ipenAUTARQUIA ASSOCIADA UNIVERSIDADE DE SO PAULO

.CK)

ANLISE AMBIENTAL DA CLULA A COMBUSTVEL DE MEMBRANA TROCADORA DE PROTNS SOB O ENFOQUE DA AVALIAO DO CICLO DE VIDA

SANDRA HARUMI FUKUROZAKI

D i s s e r t a o apresentada c o m o parte dos requisitos para o b t e n o do Grau de Mestre em Cincias na rea de Tecnologia N u c l e a r - M a t e r i a i s . Orientadora: Dra. Emilia Satoshi Miyamaru Seo

So Paulo 2006

A U T A R Q U I A A S S O C I A D A U N I V E R S I D A D E DE S O P A U L O

A N L I S E A M B I E N T A L D A C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A T R O C A D O R A DE P R O T N S S O B O E N F O Q U E D A A V A L I A O D O C I C L O DE V I D A

SANDRA HARUMI FUKUROZAKI

Dissertao

apresentada como

parte

d o s requisitos para a o b t e n o d o Grau de Mestre em Cincias na rea de

Tecnologia Nuclear - Materiais

Orientadora: Dra. E m i l i a S a t o s h i M i y a m a r u S e o

SO PAULO 2006

I N S T I T U T O DE P E S Q U I S A S E N E R G T I C A S E N U C L E A R E S A U T A R Q U I A A S S O C I A D A U N I V E R S I D A D E DE S O P A U L O

A N L I S E A M B I E N T A L D A C L U L A A C O M B U S T V E L DE M E M B R A N A T R O C A D O R A DE P R O T N S S O B O E N F O Q U E DA A V A L I A O DO C I C L O DE V I D A

SANDRA HARUMI FUKUROZAKI

Dissertao

apresentada c o m o

parte

d o s requisitos para a obteno d o Grau de Mestre em Cincias na rea de

Tecnologia Nuclear - Materiais

Orientadora: Dra. E m i l i a S a t o s h i M i y a m a r u S e o

SO PAULO 2006

A o s meus pais e ao Miguel naturalmente.

Foram

vrias

as

instituies

e

pessoas

que

colaboraram

direta

ou

indiretamente para a construo deste trabalho, a estas devo meus sinceros agradecimentos. A o C o n s e l h o Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento - C N P q , pela bolsa c o n c e d i d a e ao Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares o p o r t u n i d a d e de realizao d o presente estudo. minha famlia, pelo apoio s e m p r e constante e incondicional ao longo da minha f o r m a o , e m especial a Monize Kozu Fukurozaki pela pacincia nos meus m o m e n t o s de m a u humor e m a d r u g a d a s acordadas. minha orientadora, Dra. Emilia Satoshi M i y a m a r u Seo, pela amizade, confiana, incentivo e, principalmente, pelos conhecimentos adquiridos no IPEN, pela

decorrer da nossa convivncia. A o s pesquisadores do Programa de Clulas a Combustvel - P R O C E L , Dr. Marcelo Linardi, Dr. Estevan Spinac e Dr. Almir Oliveira Neto, pelo suporte, materiais e discusses essenciais para o desenvolvimento desta dissertao. A o s profissionais da r e a de M e i o A m b i e n t e , pelas crticas e sugestes q u e serviram de base para a formatao da avaliao ambiental: Dr. Jacques

Demajorovic e

M.Sc Alcir Vilela Jnior - Faculdade de Engenharia Ambiental

/Centro Universitrio S E N A C ; Dr. Gil Anderi da Silva - G r u p o de Preveno a Poluio/ Escola Politcnica da Universidade de So Paulo e Sogabe Secretaria Dr. Milton N o n o de

de Estado do Meio A m b i e n t e ( S M A ) / C o m p a n h i a

Tecnologia e Saneamento Ambiental (CETESB). A o s doutores e tcnicos , pelos esclarecimentos e anlises realizadas: Dr. Nelson Batista de Lima, Dra. Mitiko Saiki, Dra. V e r a Lcia Ribeiro Salvador, Dra. Elizabete Dantas Sonoda, Dra. Duclerc Fernandes Parra, Marco Andreoli, Marco Scapin, Olandir Vercino Corra e Elias Silveira. A Dra. Snia R. M. Castanho, Dr. Egberto G o m e s Franco, M.Sc.Edgard

Ferrari da Cunha, M.Sc Antnio R. dos Santos, M.Sc Marcelo do Carmo, M.Sc Thais A r a n h a , M.Sc Martha L. Bejarano, M.Sc R u b e n s Chiba, M.Sc Walter Kenji, lize Puglia, Bruno Ribeiro de Matos, pelo auxlio e informaes diversas. Por fim, aos d e m a i s colaboradores e colegas de j o r n a d a a c a d m i c a d o IPEN, pelas idias e os m o m e n t o s de distrao.

