbonato fundido
As células a combustível de carbonato fundido (MCFCs) estão sendo desenvolvidas para usinas termelétricas a gás natural e carvão, bem como para aplicações em concessionárias de energia elétrica, indústrias e forças armadas. As MCFCs são células a combustível de alta temperatura que utilizam um eletrólito composto por sais de carbonato fundidos imersos em uma matriz cerâmica porosa e quimicamente inerte de óxido de lítio e alumínio. Metais não preciosos podem ser empregados como catalisadores no ânodo e no cátodo, uma vez que operam em altas temperaturas de 650 °C (aproximadamente 1,200 °F).
Outro motivo pelo qual as MCFCs oferecem economias significativas em comparação com as células a combustível de ácido fosfórico é a melhoria na eficiência . Quando combinadas com uma turbina, as células a combustível de carbonato fundido podem atingir eficiências próximas a 65%, o que é significativamente maior do que a eficiência de 37% a 42% de uma célula a combustível de ácido fosfórico. A eficiência geral do combustível pode ultrapassar 85% quando o calor residual é recuperado e utilizado.
As MCFCs não necessitam de um reformador externo para converter gás natural e biogás em hidrogênio. Como as MCFCs operam em altas temperaturas, o metano e outros hidrocarbonetos leves presentes nesses combustíveis são transformados em hidrogênio dentro da própria célula de combustível por meio de um processo conhecido como reforma interna, o que também gera economia.
A principal desvantagem da tecnologia MCFC atual é sua curta vida útil . As altas temperaturas de operação dessas células, juntamente com o eletrólito cáustico empregado, aceleram a degradação e a corrosão dos componentes, reduzindo a vida útil da célula. Atualmente, cientistas estão investigando materiais resistentes à corrosão para os componentes, bem como projetos de células a combustível que possam dobrar a vida útil da célula, das atuais 40,000 horas (cinco anos), sem comprometer o desempenho.
6. Células para combustível de óxido sólido
Nas células de combustível de óxido sólido (SOFCs), o eletrólito é uma cerâmica densa e não porosa . As SOFCs convertem combustível em eletricidade com uma eficiência de cerca de 60%. A eficiência geral de utilização do combustível pode ultrapassar 85% em sistemas projetados para capturar e utilizar o calor residual do sistema (cogeração).
As SOFCs funcionam a temperaturas extremamente altas , até 1,000 °C (1,830 °F). A operação em alta temperatura elimina a necessidade de um catalisador de metal precioso, reduzindo os custos. Também permite que as SOFCs reformem os combustíveis internamente, possibilitando o uso de uma gama mais ampla de combustíveis e reduzindo o custo de adicionar um reformador ao sistema.
SOFCs também são o tipo de célula de combustível mais resistente a enxofre, capazes de suportar ordens de magnitude a mais de enxofre do que outros tipos de células. Além disso, elas não são prejudicadas pelo monóxido de carbono, que pode até ser usado como combustível. Essa característica permite que SOFCs usem gás natural, biogás e gases derivados de carvão. Existem desvantagens em operar em altas temperaturas.
Isso causa um atraso na partida e exige um extenso isolamento térmico para conservar o calor e proteger os funcionários, o que é adequado para fins de serviços públicos, mas não para transporte. Devido às altas temperaturas de operação , os materiais devem atender a rigorosos padrões de durabilidade. A principal dificuldade técnica dessa tecnologia é o desenvolvimento de materiais de baixo custo com alta resistência às temperaturas de operação da célula.
Cientistas agora estão investigando a possibilidade de construir SOFCs de temperatura mais baixa que operem a 700°C ou menos, tenham menos problemas de durabilidade e sejam mais baratos. SOFCs de temperatura mais baixa ainda não igualaram o desempenho de sistemas de temperatura mais alta, e materiais de pilha para essa faixa de temperatura mais baixa ainda estão sendo desenvolvidos.
7. Células de combustível reversíveis
As células de combustível reversíveis, assim como as células de combustível convencionais, geram eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio, produzindo também calor e água como subprodutos. Os sistemas de células de combustível reversíveis, por outro lado, podem usar eletricidade proveniente de fontes solares, eólicas ou outras para separar a água em oxigênio e hidrogênio por meio de um processo conhecido como eletrólise.
As células de combustível reversíveis podem produzir eletricidade quando necessário, mas durante períodos de alta produção de energia proveniente de outras tecnologias (por exemplo, quando ventos fortes resultam em excesso de energia eólica disponível), elas podem armazenar esse excesso de energia na forma de hidrogênio. Essa capacidade de armazenamento de energia tem o potencial de revolucionar a tecnologia de energias renováveis intermitentes. A seguir, vamos aprender sobre o princípio de funcionamento das células de combustível.
Veja também: As 3 principais ações de energia verde na Índia
Qual é o princípio de funcionamento da célula de combustível?
Após aprender sobre as vantagens das células a combustível, você também deve aprender sobre o princípio de funcionamento delas. Uma célula a combustível é composta por dois eletrodos, um ânodo e um cátodo, separados por uma membrana eletrolítica. Hidrogênio, metano, etano, etanol e outros combustíveis orgânicos podem ser utilizados em uma célula a combustível para gerar eletricidade. Esses combustíveis sofrem combustão incompleta e liberam calor como subproduto. A maioria dessas reações são de natureza redox e produzem água e dióxido de carbono como subprodutos.
