MEMBRANA TROCADORA DE PRÓTONS (PEMFC) – UM ESTUDO AVALIATIVO SOBRE O SEU CICLO DE VIDA

João Almeida Pedraça

Doutorando em Engenharia Elétrica pela Florida University USA – FUUSA

E-mail: joãoalmeidapedraça@gmail.com

Aline dos Santos Atherly Pedraça

Doutora em Ciências da Educação pela Facultad Interamericana de Ciências Sociales – FICS – Paraguay

E-mail: alinepedraca7@gmail.com

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RESUMO

Com a crescente preocupação sobre o esgotamento de fontes de energia baseadas no petróleo e as mudanças climáticas, as células a combustível, dispositivos que convertem a energia química diretamente em energia elétrica através de uma reação eletroquímica, têm recebido muita atenção nos últimos anos, sendo associadas com sua elevada eficiência e baixas emissões. Sua eficiência pode chegar a 60% em conversão de energia elétrica e 80% no total de co-geração de energia elétrica e térmica, com 90% de redução na concentração dos principais poluentes. A maioria dos problemas que surgem a partir do acelerado crescimento global do número de veículos, incluindo a poluição atmosférica e alterações climáticas, está associada aos motores de combustão interna, que basicamente dependem de combustíveis hidrocarbonetos. A célula a combustível do tipo PEMFC, tem o potencial de substituir esses motores por apresentarem maior eficiência e pouca emissão dos gases do efeito estufa. No entanto, existem algumas barreiras a serem superadas como o alto custo dos materiais da membrana e dos catalisadores do grupo de metais da platina, para que esta tecnologia se torne acessível para efeito de consumo regular. Ainda que no momento a PEMFC esteja no limiar do estágio comercial, o desempenho ambiental ao longo do ciclo de vida das células a combustível deverá passar por uma inevitável avaliação a fim de contribuir no planejamento estratégico e uso racional de investimentos da PEMFC. Levando em consideração a escassez de literatura nesse campo, o presente trabalho tem como objetivo enfocar analiticamente a importância da avaliação do ciclo de vida da PEMFC, como uma significativa ferramenta para compreender o peso das questões ambientais envolvendo não somente a utilização da PEMFC, mas também os estágios relacionados à produção do sistema, já que estes também apresentam impactos.

Palavras chaves: PEMFC, Células a Combustível, Análise do Ciclo de Vida. 

ABSTRACT

With growing concernabout thedepletion ofenergy sourcesbased onoil andclimate change, fuel cells, devicesthat convertchemical energydirectly into electrical energythrough anelectrochemical reaction, have received much attentionin recent years, beingassociatedwith its highefficiency andlow emissions.Their efficiencycan reach60%conversion of electrical energyand 80% of the total co-generation of electricity and heat, with 90% reduction in the concentrationof major pollutants. Most problems that arise from the rapid global growth in the number of vehicles, including air pollution and climate change, is associated with internal combustion engines, which basically depend on hydrocarbon fuels. The fuel cell type PEMFC, has the potential to replace these engines because they have higher efficiency and low emissions of greenhouse gases. However, there are some barriers to overcome the high cost of the materials of the membrane and of catalytic platinum group metals, that this technology becomes accessible for the effect of regular consumption. Even when the PEMFC is the preliminary stage of commercial, environmental performance throughout the life cycle of fuel cells must undergo an inevitable review in order to contribute to strategic planning and rational use of investment PEMFC. Considering the scarcity of literature in this field, this paper aims to focus on the importance of analytically evaluating the life cycle of PEMFC as a significant tool to understand the weight of not only environmental issues involving the use of PEMFC, but also the stages associated with the production system, since they also exhibit impact.