/\ nos/a cultura retorno futuro,

do desenvolvimento

no prev para conta

o o o

iluminao no para

vela; projeta-se leva em

o passado;

equilbrio dinmicos, biolgicos, energia,

biofsico,

no em termos os fatos

estticos,

mas tempos de

avaliando objetivando

conforme

um fluxo estacionario de recursos.

de populaes,

Enzo Tiezze

T R O C A D O R A DE P R O T N S S O B O E N F O Q U E D A A V A L I A O D O C I C L O DE V I D A

SANDRA HARUMI FUKUROZAKI RESUMO A energia o combustvel do crescimento e um requisito essencial para o desenvolvimento scio-econmico. No entanto, o atual modelo de produo b a s e a d o em combustveis fsseis considerado a m e a a d o r para o h o m e m e a natureza. Desta forma, as p r e o c u p a e s relacionadas s atividades antrpicas e os seus efeitos no meio ambiente s o traduzidos pela implementao de padres mais rgidos de controle ambiental e pela mobilizao da sociedade em favor das tecnologias energticas m e n o s impactantes. Diante d e s s e cenrio, a Clula a Combustvel d e M e m b r a n a T r o c a d o r a d e Prtons - P E M F C t e m sido reconhecida como a resposta para a premente necessidade de energia limpa e eficiente. E m relao aos sistemas convencionais de gerao de energia, suas vantagens durante o uso a configuram c o m o candidata ideal para diversas aplicaes, e m especial as mveis. Entretanto, e m b o r a o foco de diversas avaliaes ambientais e m sistemas d e energia seja voltado para a etapa da sua utilizao, os estgios relacionados p r o d u o do sistema e destinao final d e v e m ser considerados j que estes t a m b m apresentam impactos. No caso da PEMFC, nas fases Neste e anteriores e posteriores ao uso, sentido, a Avaliao os aspectos relacionados aos catalisadores de

platina a p o n t a m cargas ambientais que no p o d e m ser negligenciadas.

do Ciclo de V i d a tem sido utilizada para entender

questionar os riscos e oportunidades que a c o m p a n h a m u m d e t e r m i n a d o produto, a partir de uma viso sistmica das s u a s relaes com o meio ambiente. precisamente n e s s e contexto que o presente trabalho pretende dar sua maior contribuio, a partir de um estudo exploratrio almeja-se prover uma anlise ambiental d e s s a tecnologia na etapa ps-uso d o conjunto eletrodo m e m b r a n a , nomeadamente e m relao aos catalisadores de platina, sob o e n f o q u e da bem o Avaliao do Ciclo d e Vida - ACV. Para atingir tal propsito, so a p r e s e n t a d a s e discutidas as relaes entre energia, meio a m b i e n t e e desenvolvimento, P E M F C . A s contribuies das questes levantadas foram utilizadas como a tecnologia de Clulas a Combustvel e o s atuais estudos sobre A C V da para desenvolvimento de u m mtodo de recuperao dos catalisadores da P E M F C e, especialmente, para a sua posterior avaliao ambiental. Dentre os resultados significativos subsidiar as destaca-se estratgias a importncia da A C V ao como ferramenta til para e c o m p r e e n d e r o peso das questes ambientais relacionadas platina e, para relacionadas desenvolvimento, consolidao inovao da P E M F C .

ENVIRONMENTAL FUEL CELL

ANALYSIS

OF THE PROTON

EXCHANGE

MEMBRANE

ON THE SUBJECT

OF LIFE CYCLE

ASSESSMENT

SANDRA HARUMI

FUKUROZAKI

ABSTRACT

The

energy

is

the

fuel

of

growth However,

and

an

essential

requirement

for

the on

socioeconomic human activities

development.

the current production

model is based

fossil fuels, considered implementation of the society scenario, recognized the configure mobile energy since the

as threat to man and nature. on the environment,

As for, the relating they are handled control and the impact. Cell PEMFC

to the by the

and their effects

of a more rigid model of environmental in favor of technologies Proton Exchange Membrane system, Fuel their

mobilization has been usage in the in

with less energy

In view of this Considering

as a key for the vital need of a clean and efficient energy. power generation advantages utilities, environmental its application as an ideal option for several the focus on several back to the initial stage In the case related

conventional sector. systems these

during especially

Even though, is referred

evaluations

of it use, the should be

employment considered, and which sense, systemic context analysis electrode Cycle energy, questions of subsequent of LCA, matters

relating to production subsequent indicates phases

of the system and to final destination impacts. of use are issues importance

also present

of PEMFC,

their previous catalysts, In this

to the platinum

an environmental

that cannot be overlooked. to certain product,

the Life Cycle Assessment and opportunities concept that the present exploratory assembly Assessment environment raised

has been used to understand with the environment.

and to question the risks starting from a in this

that are associated research

of their relationships study towards

It is precisely

intends to present the its objectives the platinum such studies aim, are presented

its major contribution, to provide catalysts, the

starting from an

an environmental of the membrane between Several its

of such technology -

linked to post stage of powder-use To attain

- MEA, concerning LCA. and development

on the subject of Life

relationships

and discussed,

as well as, the Fuel of a method

Cell technology recuperating environmental out lined as concerning consolidation

and the current the useful PEMFC tool

on LCA of PEMFC. in the development particularly, results weight for and, the

up on this issues evaluation. the platinum

have conthbuted catalysts Among for perceiving and its subsidy significant

are the importance of environmental to the relating

strategies

development,

and to the innovation

of PEMFC.