O transporte de elétrons em reações redox resulta na conversão de energia química em energia elétrica. Entre os eletrodos fica uma substância eletrolítica. O combustível é entregue a cada eletrodo separadamente. Suponha que em uma célula de combustível, o hidrogênio é entregue ao ânodo e o ar é alimentado ao cátodo. Neste caso, o catalisador no lado do ânodo da célula tende a quebrar as moléculas de hidrogênio em partículas menores, como prótons e elétrons.
Ambos os elementos tentam viajar em direção ao cátodo por rotas distintas. Os elétrons seguem um canal externo para o cátodo, fornecendo corrente, enquanto os prótons passam pela membrana eletrolítica para o cátodo, onde reagem com moléculas de oxigênio e elétrons para formar água e calor como subprodutos.
Leia também: Mais de 30 empresas de energia renovável na Índia
Liste algumas aplicações de células de combustível
Vamos dar uma olhada em dez usos para células de combustível de hidrogênio, alguns dos quais você talvez não conheça!
1. Gestão de Armazéns: Diversas grandes organizações de armazenagem e distribuição estão adotando células de combustível de hidrogênio para alimentar caminhões, empilhadeiras, paleteiras e outros equipamentos limpos.
2. Distribuição Internacional: As células de combustível têm a autonomia e a potência necessárias para transporte de longa distância e distribuição local. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth e UPS já fabricam caminhões e vans movidos a hidrogênio.
3. Ônibus: A energia de hidrogênio está sendo estudada para uso em diferentes modais de transporte público, incluindo ônibus movidos a células de combustível de hidrogênio. Diversas grandes cidades já experimentaram ônibus movidos a hidrogênio, como Chicago, Vancouver, Londres e Pequim.
4. Trens: Trens movidos a células de combustível de hidrogênio já chegaram à Alemanha, e prevê-se que mais modelos cheguem ao Reino Unido, França, Itália, Japão, Coreia do Sul e Estados Unidos nos próximos cinco anos.
5. Veículos individuais: Nove grandes montadoras estão trabalhando em veículos elétricos com células de combustível de hidrogênio (HFCEVs) para uso pessoal. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo e BMW i Hydrogen Next estão entre os modelos notáveis.
6. Aviões: Diversos projetos experimentais, incluindo os protótipos Pathfinder e Helios, investigaram o uso de células de combustível de hidrogênio na indústria aeroespacial. Esses veículos não tripulados de longo alcance utilizavam um sistema híbrido com células de combustível de hidrogênio alimentadas por painéis solares, possibilitando, teoricamente, voos contínuos e ilimitados, de dia e de noite.
7. Geração de energia de reserva: Células de combustível estacionárias são utilizadas em sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), onde o tempo de atividade contínuo é essencial. Hospitais e centros de dados estão cada vez mais recorrendo ao hidrogênio para alimentação ininterrupta. A Microsoft recentemente foi notícia por um teste bem-sucedido de seus novos geradores de hidrogênio de reserva, que permitiu que o servidor de um centro de dados funcionasse apenas com hidrogênio por dois dias.
8. Geração de energia móvel: O hidrogênio oferece inúmeras opções para a geração de energia móvel. A NASA, inclusive, produziu algumas das primeiras células de combustível de hidrogênio para alimentar foguetes e ônibus espaciais.
9. Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs): Muitas aplicações inovadoras de VANTs (ou seja, drones), desde a entrega de encomendas até missões de busca e salvamento, são severamente limitadas pela potência e autonomia fornecidas pelas baterias convencionais. Tanto as forças armadas quanto empresas privadas pretendem solucionar esses problemas com células de combustível de hidrogênio, que possuem até três vezes mais autonomia do que dispositivos movidos a bateria. As células de combustível oferecem uma relação energia/massa superior e podem ser recarregadas em questão de minutos.
10. Barcos e Submarinos: As células de combustível de hidrogênio estão sendo utilizadas em diversas aplicações marítimas. Algumas embarcações, como o Energy Observer, chegam a produzir seu próprio hidrogênio para um sistema de células de combustível utilizando painéis solares e turbinas eólicas a bordo. As células de combustível de hidrogênio oferecem uma alternativa à energia nuclear para submarinos militares furtivos, como o submarino alemão Tipo 212, com grande alcance, navegação silenciosa e baixa emissão de calor.
As células de combustível são uma substituição promissora para os combustíveis automotivos atuais. Embora certas partes da tecnologia, como armazenamento a bordo eficaz, exijam mais desenvolvimento, não há razão para que as células de combustível não possam se tornar um combustível de transporte tão conveniente e atraente quanto o diesel ou a gasolina são hoje. Espero que através deste artigo tenha sido fácil entender as vantagens e desvantagens das células de combustível. Por favor, compartilhe suas dúvidas na seção de comentários.
Recomendado: Vantagens e desvantagens da energia das marés
