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A contínua expansão das emissões de gases de efeito estufa e o aumento no consumo de combustíveis fósseis estão levantando preocupações tanto entre os governos globais quanto entre o público em geral. Em diversas instalações portuárias, a movimentação de cargas entre navios e estaleiros é realizada por meio de veículos equipados com motores a diesel (Starcrest Consulting Group, LLC, 2019). Esse processo resulta na significativa liberação de substâncias prejudiciais na atmosfera, contribuindo para a intensificação do efeito estufa.

De acordo com os dados apresentados no Inventário de Emissões Atmosféricas de 2019, no porto marítimo de Los Angeles, as emissões de carbono provenientes de veículos a diesel representaram cerca de 42,9% do total de emissões de carbono do próprio porto. Diante desse contexto, torna-se crucial buscar soluções inovadoras e tecnologias que tenham como objetivo transformar esses portos em locais ambientalmente responsáveis, alinhados com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável estabelecidos pelas Nações Unidas.

Nessa conjuntura, destacam-se os veículos ecologicamente mais amigáveis, como os veículos elétricos (EVs) e os veículos com células de combustível (FCVs), que oferecem maior eficiência energética e têm um impacto ambiental reduzido. Essas alternativas estão gradualmente conquistando reconhecimento como meios viáveis para abordar esse problema e avançar em direção à concretização de um conceito de porto sustentável.

Os portos estão empenhados em mitigar os impactos ambientais associados às suas operações, particularmente as emissões de poluentes atmosféricos tóxicos e critérios poluentes que têm efeitos adversos na qualidade do ar regional e, consequentemente, na saúde humana. A redução das emissões de gases de efeito estufa provenientes das atividades portuárias é uma peça-chave no movimento em direção à sustentabilidade no transporte de mercadorias. Além dessas preocupações ambientais, os portos enfrentam o desafio de otimizar a competitividade econômica, a eficiência operacional, a confiabilidade e a segurança (Kinnon; Razeghi; Samuelsen, 2021).

O presente trabalho tem como objetivo, abordar a necessidade de transformação sustentável dos portos, explorando o papel das tecnologias de células de combustível como alternativas viáveis para reduzir as emissões e promover a eficiência energética nas operações portuárias.

Células Combustíveis

A popularidade das células a combustível está em ascensão devido à sua capacidade de oferecer maior eficiência e economia como fonte de geração de energia, ao mesmo tempo em que produzem emissões mínimas, como apontado por Rajasekhar et al. em 2015. A Figura 1 mostra uma célula de combustível com uma camada de eletrólito entre um ânodo e um cátodo. O combustível e o oxigênio são fornecidos aos eletrodos anódico e catódico. No ânodo, o combustível se decompõe em íons positivos e negativos. Os íons positivos atravessam o eletrólito até o cátodo, enquanto os íons negativos (elétrons) viajam através de um circuito externo para recombinação. Isso acontece no cátodo com produção de água. A célula de combustível combina características de máquinas térmicas e baterias, permitindo geração contínua e reações eletroquímicas eficientes (Sharaf; Orhan, 2014).

Figura 1: Célula Combustível Operando com Hidrogênio

Cinco principais tipos de células de combustível estão em uso comercial – tecnologias alcalinas (AFC), membranas de troca de prótons (PEMFC), ácido fosfórico (PAFC), carbonato fundido (MCFC) e óxido sólido (SOFC). Cada tipo se diferencia pelo eletrólito e temperatura de operação, resultando em variações em eficiência, tamanho, combustíveis possíveis, entre outros. Essas diferenças influenciam a adequação de cada tipo para várias aplicações, incluindo ambientes portuários e industriais de transporte de mercadorias (Lucia, 2014). 

Células Combustíveis em Portos Marinhos 

Na implementação das células de combustível nos portos, quatro critérios principais desempenham um papel crucial. Inicialmente, os critérios tecnológicos, englobando potência, durabilidade, capacidade de lidar com ciclos de operação, eficiência, maturidade tecnológica e sensibilidade a impurezas no combustível. Em segundo lugar, os aspectos econômicos, refletindo as comparações de custo entre diversos tipos de células de combustível (FC). O terceiro ponto aborda a segurança, considerando os elementos específicos relacionados à segurança de cada categoria de FC. Por fim, o quarto critério, o ambiental, examina as questões relacionadas às emissões (Sadek e Elgohary, 2019).

As autoridades portuárias consideram a aplicação de células de combustível de hidrogênio para embarcações e ativos portuários, visando reduzir emissões. A ideia é promover a tecnologia de células de combustível e diminuir a poluição dos navios. A expansão das células de combustível requer colaboração entre as indústrias marítima e portuária para escalonar a produção e a infraestrutura de abastecimento. Isso traria sinergias devido à utilização conjunta de infraestruturas existentes. A tecnologia pode ser usada em rebocadores e durante atracações, melhorando o desempenho ambiental. A Cummins oferece soluções completas para a energia de hidrogênio em portos, incluindo estações de carregamento e sistemas de controle. Embora a implementação das células de combustível seja futura, a Cummins lançou um novo gerador para embarcações de trabalho e recreio, com características inovadoras (Wingrove, 2020).