INTRODUO OBJETIVO

15 19

FUNDAMENTAO TERICA

1 - ENERGIA, MEIO A M B I E N T E E DESENVOLVIMENTO 1.1 - Energia e Meio A m b i e n t e 1.1.1 - M u d a n a s Climticas 1 . 1 . 2 - Deposies cidas 1 . 1 . 3 - Poluio Urbana do A r 1.1.4 - Centrais Termoeltricas 1 . 1 . 5 - Centrais Hidroeltricas 1.1.6 - Centrais Nucleares 1.2 - Energia e Desenvolvimento 2CLULAS A COMBUSTVEL

21 22 24 25 26 27 28 28 29 31 31 32 34 36 38 38 40 41

2.1 - S o n h o o u Desafio? 2.2 - Origem e Histria da Tecnologia 2.3 - Sistema Conversor de Energia 2.3.1 - Classificao das T e c n o l o g i a s 2.4 - Principais V a n t a g e n s 2.4.1 - Alta Eficincia e S e g u r a n a 2.4.2 - Flexibilidade de Planejamento 2.4.3 - D e s e m p e n h o Ambiental

2.5 - Tecnologia da Clula a Combustvel de M e m b r a n a Trocadora de Prtons 4 2 2.5.1 - Evoluo Histrica do Desenvolvimento 2.5.2 - Aplicaes 3 - A V A L I A O D O C I C L O DE V I D A 3.1 - Breve Histrico e Definies 3.2 - Guia e Marco Metodolgico 3.2.1 - Objetivo e Escopo 3.2.2 - Inventrio d o Ciclo de V i d a - ICV 45 46 50 51 54 55 57

3 . 2 . 3 - A v a l i a o do Impacto do Ciclo de Vida - A l C V 3.2.4 - Interpretao 3.3 - Avaliao do Ciclo de V i d a Simplificada 3.4 - Restries a Prtica da A v a l i a o do Ciclo de Vida 3.5 - Importancia do Uso da Avaliao d o Ciclo de Vida 4 A V A L I A O DO C I C L O DE V I D A D A C L U L A A C O M B U S T V E L

58 60 61 63 64 DE 66

M E M B R A N A T R O C A D O R A DE P R T O N S

4 - E m i s s e s Ambientais da S O F C e S P F C : sistema de produo e disposio final 4 . 1 . 1 - S i s t e m a PEMFC 4.1.2 - Processo Produtivo do M E A 4.1.3-Inventrio 4 . 1 . 4 - Anlise do Inventario e Consideraes sobre o Estudo 4.2 - Avaliao do Ciclo de V i d a de Mdulos de Clulas a Combustvel 67 69 70 72 75 77

4.3 - Impactos da Legislao de R e s i d u o s Veiculares na Unio Europia: o p e s de fim d e vida para as clulas de eletrlito polimrico 78

4.5 - Anlise Geral dos Estudos sobre a Avaliao do Ciclo de Vida da P E M F C 78

METODOLOGIA

5 -

D E S E N V O L V I M E N T O E A N L I S E DO P R O C E S S O DE R E C U P E R A O 81 81 85 87 88 91 91 92 93 94

DOS C A T A L I S A D O R E S DE P L A T I N A DA PEMFC 5.1 - Rota Experimental 5.2 - Avaliao do Ciclo de Vida Simplificada do Processo 5.2.1 - Objetivo e Escopo 5.2.2 - Inventrio 5.2.2.1 - A n l i s e T e r m o g r a v i m t r i c a - A T G 5.2.2.2 - Espectrometra de Fluorescncia de Raios X - F R X 5.2.2.3 - D/frao d e Raios X - D R X 5.2.2.4 - Anlise por Ativao Neutrnica 5.2.2.5 - Anlise de Voltametria Cclica

5.2.3 - Avaliao de Impactos 5.2.4 - Interpretao

95 99

RESULTADOS E DISCUSSES

6 - AVALIAO

D O C I C L O DE V I D A D O P R O C E S S O DE R E C U P E R A O 100 100 102 104 107 109 112 113 113 121 121 126 130 130 134

D O S C A T A L I S A D O R E S DE P L A T I N A D A P E M F C 6.1 - Pr Avaliao da A C V : questes relevantes sobre a Platina 6.1.1 - Propriedades gerais da platina 6.1.2 - D e m a n d a e Aplicaes 6.1.3 - Suprimento e Preo 6 . 1 . 4 - Impactos A m b i e n t a i s e Restries Legais 6.1.5 - Consideraes sobre a Etapa de Simplificao 6.2 Inventrio: coleta e anlise dos dados 6.2.1 - Processo de Produtivo do M E A 6.2.2 Processo de R e c u p e r a o

6.2.3 - Anlises de Verificao: eficincia do processo 6.2.4 Anlises d e Caracterizao: potencial de reciclagem

6.3 - Avaliao de Impactos 6.3.1 - Identificao de Aspectos e Impactos 6.3.2 - Anlise da Significncia

CONCLUSES

Concluses

137

REFERNCIAS

Referncias

140

T a b e l a 1.1 - Escala de problemas a m b i e n t a i s associados energia

23

T a b e l a 1.2 - Contribuio relativa de g a s e s provenientes de combustveis fsseis a o efeito estufa T a b e l a 1.3 - Fontes de poluio e seus poluentes T a b e l a 2.1 - Classificao das C a C conforme o eletrlito utilizado T a b e l a 3.1 - Exemplos de listas d e seleo de categorias de impactos T a b e l a 3.2 - Exemplos de indicadores e m o d e l o de caracterizao T a b e l a 3.3 - Anlise dos m t o d o s de simplificao da A C V 24 26 37 59 60 62