1. INTRODUÇÃO

No decorrer do tempo, a produção de energia elétrica constituiu-se como um fator ativo no desenvolvimento das sociedades. Para se obter melhorias no padrão de qualidade de vida da sociedade é preciso realizar o aperfeiçoamento da qualidade de energia distribuída e dos serviços inerentes, dentro de um processo de sustentabilidade¹. Entretanto, o modelo atual, que depende ainda de combustíveis fósseis, não atende a necessidade de preservação e conservação de recursos naturais, tendo em vista que esses combustíveis não são renováveis e o seu beneficiamento e uso promovem diversos impactos ambientais, dentre eles a emissão de poluentes atmosféricos, tais como o dióxido de carbono, principal responsável pela ocorrência do efeito estufa e consequentemente pelo aquecimento global^2,3. Não obstante, existem fatores estratégicos e econômicos relevantes associados a concentrações de suas jazidas em poucas regiões do mundo e a instabilidade de seus preços^1,4. 

Diante deste cenário, a busca por novas tecnologias para a obtenção de eletricidade que faça uso mais eficiente dos recursos naturais, utilizando fontes renováveis, torna-se urgente. Dentre as diferentes rotas inovadoras para a geração de energia mais sustentável está, atualmente, o hidrogênio, cuja viabilidade energética encontra-se na tecnologia de células a combustível – CaC. Estas são dispositivos eletroquímicos que podem converter continuamente a energia química de certas fontes – renováveis ou não – em eletricidade, sem a necessidade de combustão a quente e com um rendimento global superior aos equipamentos de transformação convencionais. Em adição a natureza eletroquímica da reação produzindo água, a alta eficiência pode propiciar urna significativa redução do uso de combustíveis fósseis e da liberação de gases do efeito estufa, resultando em emissões locais extremamente baixas durante o uso, fator especialmente importante em áreas densamente povoadas⁵. 

Deste modo, os diferentes tipos de tecnologia CaC configuram-se em candidatas ideais para uso em aplicações móveis e estacionárias, incluindo pequenas residências, plantas de energia e calor de média e larga escala, respectivamente. No setor móvel, as CaC, particularmente as de baixa temperatura de operação (80 a 90 °C), como a Célula a Combustível de Membrana Trocadora de Prótons – PEMFC, podem ser usadas em veículos particulares e coletivos, trens, aviões, barcos, além de sistemas portáteis de diversos usos⁶. Perante essas particularidades, os distintos setores da sociedade têm direcionado uma maior atenção para as CaC, principalmente em relação a PEMFC, visto a crescente demanda por energia e a preocupação em relação à qualidade urbana do ar, acidificação regional e mudanças climáticas. Entretanto, essas características vinculadas à utilização da tecnologia refletem apenas parte deste quadro, pois recursos são consumidos e emissões são geradas em outras etapas do contexto global do ciclo de vida desse produto, incluindo a manufatura e a disposição final. O estágio em uso é tipicamente dominante na avaliação de todo o ciclo de vida dos sistemas convencionais de geração de energia e engenharia de transporte⁷. 

Contudo, os sistemas de CaC comprometem uma escala relativamente exótica de materiais e requerem processos de manufatura que ainda estão em desenvolvimento, consequentemente a análise dos seus outros estágios do ciclo de vida são de suma importância, visto apresentarem vantagens ambientais durante sua utilização. No caso da PEMFC, mesmo encontrando-se no limiar do estágio comercial, o fator determinante para a sua ampla inserção no mercado envolve, além de questões econômicas relacionadas ao alto custo dos materiais da membrana e dos catalisadores de platina, os aspectos ambientais relacionados a este metal durante a fase de produção e pós-consumo do módulo da PEMFC^8,9. 

Neste sentido, a Avaliação do Ciclo de Vida –ACV tem se consolidado como uma ferramenta líder, tanto no mundo empresarial como governamental, para entender e questionar os riscos e oportunidades que acompanham os produtos ao longo de sua vida, desde a fase de extração de recursos para a manufatura até o seu destino final, pós-consumidor. Por conseguinte, os processos de decisão baseados em uma ACV conduzem a ações mais efetivas e maior sustentação no longo prazo com relação à redução dos custos econômicos e ambientais das companhias e para o país¹⁰. Portanto, para o desenvolvimento e promoção de novos modelos energéticos, torna-se imperativo a adoção desse instrumento. Face a essas considerações, a preocupação primordial deste estudo está em convergência com o momento atual, isto é, na necessidade de aprofundar o conhecimento relacionado ao peso das questões ambientais no desenvolvimento, consolidação e inovação da Célula a Combustível de Membrana Polimérica Trocadora de Prótons – PEMFC, visto, no âmbito do desenvolvimento sustentável, a premência pelo fornecimento de energia limpa e segura ao meio ambiente. 