A implementação de tecnologias de células de combustível para autogeração pode ter diversos benefícios, como apoiar microrredes em portos, fornecer energia limpa para fontes móveis e contribuir para a evolução de instalações portuárias altamente eficientes, resilientes e com emissão zero. Essas tecnologias podem ser aplicadas em várias escalas para suprir energia a guindastes, iluminação, edifícios, armazéns e outras cargas. Além disso, podem equilibrar recursos renováveis, sendo complementares com sistemas de armazenamento de bateria. O calor gerado pelas células de combustível pode atender às demandas térmicas de edifícios e armazéns, e o hidrogênio produzido pode alimentar aplicações móveis ou ser armazenado para uso posterior. As células de combustível também são adequadas para alimentar veículos leves, médios e pesados, bem como sistemas ferroviários. A consideração do uso de hidrogênio renovável nas futuras infraestruturas portuárias para alimentar aplicações móveis seria benéfica (Kinnon; Razeghi; Samuelsen, 2021).

Sistemas de células de combustível oferecem diversos benefícios quando comparados a dispositivos de combustão, abrangendo alta eficiência elétrica, emissões praticamente nulas de poluentes, impacto líquido negativo ou baixo em gases de efeito estufa (GEE), consumo de água líquido negativo ou baixo, operação em diferentes temperaturas, modularidade flexível para escolha de combustível, dimensionamento e localização, além de serem ambientalmente benignos em termos acústicos. A natureza modular e distribuída das células de combustível as torna adequadas para aplicações de geração combinada de calor e energia (CCHP). Além disso, elas podem produzir hidrogênio ao operar com gás natural ou biogás, permitindo sistemas altamente eficientes em termos energéticos. Embora apresentem desafios, como custos elevados sem subsídios, baixas densidades de potência e tempos de inicialização prolongados para alguns tipos, as células de combustível podem ser combinadas eficientemente com motores térmicos tradicionais, gerando sinergias e permitindo conversões de energia de baixa emissão (Margalef, 2012).

A implantação de sistemas de células de combustível em portos oferece vantagens únicas, incluindo emissões insignificantes durante a operação e a capacidade de substituir equipamentos móveis com baixas emissões. Estratégias de financiamento, como contratos de compra de energia (PPAs), podem ser favoráveis aos portos, permitindo a geração de eletricidade sem investimento inicial. Sistemas de trigeração que geram eletricidade, calor e hidrogênio são adequados para portos, atendendo às necessidades energéticas e de abastecimento de hidrogênio para aplicações móveis. No entanto, a identificação de cargas térmicas adequadas para usar o calor residual gerado é um desafio para a integração da CCHP em portos. As células de combustível também contribuem para a resiliência das microrredes, sendo capazes de transitar entre os modos ilhados e conectados à rede, melhorando a confiabilidade do sistema e evitando perdas econômicas devido a interrupções prolongadas. No geral, as células de combustível oferecem uma opção atrativa para geração distribuída e são ideais para microrredes portuárias (Kinnon; Razeghi; Samuelsen, 2021).

Aplicabilidade De Células Combustíveis Em Portos Marinhos: Estudos de Casos

Sadek e Elgohary (2019) realizaram um estudo de caso no porto de Alexandria, no Egito, com a aplicação de uma célula combustível e turbinas éolica offshore, que envolve a determinação dos dispositivos e unidades necessários para operar células de combustível em um porto específico. O porto em questão, chamado de Porto Alex, possui uma área adequada para instalar essas unidades. São necessárias 20 unidades de células de combustível, cada uma com dimensões de 60 m de comprimento e 12 m de largura, além de uma área para dispositivos de eletrolisado com dimensões de 141 m de comprimento e 2 m de largura. 

O layout proposto das unidades de células de combustível inclui folgas entre cada unidade para evitar riscos de calor adjacente. O sistema envolve tanques de armazenamento de hidrogênio, bombas de oxigênio e hidrogênio, e dispositivos geradores de hidrogênio (EL) ligados por tubulações. O sistema é composto por 20 unidades de células de combustível e 7 eletrolisadores ideais para gerar hidrogênio suficiente para acionar sete unidades de células de combustível. O uso desse sistema busca alcançar um porto autossustentável e livre de emissões. Os custos anuais são estimados em cerca de 10.595.053 dólares para fornecer eletricidade a um custo de 0,101 $/kW.

Os autores chegaram à conclusão de que, um sistema híbrido com 25 turbinas eólicas (37,5 MW) e 20 unidades de células de combustível (20 MW) pode atender as necessidades energéticas dos navios. Economicamente, a célula de combustível é a opção mais vantajosa (custo de 0,101 $/kWh), enquanto a energia eólica offshore é mais cara (custo de 0,125 $/kWh). Esses conceitos reduziriam significativamente as emissões de CO2, NOx e CO em 80.441 toneladas, 20.814 kg e 133.025 kg por ano, respectivamente. Com apoio financeiro governamental, esses sistemas podem se tornar lucrativos à medida que os preços dos combustíveis aumentam e as regulamentações ambientais se intensificam.