T a b e l a 4.1 - Quantidade dos principais materiais e os requerimentos e m termos d e energia T a b e l a 4.2 - Entrada de energia para c a d a processo de produo do MEA. T a b e l a 4.3 - Perdas de materiais no processo de produo do M E A T a b e l a 4.4 - Emisses para o meio a m b i e n t e da produo de platina. T a b e l a 4.5 - Total de emisses para o meio ambiente na produo do M E A T a b e l a 4.6 - Custo das perdas de platina T a b e l a 5.1 - Caractersticas do M E A T a b e l a 5.2 - Exemplo de aspectos e impactos T a b e l a 5.3 - Escala de probabilidade T a b e l a 5.4 - Escala de severidade T a b e l a 5.5 - Escala de limites T a b e l a 5.6 - Escala de status regulatrio T a b e l a 5.7 - Avaliao mltipla dos critrios T a b e l a 6.1 - Propriedades da platina T a b e l a 6.2 - Estado de oxidao e c o m p o s t o s de platina T a b e l a 6.3 - D e m a n d a d e platina por setor e m quilogramas 72 72 73 74 74 75 83 96 97 97 98 98 99 103 103 106

T a b e l a 6.4 - Suprimento de platina por regio em quilogramas

107

T a b e l a 6.5 - Custo da fabricao d o eletrodo e porcentagem d o a u m e n t o entre os a n o s 2 0 0 4 e 2005 T a b e l a 6.6 Referncias de estudos sobre a concentrao de platina 108 em 110 114 115 115

diferentes compartimentos ambientais, na fauna, flora e outros locais T a b e l a 6.7 - C o m p o s i o da tinta cataltica T a b e l a 6.8 - Carga cataltica e m a s s a estimada por eletrodo T a b e l a 6.9 - Especificaes do eletrlito e da c a m a d a difusora.

T a b e l a 6.10 - Valores obtidos na p e s a g e m do M E A e dos seus c o m p o n e n t e s e m gramas T a b e l a 6.11 - C o m p a r a o entre a massa inicial e final do M E A e m g r a m a s T a b e l a 6.12 - C o m p a r a o 116 116

entre a massa do eletrlito padro (P) e do eletrlito 117

obtido no processo e m (R ) e m g r a m a s T a b e l a 6.13 -

C o m p a r a o entre a massa da camada difusora padro e da 117

c a m a d a obtida no processo (R ) e m g r a m a s

T a b e l a 6.14 - C o m p a r a o entre a massa da c a m a d a cataltica terica (T) e a c a m a d a obtida no processo e m gramas. 118

T a b e l a 6.15 - Massa estimada para os elementos da c a m a d a cataltica obtida no processo de recuperao e m g r a m a s T a b e l a 6.16 - Perfil d a s amostras e n c a m i n h a d a s para anlise e m gramas T a b e l a 6.17 - Determinao da platina e outras impurezas Tabela 6.18 Dimetro mdio das partculas de catalisadores de 119 119 124 platina 128 132 134 135

preparados por diferentes tcnicas T a b e l a 6.19 - Identificao de atividades, aspectos e potenciais impactos T a b e l a 6.20 - Avaliao da significancia dos impactos T a b e l a 6.21 - Critrios considerados durante a pontuao

F i g u r a 1.1 - Efeito estufa

25

F i g u r a 2 . 1 - C o n v e r s o direta d e energia das CaC e m c o m p a r a o as tecnologas de converso indireta F i g u r a 2.2 - Classificao das Clulas a Combustvel F i g u r a 2.3 - C o m p a r a o das eficiencias e m porcentagem (%) F i g u r a 2.4 - Desenho esquemtico da P E M F C F i g u r a 2.5 - M E A e clula unitria da P E F C F i g u r a 2.6 - Mdulo d o P E M F C F i g u r a 2.7 - Exemplo de aplicao porttil (laptop) da PEFC F i g u r a 2.8 - Veculo d e emisso nula - N E C A R F i g u r a 3.1 - Etapas d a avaliao do ciclo de vida. F i g u r a 3.2 - Dimenses do e s c o p o de estudo da A C V 35 36 38 43 43 44 47 47 54 55

F i g u r a 3.3 - Exemplo de um d i a g r a m a de fluxo de u m sistema e processos de um produto F i g u r a 3.4 - Estrutura conceituai da A l C V F i g u r a 3.5 - Procedimentos d e simplificao da A C V 57 59 63

F i g u r a 4 . 1 - Diagrama conceituai do ciclo de vida de u m sistema C a C e m 7 estgios F i g u r a 4.2 - Diagrama do fluxo d e produo do M E A 68 71

F i g u r a 5 . 1 - Proposta de r e c u p e r a o da platina d o M E A da P E M F C e n c o n t r a d a s na literatura F i g u r a 5.2 - Diagrama simplificado do procedimento experimental F i g u r a 5.3 - Software de A C V - Sima Pro Demo F i g u r a 5.4 - Ficha de coleta d e d a d o s F i g u r a 6.1 - Diagrama geral do ciclo de vida da platina 82 84 89 90 101

F i g u r a 6.2 - Jia de platina F i g u r a 6.3 - Platina e m barra e m gros F i g u r a 6.4 - Sensor d e platina utilizado para detectar monxido de carbono Figura 6.5 Platina ancorada em substrato de alumina, utilizada

104 104 105 como 106 106

catalisador e m processos da industria petrolfera F i g u r a 6.6 - Disco rgido c o m c a m a d a m a g n t i c a de platina

F i g u r a 6.7 - Preo da platina no perodo de janeiro d e 2 0 0 4 a d e z e m b r o de 2 0 0 5 108 F i g u r a 6.8 Escala de risco ecolgico 111 113 114 120 122 123 123 125 126 126 127

