segunda-feira, 16 de junho de 2014

A MAIS CARA FORMA DE ENERGIA – O Desafio Químico das Pilhas

Por: Leandro Bossy Schip

Pequenas notáveis
Figura1:. Pilha de Alessandro Volta.
 Fonte: vintageephemera.blogspot.com

Quando utilizamos um controle remoto para ligar a TV ou trocamos as pilhas daquele despertador com barulho irritante que nos acorda todas as manhãs, nem sempre nos damos conta do fascínio que estas fontes de eletricidade despertaram na sociedade do século XIX. Se o físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) estivesse vivo para vislumbrar o resultado que sua rústica pilha trouxe, depois de inúmeras melhorias que conferiram aos geradores químicos de eletricidade um formato muito mais compacto e robusto, certamente ficaria maravilhado com as possibilidades inimagináveis para seu invento.
Embora exista uma infinidade de configurações de matérias aplicáveis na construção das pilhas químicas o principio básico de todas é fundamentalmente o mesmo. Criar uma diferença de potencial elétrico entre dois materiais condutores diferentes, forçando o movimento de cargas entre eles a partir de uma reação química.





Desafio ambiental 

Nem sempre é possível aliar grande desempenho com um caráter inofensivo. Nos últimos anos os diversos aprimoramentos introduzidos ao processo de fabricação e as matérias primas empregadas na construção destas compactas fontes de energia conferiram a elas também um caráter venenoso para o meio ambiente. Como é o caso das pilhas recarregáveis que levam na sua composição o cádmio. Um modelo de pilha recarregável que vem substituindo as antigas pilhas de níquel-cádmio são as chamadas níquel-hidreto metálico (Ni-MH), que possui uma maior vida útil sendo também menos nocivo ao meio ambiente e possui uma densidade de energia superior a sua antecessora, mas também não está isenta de impacto ambiental se pensarmos que todo o manejo das matérias primas e os processos industriais empregados até que a pilha esteja montada e pronta para ser utilizada, toda essa cadeia de produção emprega um grande consumo de energia e também produz uma quantidade de resíduos diversos que devem ser contabilizados quando pensamos no custo benefício destas fontes de energia.
No caso das pilhas secas comuns e das pilhas alcalinas, embora a maioria delas tenha uma composição menos tóxica, sua principal desvantagem está no caráter descartável após a primeira descarga, uma vez que estas não podem ser recarregadas.

Figura2:. Comparação entre tamanhos das pilhas secas comuns com destaque para o tamanho AA.
Fonte: Rightbattery.com

Quanto custa uma pilha?

Quando pensamos em impacto ambiental é preciso tomar o cuidado para não simplificar o problema apenas ao resíduo descartado depois que o produto não tem mais utilidade, ou seja, quando nossas pilhas estão descarregadas ou inutilizadas. Isso porque as pilhas já poluíram e consumiram muita energia antes mesmo de saírem da fábrica. Em todo o processo de fabricação, desde a extração e manejo das matérias primas, até sua fabricação e distribuição ao consumidor a energia total gasta para fazer uma pilha é imensamente maior do que a energia que ela devolve ao longo de sua vida útil.
Entretanto é impossível estimar de maneira confiável todos os custos e perdas envolvidos no processo, mas podemos comparar alguns dados levantados pela empresa de tecnologia cadex.


AAA
AA
C
D
9 Volt
Capacidade (alcalina)
1.100 mAh
2.500 mAh
7.000 mAh
14.000 mAh
600 mAh
Energia (única célula)
1.4 Wh
3 Wh
9 Wh
18 Wh
4.2 Wh
Custo por célula (EUA $)
$1,25
$1,00
$1,60
$1,60
$3,10
Custo por KW/h (EUA $)
$ 890
$ 330
$ 180
$ 90
$ 730
Tabela 1:. Energia e custo comparado de pilhas primárias alcalinas. Fonte: batteryuniversity


Os custos estão expressos em dólar por conta de o estudo ter sido realizado nos EUA, mas para fins comparativos servem perfeitamente para percebermos que o custo das pilhas primárias, que são aquelas que não podem ser recarregadas, aumenta quanto mais compacta é sua construção. Como o é o caso do modelo AAA, comumente utilizada em aplicações de baixa potência como controle remoto de TV. Claro que o custo da energia diminui quando comparamos da mesma forma as baterias recarregáveis.