Seddiek (2019), também realizou um estudo de caso em outro porto em Alexandria no Egito, o porto de Damietta. No Porto de Damieta, há espaço disponível para a instalação de oito unidades de células a combustível e 38 unidades de eletrolisado (EL). O layout proposto mostra a disposição das unidades de células a combustível, com distâncias entre elas para evitar superaquecimento. Cada unidade de célula a combustível possui entradas de oxigênio e hidrogênio, com saídas de água e eletricidade. Um tanque de hidrogênio e bombas auxiliam na distribuição de gases. O sistema requer três eletrolisadores para gerar hidrogênio, alimentando as unidades de células a combustível. O sistema completo supre 65% das necessidades de energia do porto. Com custos anuais de cerca de 4.238.021 dólares para fornecer eletricidade, a célula de combustível se destaca como uma opção viável, proporcionando eletricidade a cerca de 10 centavos por quilowatt.

O Porto de Damietta foi avaliado para a adoção de uma fonte de energia verde visando uma transformação ecológica. A análise comparou os custos anuais da rede elétrica nacional com os de células de combustível e turbinas eólicas offshore, tanto individualmente quanto combinados. Os resultados confirmam a viabilidade técnico-econômica das turbinas eólicas offshore e das células de combustível para o porto selecionado, incentivando pesquisadores e políticos a considerar essas opções. Economicamente, as células de combustível se mostraram a melhor opção de energia verde, com custo de eletricidade de 0,10$/kWh, enquanto as turbinas eólicas offshore tiveram custo de 0,12$/kWh. Devido às limitações de espaço no porto, a melhor escolha seria um sistema combinado, com 67,9% da energia fornecida por células de combustível e o restante por turbinas eólicas offshore. Além disso, os resultados indicam reduções anuais de emissões de CO2, NOx e CO em 32.176, 53,2 e 8,32 toneladas, respectivamente, com apoio financeiro governamental. As relações custo-benefício são de 31,06$, 12,42$ e 17,1$ para células de combustível, turbinas eólicas offshore e o conceito combinado, respectivamente.

Considerações Finais 

O crescente aumento das emissões de gases de efeito estufa e a crescente dependência de combustíveis fósseis têm gerado preocupações significativas tanto entre os governos globais quanto entre o público em geral. No âmbito das operações portuárias, a movimentação de cargas por veículos equipados com motores a diesel tem sido identificada como uma fonte significativa de emissões prejudiciais, agravando os problemas associados ao efeito estufa. Os dados do Inventário de Emissões Atmosféricas de 2019 revelam que as emissões de carbono provenientes de veículos a diesel representaram uma parcela considerável das emissões totais de carbono em importantes portos, como o porto marítimo de Los Angeles.

A redução das emissões de gases de efeito estufa originadas das atividades portuárias desempenha um papel crucial no movimento em direção à sustentabilidade no transporte de mercadorias. Além das preocupações ambientais, os portos também enfrentam o desafio de otimizar a competitividade econômica, a eficiência operacional, a confiabilidade e a segurança. O equilíbrio entre esses objetivos exige uma abordagem abrangente que incorpore tecnologias eficientes e estratégias de gestão inovadoras.

As células de combustível têm ganhado destaque como uma tecnologia promissora para a geração de energia limpa e eficiente em ambientes portuários. Sua capacidade de oferecer eficiência energética elevada, baixas emissões de poluentes e flexibilidade de combustível as tornam opções atrativas para mitigar os impactos ambientais das operações portuárias. A implementação de células de combustível em portos requer considerações abrangentes, incluindo critérios tecnológicos, econômicos, de segurança e ambientais.

Os estudos de caso realizados em portos como Alexandria e Damietta, no Egito, demonstraram que a integração de células de combustível em suas operações poderia resultar em benefícios consideráveis. Além de fornecer eletricidade com custos competitivos, essas tecnologias têm o potencial de reduzir significativamente as emissões de gases poluentes, contribuindo para um ambiente mais saudável e sustentável. A combinação de células de combustível com outras fontes de energia renovável, como as turbinas eólicas offshore, pode maximizar os benefícios ambientais e econômicos.

Em resumo, a transição para um futuro portuário mais sustentável e responsável exige a adoção de tecnologias inovadoras, como as células de combustível, em um esforço concertado para mitigar as emissões poluentes e reduzir os impactos ambientais das operações portuárias. O compromisso contínuo das autoridades portuárias, indústria marítima, governos e outros atores relevantes é essencial para alcançar um transporte de mercadorias mais eficiente, seguro e ambientalmente consciente, em consonância com os princípios da sustentabilidade global.