F i g u r a 6.9 - Ciclo de vida da platina na P E M F C F i g u r a 6.10 - Diagrama de blocos de preparao do M E A F i g u r a 6.11 - Inventrio do processo de recuperao F i g u r a 6.12 - Curva da A T G para a massa cataltica F i g u r a 6.13 - Curva da A T G para tinta cataltica F i g u r a 6.14 - Curva da A T G para a platina comercial F i g u r a 6.15 - Elementos detectados pela anlise de ativao neutrnica F i g u r a 6.16 - Difratogramas de raios X para a c a m a d a cataltica F i g u r a 6.17 - Difratogramas de raios X para a tinta cataltica F i g u r a 6.18 - Difratogramas de raios X para a platina comercial

F i g u r a 6.19 - V o l t a m o g r a m a s cclicos para a m a s s a cataltica, tinta e platina comercial Figura 6.20 Atividades do processo de recuperao nas quais 129 so 131

identificados o s aspectos ambientais F i g u r a 6.21 energia

Exemplo de uma cadeia de efeitos relativos ao c o n s u m o de 132

No decorrer d o tempo, a p r o d u o d e energia eltrica constituiu-se c o m o um fator ctiave no desenvolvimento das sociedades. A partir da I R e v o l u o Industrial, e m m e a d o s do sculo XVIII, u m a transformao indubitvel o c o r r e u nas relaes produtivas de c o n v e r s o e sociais, favorecida pela descoberta de novos A

mecanismos

energtica e f o m e n t a d a

pelo uso do carvo.

substituio gradativa dessa fonte por outras, c o m o o petrleo e o gs natural, propiciou uma nova organizao de mbito global, concomitamente a II

Revoluo Industrial, sobrevinda u m sculo depois. Desenvolveu-se ento toda uma gama de indstrias baseadas na

e c o n o m i a d e energia fssil, por um lado, voltadas para a p r o d u o e suprimento de energia: m q u i n a s diversas, turbinas, sistemas de transmisso; por outro, para a sua utilizao: e q u i p a m e n t o s de uso industrial e domstico, iluminao, fora motriz, climatizao e comunicao. Conseqentemente, esse conjunto de

instrumentos alterou de forma profunda o ritmo e o curso dos processos de formao scio-espacial e econmicas da humanidade, moldando as

caractersticas do atual desenvolvimento. Contudo, nos anos 7 0 \ uma crise mundial sem precedentes, acarretada pelo boicote internacional realizado pelas naes rabes, membros da

Organizao dos Pases Exportadores de Petrleo - O P E P , propiciou u m a b u s c a frentica por fontes alternativas de energia e despertou o mundo para a

n e c e s s i d a d e de melhor utilizao dos recursos naturais. No m e s m o

perodo,

internacionalmente, assistia-se ao surgimento de uma economia ambiental, c o m o c o n s e q n c i a da inquietao global quanto a sustentabilidade dos sistemas de p r o d u o vigente. Pelo prisma d o crescimento e c o n m i c o , formularam-se conceitos Integrated Resources Planning e o Demand Side Management, como

voltados para o

planejamento e uso racional dos recursos, os quais ainda hoje constituem m o d o s de gesto e e x p a n s o de sistemas energticos, c o m o alternativa ao paradigma m e r a m e n t e d e m o g r f i c o de oferta crescente para c o n s u m o crescente ( G R I M O N I e. al., 2 0 0 4 ) .' Em 1973 a crise do petrleo foi provocada pelo embargo ao fornecimenlo de petrleo aos Estados Unidos e s potencias europias e posteriormente, em 1979, causada pela revoluo iraniana que derruba o .\ Reza Pahlevi.

Do ponto de vista ecolgico, os desastres ambientais fatais como o fog e m Londres, a contaminao por mercrio na baa de Minamata no J a p o , o acidente

nuclear e m Three Mile Island nos Estados Unidos, a c o n t a m i n a o por gases txicos e m Bhopal na ndia, b e m como as conseqncias locais, regionais e

globais associadas ao uso intensivo de combustveis fsseis, c o m o chuva cida, camada de oznio e a u m e n t o da temperatura (PENNA, 1999), indicaram a

insustentabilidade do modelo energtico corrente e a necessidade de fomentar o desenvolvimento de sistemas g e r a d o r e s de energia que possibilitassem contribuio decisiva para u m futuro ambientalmente seguro. Paralelamente, o p e n s a m e n t o inaugurado pelo Clube de Roma (1960), prosseguido pela Conferncia de Estocolmo (1972), o Relatrio da C o m i s s o de Brundtland (1987) e a Reunio da Cpula da Terra (1992) conduziram a uma

c o n c l u s e s similares, segundo os quais o modelo de produo e c o n s u m o e m vigor, incluindo o atendimento as exigncias energticas, no compatvel com uma perspectiva de sustentabilidade intergerencial e nem equidade, em mbito mundial no presente. Estas sustentvel, constataes no qual resultaram de no paradigma os do desenvolvimento das geraes

a capacidade

assegurar

direitos

presentes e futuras esto intimamente relacionadas energia (REIS & SILVEIRA, 2001). N o obstante, t a m b m e m e r g i u a crescente tendncia de padres mais rgidos de controle ambiental a valorizao de preveno das fontes renovveis, menos

poluidoras e, os instrumentos

e mitigao das

externalidades

ambientais negativas, sobretudo o s que visam auxiliar na c o m p r e e n s o , reduo e controle dos impactos na natureza, entre os quais ressalta-se a Avaliao do Ciclo de V i d a - A C V . Dentre as diferentes rotas inovadoras para a gerao de energia mais sustentvel est, atualmente, o hidrognio, cuja viabilidade energtica encontrase na tecnologia de clulas a combustvel CaC. Estas so dispositivos

eletroqumicos que p o d e m converter continuamente a energia qumica de certas fontes renovveis ou no, em eletricidade sem a necessidade de combusto a quente e com um rendimento global superior aos e q u i p a m e n t o s de transformao convencionais. Em adio a natureza eletroqumica da reao produzindo gua