Chumbo Ácido
NiCd
NiMH
Li-ion
Capacidade
2.000 mAh
600 mAh
1.000 mAh
1.200 mAh
Tensão
12V
7.2V
7.2V
7.2V
Energia por ciclo
24 Wh
4.5 Wh
7.5 Wh
8.6 Wh
Numero de ciclos
250
1000
500
500
Custo da bateria
$ 50
$ 50
$ 70
$ 100
Custo por kW/h
$ 8,50
$ 11,00
$ 18,50
$ 24,00
Tabela 2: Energia e custo comparado de baterias recarregáveis. Fonte: batteryuniversity

As pilhas e baterias recarregáveis apresentam um custo-benefício muito superior, mas em termos da densidade de energia, empregar fontes químicas de eletricidade ainda pode ser pouco vantajoso em alguns casos. Este tem sido o grande desafio da indústria automobilística que em alguns anos tem lançado novos veículos elétricos como uma alternativa de mobilidade, mas eles ainda esbarram no custo das baterias que apresentam limitações muito maiores para funcionar em condições extremas de temperatura e possuem uma vida útil muito mais curta que um motor a explosão. Mesmo com os motores de combustível fóssil sendo maquinas extremamente ineficientes, aproveitando não muito mais que 25% da energia liberada na queima do combustível, contra os quase 100% de eficiência de recarga das baterias. Os velhos mal e cheirosos motores ainda são mais vantajosos em aplicações de grande escala, como maquinas pesadas. 
A densidade de energia refere-se a relação entre o peso de uma fonte qualquer com a capacidade de energia que ela pode fornecer. No caso das baterias de chumbo-ácido, apesar de elas terem uma capacidade de armazenamento superior e maior vida útil que outros modelos de baterias listados, estas são também as baterias mais pesadas do mercado, o que torna impraticável seu uso para aplicações como a aviação. E mesmo se fossem utilizadas baterias de lítio, como as usadas em alguns modelos de carro elétrico, se imaginar uma bateria destas com 100 kg ela produziria cerca de 10 kW de energia a um custo de 10.000 dólares, sem considerar o gasto com recarga e substituição já que sua vida útil de apenas 2.500h - um motor de combustão com o mesmo peso fornece 100 kW, sendo que o motor tem uma vida útil da ordem de 4.000h a um custo de aproximadamente 3.000 dólares.


Um passo para o futuro

As baterias já evoluíram muito, mas ainda faltam alguns passos para que alcancem um patamar de destaque na tecnologia ocupando completamente o espaço de outras fontes de energia menos eficientes.
Uma notícia animadora foi publicada recentemente no diário Nature Communications por uma equipe de cientistas dos laboratórios do Departamento de Energia dos EUA – incluindo Lawrence Berkeley, Brookhaven, SLAC e o National Renewable Energy Laboratory. Os pesquisadores analisaram exaustivamente com uso de microscopia eletrônica o comportamento da deterioração dos eletrodos que levam as baterias de lítio a perder sua capacidade de recarga com o passar do tempo e encontraram finalmente uma explicação detalhada do fenômeno que acontece para tal degradação. Essa pesquisa pode em alguns anos permitir construir baterias que previnam o fenômeno da cristalização envolvida com tal deterioração permitindo aumentar a vida útil das baterias recarregáveis.

PARA SABER MAIS:

http://parquedaciencia.blogspot.com.br/2013/08/a-melhor-bateria-descoberta.html
http://parquedaciencia.blogspot.com.br/2013/06/voce-tem-coragem-de-fazer-uma-pilha-em.html
http://parquedaciencia.blogspot.com.br/2013/08/pilhas-e-baterias-reaproveita-las-ou-nao.html

REFERÊNCIAS:

Renato Canha Ambrosio e Edson Antonio Ticianelli, Baterias de níquel-hidreto metálico, uma alternativa para as baterias de níquel-cádmio, Instituto de Química de São Carlos, USP, CP 780, 13560-970 São Carlos – SP. Quím. Nova vol.24 no.2 São Paulo Mar./Apr. 2001- 
Disponível em:
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-40422001000200015

Comparing the Battery with other Power Sources
Batteries against Fossil Fuel
Comparing Battery Power
Primary Batteries
Disponíveis em:  http://batteryuniversity.com/

Pilhas recarregáveis mais eficientes. 
Disponível em: http://www.dicasverdes.com/2008/12/pilhas-recarregaveis-mais-eficientes/

How to choose the best battery for your specific needs.
 Disponível em:  http://rightbattery.com/tag/battery-types/

Scientists pinpoint the creeping nanocrystals behind lithium-ion battery degradation. 
Disponível em: http://www.rdmag.com/news/2014/05/scientists-pinpoint-creeping-nanocrystals-behind-lithium-ion-battery-degradation


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