Tendo em vista a escassez de trabalhos e pesquisas sobre essa temática, bem como a importância dos catalisadores de platina no âmbito econômico e ambiental de desenvolvimento da Célula a Combustível de Membrana Trocadora de Prótons – PEMFC, o presente trabalho tem por objetivo enfocar analiticamente a importância da avaliação do ciclo de vida da PEMFC, como uma significativa ferramenta para compreender o peso das questões ambientais envolvendo não somente a utilização da PEMFC, mas também os estágios relacionados à produção do sistema, já que estes também apresentam impactos.

2. Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) 

A Avaliação do Ciclo de Vida – ACV é uma abordagem metodológica para estimar e avaliar os impactos atribuídos à cadeia do produto, tais como: as mudanças climáticas, depleção do ozônio estratosférico, a criação do ozônio tropoesférico (smog), eutrofização, acidificação, efeitos toxicológicos na saúde humana e ecossistemas, depleção dos recursos, entre outros. Quando conduzimos a ACV, a fase do projeto do produto é usualmente excluída, pois, frequentemente, admite-se que esta etapa não contribui significativamente para a análise. Contudo, é importante notar que as decisões tomadas durante o projeto influenciam significativamente os aspectos ambientais de outros estágios do ciclo de vida¹¹. 

O objetivo da ACV é aperfeiçoar os bens e serviços. Isto se aplica analogamente à melhoria do processo do ciclo de vida do produto, principalmente se existir probabilidade de ocorrer interações com outros estágios do seu ciclo de vida^9,11. Embora, a implementação de tecnologias limpas possa mitigar a poluição no meio ambiente, em contrapartida propicia um aumento no custo de produção, pelo menos em um curto tempo. Neste caso, na ACV, todas as decisões relacionadas às consequências do ciclo de vida total (do berço ao túmulo) podem ser baseadas na análise, incluindo também as questões do âmbito social e econômico. Esta prática tem resultado em um balanço razoável entre os efeitos positivos e negativos, no seu sentido mais amplo, de um determinado produto. Neste panorama, a atenção dada a ACV tem sido crescente nestes últimos dez anos e ainda que este aumento no interesse não seja surpreendente, a vantagem desta abordagem metodológica em fornecer uma visão como um todo de um único processo (como a produção ou consumo de um produto) tem induzido governos e organizações privadas a adotá-la¹². 

Diante de um mercado cada vez mais globalizado e ambientalmente regulado, a Avaliação do Ciclo de Vida vem sendo amplamente utilizada, entre os países desenvolvidos, como ferramenta para orientar políticas de regulamentação, de responsabilidades das empresas, de organizações públicas e, para o financiamento de pesquisas e desenvolvimento, por fornecer dados de extração de recursos naturais, pelo uso de energia e produção de emissões. Desse modo, a importância da ACV vem se consolidando à medida em que a variável ambiental direciona as decisões de comando e controle do governo, do consumo da sociedade e da sustentabilidade das empresas. Mesmo no Brasil, em que esta ferramenta não se encontra tão difundida quanto nos diversos países da União Europeia e da Ásia, já se observa uma preocupação dos representantes de indústrias, comércios e outras atividades^13,14. 

3.Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) da PEMFC

Uma análise da literatura especializada faz crer que os impactos ambientais associados à aplicação da tecnologia  de CaC são conhecidos e bem documentados. Muitos trabalhos foram produzidos com relação a sua eficiência energética^15,16. Por outro lado, o mesmo não ocorre com para a produção e destino final desta fonte de energia. Alguns trabalhos e pesquisas tendo em vista a demanda crescente do mercado de energia, bem como, o desenvolvimento de políticas regulatórias cada vez mais rígidas, dedicaram-se a avaliar os impactos associados a outras fases do ciclo de vida desse sistema^17,18. No Brasil ainda são poucos os trabalhos relacionados a essa temática, apresentando ainda resultado pouco concreto nesta linha de pesquisa.