(KORDESCH

&

SIMADER,

1996),

a

alta

eficincia

pode

propiciar

urna

significativa reduo do uso de combustveis fsseis e da liberao de gases do efeito estufa, resultando e m e m i s s e s locais e x t r e m a m e n t e baixas durante o uso, fator especialmente importante e m reas d e n s a m e n t e p o v o a d a s . Deste modo, os diferentes tipos de tecnologia C a C configuram-se candidatas ideais para uso e m aplicaes m v e i s e estacionrias, em

incluindo

p e q u e n a s residncias, plantas de energia e calor de m d i a e larga escala, respectivamente. temperatura No setor mvel, as CaC, particularmente as de baixa de

de o p e r a o

(80 a 90 C), como

a Clula a Combustvel

M e m b r a n a T r o c a d o r a d e Prtons -

P E M F C , p o d e m ser u s a d a s e m veculos

particulares e coletivos, trens, avies, barcos, a l m de sistemas portteis de diversos usos ( B A U E N et. al., 2003). Perante essas particularidades, os distintos setores da sociedade direcionado tm a

uma maior ateno para as CaC, principalmente em relao

P E M F C , visto a crescente d e m a n d a por energia e a p r e o c u p a o em relao qualidade urbana do ar, acidificao regional e m u d a n a s climticas. Entretanto, essas caractersticas vinculadas utilizao da tecnologia refletem a p e n a s parte deste quadro, pois recursos so c o n s u m i d o s e e m i s s e s so g e r a d a s e m outras etapas do contexto global d o ciclo de vida desse produto, incluindo a manufatura e a disposio final. S e g u n d o K A R A K O U S S I S et. al (2000), o estgio e m uso tipicamente d o m i n a n t e na avaliao de todo o ciclo de vida dos sistemas convencionais de g e r a o de energia e e n g e n h a r i a de transporte. Contudo, os sistemas de C a C comprometem processos de uma escala relativamente que extica de materiais em e requerem

manufatura

ainda

esto

desenvolvimento,

c o n s e q e n t e m e n t e a anlise dos seus outros estgios do ciclo de vida so de suma importncia, visto apresentarem vantagens ambientais durante sua

utilizao. No caso da P E M F C , m e s m o e n c o n t r a n d o - s e no limiar do estgio comercial, o fator determinante para a sua ampla insero no m e r c a d o envolve, alm de q u e s t e s e c o n m i c a s relacionadas ao alto custo d o s materiais da m e m b r a n a e dos catalisadores de platina, os aspectos ambientais relacionados a este metal

18

durante a fase de p r o d u o e p s - c o n s u m o d o m d u l o d a P E M F C ( P E H N T , 2 0 0 1 ; HANDLEY, 2002). Neste sentido, a Avaliao do Ciclo de Vida tem se consolidado c o m o u m a ferramenta lder, tanto no m u n d o empresarial c o m o g o v e r n a m e n t a l , para entender e questionar os riscos e oportunidades q u e a c o m p a n h a m os produtos a o longo de sua vida, d e s d e a f a s e de extrao de recursos para a manufatura at o seu destino final, ps-consumidor. Por conseguinte, os processos de deciso baseados em uma ACV

c o n d u z e m a a e s mais efetivas e, com maior sustentao no longo prazo c o m relao r e d u o dos custos e c o n m i c o s e a m b i e n t a i s das c o m p a n h i a s e para o pas (CALDEIRA-PIRES et. al, 2005). Portanto, para o desenvolvimento e

p r o m o o de novos m o d e l o s energticos, torna-se imperativo a a d o o d e s s e instrumento. Face s consideraes acima, a p r e o c u p a o primordial deste estudo est e m convergncia c o m o m o m e n t o atual, isto , na necessidade de aprofundar o c o n h e c i m e n t o relacionado ao peso das questes ambientais no desenvolvimento, consolidao e inovao da Clula a Combustvel de M e m b r a n a Polimrica

Trocadora de Prtons - P E M F C , visto, no mbito do desenvolvimento sustentvel, a p r e m n c i a pelo fornecimento de energia limpa e s e g u r a ao meio ambiente.

Tendo principalmente, econmico e

em

vista

as

consideraes

apresentadas

na

introduo no

e

d a d a a importncia ambiental de

dos catalisadores da

de platina a

mbito de

desenvolvimento

Clula

Combustvel

M e m b r a n a T r o c a d o r a de Prtons - P E M F C , o presente trabalho t e m por objetivo geral prover uma anlise ambiental dessa tecnologia na etapa ps-uso conjunto eletrodo m e m b r a n a , nomeadamente e m relao platina, sob do o

enfoque da Avaliao do Ciclo de V i d a - ACV. Neste sentido, os seguintes objetivos especficos foram delimitados: 1)- A p r e s e n t a r os aspectos gerais sobre energia, sua relao com o ambiente e desenvolvimento sustentvel, bem c o m o a tecnologia PEMFC; meio

