Energia

Célula a combustível comercialmente viável

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/04/2003

Pesquisadores dos Laboratórios Berkeley (Estados Unidos) desenvolveram uma célula a combustível sólido que promete gerar eletricidade tão barata quanto a mais eficiente turbina a gás. O novo equipamento abre caminho para geradores não poluentes que podem atender a indústrias ou quarteirões residenciais (veja Micro-geradores para evitar apagões).

A inovação fundamenta-se na substituição dos eletrodos cerâmicos por eletrodos a base de aço inoxidável, que são mais resistentes, fáceis de fabricar e, mais importante, são mais baratos. Esta última vantagem pode ser o elemento que faltava para o desenvolvimento de células a combustível comercialmente viáveis.

"Nós estamos mais próximos de quebrar a barreira dos custos do que nunca," afirmou Steve Visco, que desenvolveu a nova célula juntamente com os colegas Craig Jacobson e Lutgard De Jonghe.

A barreira a que se refere Steve foi estabelecida por uma aliança entre governo e iniciativa privada (nos Estados Unidos), chamada "Solid State Energy Conversion Alliance" (Aliança para Conversão Energética de Estado Sólido). A aliança afirma que US$400,00 por kilowatt, que representa o custo mais eficiente de turbinas a gás e geradores a diesel, é o valor a ser atingido para dar competitividade às células a combustível. As células atualmente disponíveis geram energia que custam dez vezes mais do que isso.

"Verde é um bom argumento para o marketing, mas as pessoas não irão querer comprar um produto ambientalmente correto se ele for duas vezes mais caro," disse Visco.

Células a combustível trabalham convertendo energia química em energia elétrica, tirando partido da alta propensão que hidrogênio e oxigênio têm para se unir e formar água. Ao contrário das turbinas a gás, este processo não emite poluentes no ar, tais como óxido nitroso e dióxido de enxofre. E como são mais eficientes do que as turbinas a gás, as células a combustível emitem muito menos dióxido de carbono, um gás que causa o efeito estufa.

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Uma célula a combustível sólido é composta de uma camada de eletrólito de gás comprimido, fixada entre camadas porosas que funcionam como anodo e catodo. O oxigênio do ar flui através do catodo e um gás combustível contendo hidrogênio, tal como o metano, flui a partir do anodo. Íons de oxigênio negativamente carregados migram através da membrana do eletrodo e reagem com o hidrogênio para formar água. Essa reação eletroquímica gera elétrons, os quais fluem do anodo para um coletor externo e daí de volta para o catodo, fornecendo energia elétrica. Para aumentar a voltagem de saída, várias células são postas em cadeia, uma configuração chamada pilha de células a combustível, que forma o coração de um gerador de energia ambientalmente limpo.

A pesquisa de Visco e seus colegas começou há vários anos, quando eles conseguiram baixar a temperatura operacional de uma célula para 800º C sem perda de eficiência. A temperatura mais baixa de operação tem sido crucial na substituição da cerâmica por metais.

Agora eles desenvolveram uma célula a combustível com um eletrólito à base de zircônia, medindo entre 10 e 15 micra, construído entre camadas de 10 a 20 micra de espessura de eletrodos à base de níquel. Eletrólito e eletrodo são mantidos juntos e fixados por uma camada porosa de dois milímetros, feitos de uma liga metálica disponível no mercado.

A liga metálica é fabricada com o mesmo processo utilizado para a construção de filtros metálicos utilizados em aplicações de alta temperatura: aço em pó é fundido em um ambiente sem oxigênio, o que cria um metal poroso. Esta liga de aço inoxidável é muito mais forte do que a cerâmica e, ao contrário desta, pode ser soldada, dobrada, rebatida e ondulada. Isto se traduz em grande flexibilidade para o projeto e reduzidos custos de produção. Para se ver a economia conseguida, basta verificar que, enquanto o aço custa aproximadamente US$4,00 o quilo, a zircônia custa entre US$60,00 e US$120,00 o quilo. Além disso, um catodo metálico pode ser operado com alto desempenho entre 600º C e 800º C, além de melhorar a condutividade termal e eletrônica.

A inovação agora feita pelos cientistas representa um importante passo para se atingir a meta de US$400,00 por kilowatt. Deve-se levar em conta que a meta é para um gerador e a célula a combustível propriamente dita representa apenas um terço do custo total de um gerador. A maior parte do custo do gerador ainda vai para o isolamento térmico e para o conversor DC- AC. Isto significa que a célula a combustível propriamente dita não poderá custar mais do que US$130,00 por kilowatt gerado. O material utilizado pelos pesquisadores custou apenas US$37,00 por kilowatt.

"O baixo custo de uma célula a combustível sólido construída com metais, e sua flexibilidade de projeto, deverá permitir que uma pilha seja construída abaixo da meta de US$130,00," disse Visco.

Para atingir o objetivo final, os pesquisadores passarão agora a se dedicar ao desenvolvimento das pilhas em formatos planares e tubulares, de um conversor DC-AC de baixo custo, além de outras tecnologias acessórias.