O aumento cada vez maior de demanda energética, motivado pelo crescimento global, traz a necessidade de pensar no desenvolvimento sustentável e, consequentemente, em geração de energia limpa. A produção e o consumo desse tipo de energia implica menos impactos negativos no meio ambiente, uma vez que não há a emissão de gases poluentes. Dentro dessa categoria energética sustentável, as matrizes solar, eólica e hidráulica são as mais implementadas. Entretanto, outras formas ecologicamente corretas vêm sendo estudadas e aprimoradas, entre elas, as células a combustível.

Segundo o relatório World Energy Outlook de 2013, elaborado pela Agência Internacional de Energia, a matriz energética mundial tende a ficar mais limpa nos próximos 20 anos. A avaliação prevê um significativo avanço das fontes renováveis, de 13% para quase 18% em 2035, ao mesmo tempo que o uso do petróleo vai cair dos atuais 31% para 27%, o que ainda lhe garante a liderança entre as diferentes fontes energéticas. Já o estudo estatístico anual da British Petroleum, que avalia a produção, o consumo e o mercado de energia no planeta, indica que, no período entre 2000 e 2013, a participação das energias renováveis na matriz energética mundial aumentou de 7% para 9,3%.

Esses números, apesar de indicarem uma tendência global de priorizar energia limpa, não representam a realidade energética do Brasil, cuja matriz já é, hoje, constituída em 79,3% por fontes renováveis, segundo o Balanço Energético Nacional 2014, relatório anual do Ministério de Minas e Energia referente a dados de 2013. Esse índice é elevado pois 70,6% da matriz energética brasileira é constituída pela energia hidrelétrica, considerada renovável e limpa apesar dos impactos ambientais causados pelo represamento dos rios. O uso de novas tecnologias e o aumento da eficiência contribuíram para a flexibilização do sistema energético brasileiro, hoje reconhecido como um dos mais limpos mundialmente.

O Brasil, que é igualmente referência na produção de biocombustíveis, investe também numa inovadora forma de energia: a célula a combustível. Em 2002, o Ministério da Ciência e Tecnologia lançou o Programa Brasileiro de Sistemas de Célula a Combustível (ProCaC), com o objetivo de promover ações integradas, através de iniciativas com universidades, centros de pesquisa e empresas brasileiras, para viabilizar o desenvolvimento nacional dessa tecnologia. Após reformulações, em 2005, passou a ser chamado de Programa de Ciência, Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio (ProH2).

Essas células possuem o funcionamento similar ao de pilhas e baterias, a partir de uma reação de oxirredução. Porém, ao contrário destas, a energia não fica armazenada nos componentes, mas sim é produzida continuamente desde que seja fornecido o combustível. Dessa forma, seu funcionamento é como o de uma bateria alimentada, na qual há conversão de energia química em energia elétrica a partir de uma reação entre hidrogênio e oxigênio. Por isso, o produto da reação nada mais é do que água e energia, uma alternativa limpa, ao contrário dos combustíveis fósseis, que em sua queima liberam dióxido de carbono e outros gases poluentes.

Quimicamente, a reação é dividida em duas partes, o ânodo e o cátodo, utilizando uma membrana, o eletrólito, para mantê-las separadas. De um lado, as moléculas de hidrogênio são quebradas pelo catalisador contido no ânodo, liberando elétrons e formandoo íons H+. Esses íons se difundem através do eletrólito no centro da célula e os elétrons fluem em uma corrente elétrica do ânodo para o cátodo. Neste, os íons H+ reagem com o oxigênio e ganham elétrons para a produção de água, liberando energia. Além disso, se os elétrons forem forçados na direção oposta através da aplicação de uma voltagem, é possível dividir novamente a água em hidrogênio e oxigênio, num processo chamado eletrólise.

A primeira célula a combustível foi produzida em 1839, pelo cientista galês William Grove. Durante experimentos sobre a eletrólise da água, ele imaginou o que aconteceria ao reverter o processo, descobrindo assim o princípio de funcionamento da célula. Na ocasião, ele observou a dificuldade de produzir altas densidades de corrente elétrica em uma pilha a combustível (várias células conectadas em série) que utiliza gases como reagentes, problema que até hoje norteia pesquisadores da área.

Atualmente, estudos atuam no sentido de desenvolver materiais mais eficientes e mais acessíveis para os eletrodos, eletrólitos e catalisadores da célula a combustível. Também são realizadas pesquisas para tornar a produção e o armazenamento do hidrogênio mais baratos. Diego Pereira Tarragó trabalha no Laboratório de Biomateriais e Cerâmicas Avançadas (Labiomat), no Departamento de Materiais da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, com a pesquisa das propriedades eletroquímicas de materiais utilizados nas células a combustível de óxido sólido (SOFC, do inglês solid oxide fuel cell).