Dentre as pesquisas sobre a avaliação do ciclo de vida da PEMFC nas etapas de manufatura e disposição final, destacam‐se aquelas que se propuseram a examinar mais a fundo as propostas formuladas para o principal componente do módulo de célula PEMFC – o conjunto eletrodo membrana (MEA) – em particular sob a ótica dos eletrocatalisadores de platina^10,11.

Os impactos ambientais significativos estão associados a extração mineral e ao  refinamento da platina. Os efeitos nocivos ao meio ambiente ocorrem principalmente pelo uso e degradação do solo e pela poluição do ar, por emissões não controladas de dióxido de enxofre (SO₂), amônia, cloro e, entre outros, ácido clorídrico. As emissões de SO₂ e NH₄ são responsáveis por precipitações ácidas, cujo efeito pode atingir a escala regional^8,9,10.

4. Sistema PEMFC

 Célula a combustível é um dispositivo eletroquímico que consiste, essencialmente, de dois eletrodos: o anodo – “eletrodo combustível” – e, o catodo – “eletrodo oxidante” separados por um eletrólito.  Na PEMFC, um combustível, tais como hidrogênio, gás natural (GN), etanol ou outros hidrocarbonetos, e um agente oxidante, ar ou gás oxigênio, reagem com auxílio da membrana condutora de prótons. Na reação anódica são liberados elétrons, estes passam por um circuito externo, constituindo um fluxo de corrente elétrica. Os prótons formados no ânodo são conduzidos pela membrana para o catodo, onde ocorre a reação de redução e a formação de água quando em contado com o comburente (Figura 1). Este processo além de produzir corrente elétrica, também gera calor aproveitáveis. O coração de uma célula de combustível é constituído por um “conjunto membrana eletrodo” – CME. Esse conjunto é composto por uma membrana polimérica   faceada por dois eletrodos de difusão gasosa (cátodo e ânodo), os quais são compostos por uma camada catalisadora e por uma camada difusora de gases. As propriedades catalisadoras deste conjunto que produzem a divisão da molécula de hidrogênio e oxigênio se baseiam nas propriedades dos metais preciosos, como a platina  depositada. Para gerar quantidades utilizáveis de corrente se colocam sucessivos CME, formando o denominado “stack”. Mediante esta configuração, se alcança a potência (tensão e corrente elétricas) requerida^16,17.

4.1 Processo de produção do MEA

A fabricação do MEA é determinante na tecnologia das PEMFC, pois é de onde se estabelece a interface trifásica gás-eletrodo-eletrólito. O preparo do conjunto de MEAs por diversas técnicas vêm sendo objetos de estudo, vários processos de aplicação vêm sendo pesquisados. O processo de produção do conjunto eletrodo membrana desenvolvido no LAPEC-UFAM, sucintamente consiste em cinco etapas distintas: a) preparação da camada difusora, b) preparação da tinta catalítica, c) preparação do eletrodo de difusão de gás e d) tratamento da membrana polimérica e e) e prensagem a quente. Os empacotamentos membrana-eletrodos são preparados por prensagem (5 à quente  (5 tonelada a 125 ^oC) de um par de eletrodos em ambos os lados de uma membrana Nafion^®16. 

Para ACV deste estudo, os dados necessários, concentram-se na fase de preparação da tinta e da camada catalítica, cujas informações sobre a composição química, a carga e massa de catalisador, de cada eletrodo são apresentados nas tabelas 1 e 2, respectivamente.

Tabela 1- Composição da tinta catalítica*

Elemento	Quantidade	Unidade
Dispersão de Náfion	0,12	mL
Platina Comercial*	0,01	g

*platina ancorada em carbono (20% em massa de metal).

Fonte: Baldo (2003)

Tabela 2- Carga catalítica e massa estimada por eletrodo (com área ativa da célula de 25 cm²)

Eletrodo	Carga	Unidade	Massa estimada	Unidade
Ânodo	0,0004	g cm-2	0,0100	g
Cátodo	0,0006	g cm-2	0,0150	g

Fonte: Frey & Linardi (2004)

Apresenta-se a seguir um resumo do processo produtivo:

Para preparação da camada catalisadora, uma dispersão homogênea contendo Pt  e Nafion em isopropanol deve ser disperso em banho ultrassônico. O solvente deve ser eliminado e o aglomerado é disperso em isopropanol, no qual é depositado quantitativamente (pintura) sobre uma das faces da camada difusora para a formação do ânodo e cátodo. A camada catalisadora é, então, curada a 80^oC por 2 horas para fixação do Nafion^® .

