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Cepel detém ampla experiência na área de células a combustível: uma tecnologia de geração limpa e promissora

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Cepel detém ampla experiência na área de células a combustível: uma tecnologia de geração limpa e promissora

22-03-2019

Completando 15 anos de atuação em 2019, o Laboratório de Células a Combustível do Cepel (LabCelComb), localizado na Unidade Fundão, está capacitado para desenvolver, caracterizar, analisar e avaliar sistemas de células a combustível e seus principais componentes, contribuindo para o setor elétrico em atividades de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) e assessoria tecnológica. Em especial, no que diz respeito ao desempenho energético, ao comportamento eletrodinâmico e à avaliação econômica de sistemas de geração distribuída com células a combustível.

 

Uma célula a combustível é um gerador de energia elétrica que funciona de forma semelhante a uma bateria, com a diferença de que é continuamente abastecida por um combustível, como hidrogênio, gás natural, biometano e etanol, e um agente oxidante (em geral, ar atmosférico), gerando energia elétrica com elevada eficiência e reduzido, ou nulo, impacto ambiental, dependendo do combustível utilizado. “A célula a combustível processa o combustível para gerar energia elétrica via oxidação e redução eletroquímicas, não envolvendo processos de combustão e conversões termomecânicas que ocorrem em motogeradores e turbinas, limitando suas eficiências”, explica o pesquisador do Departamento de Materiais, Eficiência Energética e Geração Complementar (DME) José Geraldo de Melo Furtado, responsável pelo LabCelComb.

 


De acordo com José Geraldo, com a crescente participação de fontes intermitentes na geração de energia elétrica, a perspectiva é de que a área de armazenamento energético, com sua diversidade de tecnologias e sistemas de armazenamento, também cresça substancialmente no âmbito do setor elétrico. “Neste cenário, as células a combustível podem constituir sistemas de armazenamento de energia, especialmente aqueles à base de hidrogênio. Além disso, podem integrar sistemas de armazenamento híbridos, notadamente em conjunto com baterias e supercapacitores, de forma que novas possibilidades e configurações sejam exploradas, tanto em aplicações estacionárias, quanto em veiculares”, afirma o pesquisador, acrescentando que, atualmente, o Cepel participa de projetos nessa área em conjunto com Furnas (Chamada 21 da Aneel), e com a Fundação Parque Tecnológico de Itaipu (FPTI/Itaipu), bem como desenvolve um projeto para o Cenpes/Petrobras sobre a prospecção de tecnologias para uso de hidrogênio energético, sua viabilidade econômica e sua inserção no negócio da Petrobras.

 


O projeto com Furnas, executado pela empresa BASE Energia, consiste em implantar e avaliar um sistema híbrido de armazenamento energético formado por baterias de lítio-íon e por hidrogênio eletrolítico armazenado em tanques pressurizados. “Este sistema é alimentado por energia elétrica proveniente de painéis fotovoltaicos flutuantes localizados no lago do reservatório da Usina Hidrelétrica de Itumbiara, pertencente a Furnas e localizada no estado de Goiás. O sistema inclui, ainda, uma célula a combustível de 300 kW para geração de energia com base no hidrogênio armazenado, sendo um exemplo típico de sistema Power-to-Gas-to-Power1“, esclarece o pesquisador do DME Francisco da Costa Lopes, também integrante da equipe do LabCelComb.

 

Já o projeto desenvolvido com a FPTI/Itaipu compreende a instalação, operação e avaliação de uma planta de produção de hidrogênio, produzido via eletrólise da água, com base na energia vertida turbinável disponível na hidrelétrica de Itaipu. O hidrogênio é armazenado em tanques pressurizados e pode ser reconvertido em energia elétrica numa célula a combustível que também integra a planta. “O hidrogênio produzido e armazenado também pode ser empregado em veículos a hidrogênio ou ter uma destinação não energética, sendo empregado, por exemplo, como insumo químico”, explica José Geraldo.

 

Outros projetos em destaque

 

Dentre os diversos trabalhos realizados pelo LabCelComb, nos últimos 15 anos, os pesquisadores mencionam o projeto P&D Aneel executado para a Chesf, cujo objetivo foi implantar, operar e avaliar técnica e economicamente um sistema de geração distribuída com células a combustível de 5 KW de potência elétrica, em que o combustível, o hidrogênio, é produzido no local através da reforma de gás natural.

 

José Geraldo e Francisco Lopes destacam também as atividades nas áreas de desenvolvimento e caracterização de materiais para células a combustível de óxido sólido (SOFC, solid oxide fuel cell), e os estudos sobre modelagem, otimização e controle de células a combustível e a integração com redes elétricas, citando como exemplo um projeto recente envolvendo a construção de um emulador em ambiente Hardware-in-the-Loop (HIL)2.

 

 
Desafios


De acordo com os pesquisadores, as futuras atividades do LabCelComb dependem, fundamentalmente, de como as áreas de hidrogênio e células a combustível se desenvolverão no Brasil. Segundo eles, nos principais mercados industrializados, esses desenvolvimentos têm sido intensos, especialmente em sistemas de geração distribuída e de cogeração e, numa escala menor, em armazenamento energético e em mobilidade.

 


“A perspectiva imediata no Brasil parece estar relacionada à eficiência e integração energéticas, de forma que, em função de suas características intrínsecas, as células a combustível podem contribuir sobremaneira. Contudo, os principais desafios estão relacionados à redução de custos e ao desenvolvimento de infraestrutura para o hidrogênio e as células a combustível, no contexto do incipiente mercado nacional. Dessa forma, se espera, para os próximos anos, principalmente o aumento dos projetos de demonstração dessas tecnologias e a inserção do binômio CaC-hidrogênio nas primeiras aplicações comerciais no país”, concluem.

 

Além de José Geraldo de Melo Furtado e Francisco da Costa Lopes, integram a equipe do LabCelComb os bolsistas de doutorado Eduardo da Rosa e Derick Furquim Pereira, e o estagiário Marcelo de Saboia.

 


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1Power-to-Gas-to-Power é uma expressão utilizada para denominar tecnologias que convertem energia elétrica em gases combustíveis (notadamente o hidrogênio), os quais podem ser armazenados e, quando necessário, reconvertidos em energia elétrica. Assim, seu principal objetivo é armazenar grandes quantidades de energia e promover integração eletroenergética.


2Hardware-in-the-Loop é uma técnica de simulação em tempo real utilizada no desenvolvimento e avaliação de sistemas complexos, permitindo avaliar o sistema de controle real de uma planta ou sistema físico que está sendo simulado, sendo, portanto, uma plataforma adequada à elaboração e a análises de sistemas de controle.