Um dos principais benefícios das células a combustível é a sua alta eficiência energética. No motor de combustão, presente em carros, por exemplo, a energia potencial química contida no combustível é transformada, através da combustão, em energia térmica, que é então convertida em energia mecânica pelo motor, explica Tarragó. Nesses motores termodinâmicos, a eficiência é em torno de 20%; ou seja, ao colocar 1L de gasolina, é como se apenas 200ml virassem energia útil. “Sempre há perdas na transformação de energia, mas como a energia química é transformada diretamente em energia elétrica, sem outras etapas de conversão, as células possuem perdas menores”, esclarece. Dependendo do tipo de célula, a eficiência varia entre 35% e 80%, o que contribui para o melhor aproveitamento dos combustíveis.

Tarragó explica que existem seis tipos de células a combustível, todas com o mesmo princípio de funcionamento, porém, diferenciadas entre si pelos componentes químicos do eletrólito. “O nome de cada célula é baseado no material do eletrólito. A de óxido sólido, por exemplo, é um material cerâmico que impede a passagem de elétrons, mas permite a passagem de íons”, esclarece. Outro modelo de célula, a alcalina (AFC, do inglês alkaline fuel cell), a primeira a ser desenvolvida, tem como eletrólito o hidróxido de potássio e foi utilizada em programas espaciais da NASA, como o Projeto Apollo, nos anos 1960. Há ainda as células PAFC (phosphoric acid fuel cell), cujo eletrólito é de ácido fosfórico; PEMFC (polymeric exchange membrane fuel cell), de membrana polimérica; DMFC (direct methanol fuel cell), de metanol direto; e MCFC (molten carbonate fuel cell), de carbonatos fundidos.

Cada tipo de célula possui temperaturas de operação diferentes e podem funcionar com outros combustíveis que não o hidrogênio, cujos custos de produção e dificuldades de distribuição são um empecilho para a sua adoção. Além disso, o armazenamento de hidrogênio ainda se mostra uma questão complexa por se tratar de um gás altamente explosivo, que pode apresentar riscos aos usuários. Esse é um dos motivos que leva pesquisadores a buscarem combustíveis alternativos. “É possível fazer com que a célula aceite outros combustíveis além do hidrogênio alterando o ânodo, que deve ser capaz de catalisar, através de uma reação química, especificamente o combustível escolhido”, explica Tarragó. No caso dos óxidos sólidos, existem células que funcionam a hidrocarbonetos, como o metano e o gás natural, e a etanol — combustíveis mais acessíveis, porém, poluentes.

Tarragó acredita que uma maior adesão às células a combustível como fonte de energia poderia alterar significativamente o sistema energético brasileiro. “A energia elétrica das células é produzida próxima ou no próprio local de consumo, a chamada geração distribuída”, explica. Essa geração é contrária à centralizada, modelo atual no qual as grandes unidades geradoras, como termelétricas ou hidrelétricas, estão distantes dos grandes centros consumidores. Dessa forma, os milhares de quilomêtros de linhas de transmissão não seriam necessários para que a energia chegasse até o consumidor final.

Outra característica favorável é a possibilidade de personalizar a distribuição de energia de acordo com a demanda. A capacidade energética depende da quantidade de células que serão colocadas em série, formando uma pilha. “É possível fabricar células de acordo com a necessidade de cada local, estimando o consumo médio e projetando-a especificamente para aquele uso”, explana Tarragó.

No entanto, células a combustível ainda são uma realidade distante.”É difícil colocar no mercado um produto que não se sabe exatamente quanto tempo vai durar”, estabelece Tarragó. Estima-se que a duração de uma célula seja de 40 mil horas de operação contínua, o que geraria energia durante cerca de quatro anos e seis meses. No Brasil, apenas a Electrocell, companhia sediada no Centro Incubador de Empresas Tecnológicas da Universidade de São Paulo, comercializa células a combustível, o ECOGEM, de 5 a 50 kW, do tipo PEMFC com eletrólitos de membrana polimérica. Além dos custos de obtenção, produção e processamento dos materiais componentes da célula a combustível, que são, por si só, bem elevados, ainda deve-se levar em conta os gastos necessários com adaptadores eletroeletrônicos, como os utilizados em energia eólica e fotovoltáica. “A energia elétrica que sai da célula não é igual à energia elétrica da rede, de modo que são necessários dispositivos como inversores, conversores e controladores de carga para compatibilizar as energias”, explica Tarragó.

Diego Tarragó acredita que a implantação de células a combustível na matriz energética brasileira ainda vai levar décadas. “Nós temos uma energia muito barata e muito fácil de conseguir, a hidrelétrica. Os europeus e americanos utilizam principalmente energia termelétrica e nuclear, então eles veem com bons olhos a energia proveniente de fonte hidráulica”, afirma Tarragó. Esses países já possuem dispositivos tecnológicos acessíveis para a produção de energia eólica e solar, enquanto no Brasil essa tecnologia ainda é muito cara.

Reportagem científica produzida pelos alunos Constance Laux, Julia Tarragó, Leonel Martins, Rodrigo Luz e Vicente Carcuchinski, no segundo semestre de 2014 para a disciplina Projeto Experimental III: Online, sob orientação da Profa. Dra. Andréia Mallmann e do Prof. Dr. Marcelo Träsel.