5. Emissões Ambientais da PEMFC: Sistema de Produção e Disposição Final

A quantidade dos principais materiais do MEA e os requerimentos de energia elétrica para a manufatura de cada um destes são apresentados na tabela 3, na qual é possível identificar que a platina apresenta o valor mais significativo de requisição de energia para a produção em função da quantidade.

Tabela 3- quantidade dos principais materiais e os requerimentos em termos de energia

Materiais	Pt	Ru	Carbono	CarbonPaper
Quantidade Requerida(kg/kW)	0,83	0,21	1,25	62,36
Energia produção(MJ/kW)	164.268,35	41.348,37	501,71	87.310,00

Materiais	Nafion Dispersão	Isopropanol	Água deionizada
Quantidade Requerida(kg/kW)	0,65	9,52	6,14
Energia produção(MJ/kW)	9,16	497, 84	0,12

FONTE: KARAKOUSSIS et.al. (2000), modificado por FUKUROZAKI (2006)

Os efeitos resultantes no meio ambiente e no desenvolvimento da PEMFC, relativos ao consumo de energia na produção dos materiais e fabricação do MEA, estão diretamente relacionados à matriz energética de cada país¹⁸. As saídas dos processos do sistema produtivo do MEA constituem, além do próprio produto, perdas dos materiais usados na fabricação (tabela 4), bem como nas emissões ambientais (resíduos, efluentes e emissões atmosféricas) procedentes de cada fase de produção. As perdas durante o processo podem ser consideradas por dois parâmetros: desperdícios de materiais e rejeitos oriundos de produtos defeituosos. No que diz respeito às emissões para o meio ambiente, estas foram divididas em duas categorias: ar, água. Dada a relativa importância da platina no consumo de energia para a produção do MEA e principalmente para a tecnologia PEMFC, optou-se por apresentar aqui, de forma detalhada, somente as saídas relacionadas às emissões para o meio ambiente deste catalisador (tabela 5).

Tabela 4 – Perdas de Materiais no processo de produção do MEA

Materiais utilizados nos processos	Uso (%)	Perdas (%)
Platina	98,0	1-2
Rutênio	98,0	1-2
Água deionizada1	93,7	16,3
Nafion Dispersão	93,7	16,3
Carbono	98,0	2
Tinta catalítica	90,0	10
CarbonPaper	92,5	7,5
Membrana Nafion	95,0	5
Água deionizada2	99,9	0,01

¹Água utilizada para produzir a tinta catalítica

²Água utilizada na eliminação dos solventes orgânicos

*perdas relacionadas ao desperdício e erros no corte

FONTE: KARAKOUSSIS et.al. (2000), modificado por FUKUROZAKI (2006)

Tabela 5 – Emissões para o meio Ambiente da produção de platina

Emissões para o ar	mg/kWde Platina	Emissões para a água	mg/kWde Platina
Partículas	11272034,29	DQO	64932,46
CO	6822788,57	DBO	20022,02
CO2	10775801143	ÁCIDO (H+)	665,76
SOX	3185069257,1	Sólidos dissolvidos	–
NOX	17716524,34	Hidrocarbonetos	4779,87
Hidrocarbonetos	37194134,10	NH4	23677,03
H2S	22025,14	Sólidos em suspensão	1520068,57
HCl	2182649,94	Metais	43142607,57
HF	307250,74	NO3-	150441,99
Metais	2850772,43	Formas de nitrogênio	16,49
Aromáticos- HC	76504,00	ClO3-	–
CFC/HCFC	–	Fosfato as P2 O5	526461,82
VOC	35608,65	Detergente/ ÓleoSO4-	245313,37
–		Cl–, F–	58212200,28