2 ) - Proporcionar informaes s o b r e a a b o r d a g e m metodolgica d a Avaliao do Ciclo de Vida e sua importncia no contexto do estudo; 3 ) - Analisar e discutir as principais publicaes existentes sobre a A C V PEMFC, especificamente no que tange as questes relacionadas da aos

eletrocatalisadores de platina; 4 ) - Desenvolver um mtodo de recuperao de platina e exemplificar o uso da ACV, avaliando a sua funcionalidade na definio de m t o d o s para a recuperao e reciclagem do catalisador da P E M F C , a partir de um estudo exploratrio. Para atingir tal propsito, o desenvolvimento da pesquisa consistiu

inicialmente na pesquisa bibliogrfica e m base de dados especializados. Esta etapa consolidou-se na construo de quatro captulos nos quais so

apresentadas as f u n d a m e n t a e s tericas do estudo que serviram de alicerce para o d e s e n v o l v i m e n t o do m t o d o de recuperao dos catalisadores de platina da P E M F C e, especialmente, para a sua posterior avaliao ambiental. Os procedimentos realizados na construo e avaliao do processo

configuraram na metodologia aqui apresentada c o m o quinto captulo, sendo os dois ltimos captulos s u b s e q e n t e s os resultados e d i s c u s s e s e, as concluses da pesquisa. Portanto, o trabalho est estruturado da seguinte forma:

O captulo I apresenta c o n c i s a m e n t e os aspectos relevantes sobre energa, meo ambiente de e desenvolvimento, CaC no cenrio cujo Na contexto aborda o a importncia II da

tecnologia

atual.

seqncia,

captulo

aglutina

Informaes sobre a C a C , a p o n t a n d o sua origem, histrico do desenvolvimento, suas principais caractersticas e vantagens, c o m especial ateno tecnologia P E M F C , inserindo as questes relevantes para a a b o r d a g e m metodolgica da ACV. Subseqentemente, o capitulo III introduz a Avaliao do Ciclo

a p r e s e n t a n d o o histrico, guia e marco metodolgico, simplificao da A C V e outros aspectos c o m o importncia do uso d e s s a ferramenta de gesto no

d e s e n v o l v i m e n t o industriai e no Brasil. O captulo IV aglutina informaes sobre os atuais estudos realizados

s o b r e a Avaliao d o Ciclo d e Vida da PEFC e, dada a ausncia de literatura nacional sobre o assunto, optou-se por descrever e discutir trs dos principais e s t u d o s realizados internacionalmente, identificando os problemas ambientais

a s s o c i a d o s ao ciclo d e vida d e u m mdulo da P E F C e, ainda, suas implicaes para a sustentabilidade da tecnologia. N o captulo V apresenta-se o desenvolvimento e a anlise do processo de recuperao da platina da P E M F C e m d u a s etapas. A primeira caracteriza-se pela descrio dos procedimentos utilizados na rota experimental, e n q u a n t o a s e g u n d a trata daqueles relacionados anlise simplificada da A C V d o s M E A da P E F C , produzida e utilizada no Programa de Pesquisa e Desenvolvimento de Clulas a Combustvel do IPEN ( P R O C E L ) . O captulo VI traz os resultados e discusses decorrentes da avaliao do ciclo d e vida simplificada. N o entanto, d a d a as dificuldades notrias e grande divergncia no tratamento das q u e s t e s levantadas, este captulo se coloca como uma contribuio e discusso no sentido de criar a b o r d a g e n s ou mtodos q u e incluem as questes ambientais sistematicamente na pesquisa e desenvolvimento da tecnologia PEFC. Por fim, as principais constataes da pesquisa, incluindo as r e c o m e n d a e s e as sugestes futuras sobre as questes tratadas neste estudo so a p r e s e n t a d a s nas concluses.

1 - ENERGIA, MEIO AMBIENTE E DESENVOLVIMENTO

A histria do desenvolvimento h u m a n o possui uma estreita relao c o m o uso da energia, cuja participao imprimiu e imprime, o ritmo das modificaes no contexto scio-econmico. A partir da segunda metade do sculo XVIII, a

referncia ao uso intensivo das fontes energticas, e m termos produtivos , p o d e ser verificada na Europa Ocidental, particularmente durante a Revoluo

Industrial. Neste perodo, o a p o g e u das m q u i n a s a v a p o r elege o carvo mineral como fonte de energia primria, devido s suas caractersticas e quantidade disponvel, s u p e r a n d o assim, o uso da lenha. Na s e g u n d a metade do sculo XIX, a indstria do petrleo dava seus primeiros passos na participao da matriz energtica mundial, inicialmente em solo norte-americano (at meados da

Primeira Guerra Mundial) e, posteriormente no Oriente Mdio, consolidando os pases desta regio e m uma das principais fontes de energia no mundo. Paralelamente, a energia c o m qualidade, de fcil acesso, c o m alto grau de fracionamento se d e s e n v o l v e no final do sculo XIX, m a r c a n d o o surgimento da indstria da eletricidade. Tratando-se de uma fonte secundria de energia

(depende de t r a n s f o r m a e s a partir de fontes primrias), a eletricidade d e s t a c o u se ao longo do sculo X X face sua participao na viabilizao de atividades e processos, d e s d e os primrdios da iluminao pblica at o s atuais e q u i p a m e n t o s eletrnicos, e m especial os motores eltricos. O motor eltrico trifsico representou um importante passo no sistema energtico, e s t a b e l e c e n d o estruturas e conceitos q u e evoluram e prevalecem at os dias de hoje. Para a indstria, o uso da eletricidade, significou a possibilidade de c o n c e p o de layout's a d e q u a d o s de forma independente aos processos

produtivos ( F E R N A N D E S F I L H O ef. al, 2004). Q u a n t o sociedade, o acesso eletricidade proporcionou, alm de bens de c o n s u m o e servios necessrios qualidade de vida, o desenvolvimento social no s e u sentido mais amplo. No obstante, o surgimento de novas tecnologias t a m b m propicia, a partir dos anos 50, o uso da energia nuclear, na qual acreditava-se na poca q u e esta

viria a substituir a e c o n o m i a de energia fssil. De acordo c o m U D A E T A ef. al (2004), nos t e m p o s modernos, as energias renovveis se consolidaram a p e n a s por meio de g r a n d e s hidroeltricas. No entanto, a primeira g r a n d e crise do petrleo em 1973, desperta o desenvolvimento de novos mecanismos de

c o n v e r s o de energia baseada e m recursos renovveis e, a busca pela garantia de atendimento s necessidades futuras. Desta forma, ao longo do t e m p o f o r a m vrias as fontes energticas q u e participaram no cotidiano das populaes, umas s u c e d e n d o s outras, o u ainda, atuando simultaneamente, e custo. em propores o uso da variadas, energia um dos em conforme equilbrio a sua o da

disponibilidade desenvolvimento

Todavia,

com

scio-econmico

representa

grandes

desafios

h u m a n i d a d e . Para tanto torna-se importante ter uma c o m p r e e n s o m i n i m a m e n t e clara dos processos envolvidos nas transformaes energticas e suas

c o n s e q n c i a s ambientais.

1.1

Energia e Meio AmbienteNo decorrer da sua histria, a h u m a n i d a d e tem selecionado os sistemas

energticos

em

funo

de

dois

elementos:

a

disponibilidade

tcnica

e

a

viabilidade e c o n m i c a . Porm, o m o d e l o energtico vigente t e m se insustentvel, c o m p r o m e t e n d o , c a d a vez mais a curto prazo, os

revelado equilbrios

ecolgicos e climticos e, c o n s e q e n t e m e n t e o desenvolvimento scio-econmico e o b e m estar social. Desta forma, na ltima d c a d a , um n o v o parmetro tem progressivamente condicionado a aceitao o u recusa dos sistemas de energia: os impactos ambientais resultantes da sua implementao. C o n f o r m e O L I V E I R A ef. al (2004) o setor energtico produz efeitos nocivos ao meio ambiente e m toda a sua cadeia de desenvolvimento, d e s d e a extrao de recursos naturais at o s s e u s u s o s finais. Por exemplo, a extrao de recursos energticos, seja petrleo, carvo, biomassa o u hidroeletricidade, tm implicaes e m m u d a n a s nos padres d e uso d o solo, recursos hdricos, alterao cobertura vegetal e na c o m p o s i o atmosfrica. da

J os processos relacionados com a produo e uso de energia liberam para a atmosfera, a gua e o solo diversas substncias que c o m p r o m e t e m a sade e sobrevivncia no s do h o m e m , m a s t a m b m da f a u n a e flora. Embora seja difcil identificar c o m clareza todos esses impactos, uma vez q u e estes p o d e m ocorrer d e forma direta e indiretamente, a energia , d o ponto d e vista global, pode ser apontada c o m o u m a das principais fontes de desequilbrio da natureza causada pelo h o m e m . N o obstante, os d a n o s ambientais n o s e restringem ao local o n d e se realizam as atividades de produo o u de c o n s u m o de energia, mas t a m b m a b r a n g e m as escalas regionais e globais (TAB 1.1). No nvel regional p o d e - s e mencionar, por exemplo, o problema de precipitaes cidas, o u ainda o

d e r r a m a m e n t o de petrleo e m o c e a n o s , que p o d e atingir vastas reas.

TABELA 1.1 - Escala de problemas ambientais associados energiaProblemas Globais Mudana no Clima Global Depleo do Oznio Estratosfrico Reduo da Biodiversidade Problemas Regionais Degradao e Uso da gua e do Solo Contaminao ocenica Mobilizao de Contaminantes Txicos Precipitao cida Radioatividade e lixos radioativos Problemas Locais Poluio do ar urbano Poluio do ar interno Poluio das guas subterrneas e de superfcies Resduos slidos e perigosos Campos eletromagnticos Sade e Segurana ocupacional Acidentes de larga escala Esttica e outros aspectos (por ex. rudos, perturbao visual)

Fonte : CARVALHO (2000)

Em relao aos impactos globais, e os e x e m p l o s mais contundentes so as alteraes climticas resultantes do a c m u l o de g a s e s na atmosfera (efeito estufa) e, a depleo da c a m a d a de oznio devido ao uso de clorofiuorcarbonetos

utilizados e m e q u i p a m e n t o s de ar condicionado e refrigeradores. Neste sentido, apresenta-se a seguir a principal conseqncia ambiental de cada escala de

abrangncia, e posteriormente os impactos derivados dos atuais sistemas de energia.

1.1.1

Mudanas Climticas

Um energtico

dos so

mais os

complexos problemas

e

maiores

efeitos

das a

emisses

do

setor

globais

relacionados

mudanas

climticas.

S e g u n d o REIS e. al (2005), o aquecimento global resulta da modificao na intensidade de radiao trmica emitida pela superfcie da Terra, em f u n o da crescente c o n c e n t r a o de gases do efeito estufa (GEE), cujas emisses esto relacionadas ao uso de combustveis fsseis (TAB .1.2).

TABELA 1.2 - Contribuio relativa de gases provenientes de combustveis fsseis ao efeito estufaGs CarbAnico (COj) Metano (CH