FONTE: KARAKOUSSIS et.al. (2000). modificado por FUKUROZAKI (2006)

A recuperação da platina desperdiçada durante o processo e a reciclagem do catalisador de células desativadas é uma das principais questões com as quais os produtores de CaC e empresas recicladoras de metais preciosos têm se preocupado e visualizado como uma oportunidade de negócio no setor, pois a tendência de uso da ACV para a rotulagem de produtos e a internalização das externalidades ambientais (por exemplo, taxas de carbono) poderá elevar o custo deste material no futuro. Não obstante, em muitos casos, também a ineficiência do processo pode produzir emissões adicionais e, até mesmo no caso dessas emissões não representarem um peso para as questões ambientais, o custo das crescentes perdas podem representar uma barreira para a inserção da PEMFC no mercado¹⁸. Assim, torna-se evidente e clara a importância da recuperação e reciclagem de platina, pois esses procedimentos podem proporcionar uma diminuição dos requerimentos de material e reduzir significativamente o custo da produção.

6. Considerações Finais sobre os Estudos de ACV da PEMFC

Atuante e configurando-se como uma candidata ideal para o futuro do sistema energético, a tecnologia PEMFC apresenta diversas vantagens. Contudo, as informações sobre a platina evidenciam a indissociabilidade das questões ambientais às econômicas, uma vez que a disposição do recurso na natureza é limitada, sua exploração envolve impactos de grande escala e a demanda por esta matéria prima é ampla¹⁷. Somado‐se requisitos de ordem ambiental, como os significativos efeitos deteriorantes da platina sobre o meio ambiente, àqueles de caráter econômico – o elevado custo deste metal, nobre por natureza, aos técnicos, como o fato de a platina constituir‐se atualmente, no catalisador mais viável para o sistema de energia PEMFC, a reciclagem surge como uma alternativa bastante efetiva – muito embora ainda mitigatória – para que os processos de produção de PEMFC sejam de fato sustentáveis. 

Dentre os principais resultados obtidos na avaliação do ciclo de vida pode-se ressaltar que a célula a combustível PEMFC apresenta, durante o uso, vantagens ecológicas em função dos baixos índices de emissão de gases do efeito estufa, o que é especialmente importante para áreas urbanas com condições ambientais severas^16,19,20. Contudo, a produção do módulo apresenta impactos, principalmente relacionados aos metais do grupo de platina, que não podem ser negligenciados quando comparados à utilização de motores de veículos comuns. Não obstante, é sempre importante ter em mente que as barreiras ambientais e econômicas à produção de qualquer produto, e o caso da PEMFC não é diferente, caminham juntas. Neste sentido, o uso de técnicas de caráter sistêmico tais como a ACV, ou variações como a análise de sustentabilidade para a avaliação do desempenho ambiental desta tecnologia, sobretudo durante a fase de manufatura, constituem‐se em ganhos significativos para a manutenção da condição de alternativa sustentável à matriz energética mundial¹⁹.

A crescente preocupação com os impactos ambientais gerados pela provisão de bens e serviços à sociedade tem sido indutora do desenvolvimento de novas ferramentas e métodos que visam a auxiliar na compreensão, controle e/ou redução desses impactos. A ACV vem se mostrando como uma importantíssima ferramenta para auxiliar em estudos dessa natureza, por considerar o impacto ambiental ao longo de todo o ciclo de vida do produto: da extração das matérias-primas utilizadas à produção, ao uso e à disposição final^9,13. 

Dentro deste contexto a ACV também se mostra muito eficiente na análise e redução de custos industriais, evidenciando benefícios econômicos e estratégicos perante uma adequada política ambiental, que afeta diretamente o comportamento da organização em relação às legislações ambientais vigentes. 

Neste panorama, pode se concluir que os objetivos estabelecidos nesta pesquisa foram atendidos, inclusive no que se refere às exigências do estudo da ACV. Portanto, o desenvolvimento do processo de recuperação e posterior método de reciclagem da platina da PEMFC, deve ocorrer concomitante a Avaliação do Ciclo de Vida, uma vez que tal instrumento fornece a visão necessária para subsidiar as estratégias de desenvolvimento e inovação da tecnologia.

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