terça-feira, 22 de junho de 2021

A criação e o futuro dos motores a hidrogénio

Algumas construtoras adoram a ideia, enquanto outras a desprezam, então vamos dar um passo para trás e ver qual o caminho. Após vários anos de promessas de que o hidrogénio é o combustível limpo no futuro, parece que o futuro finalmente está chegando.

Os fabricantes de automovíeis, incluindo Mazda e Toyota, estão atualmente desenvolvendo motores a hidrogénio para alimentar seus veículos, e esses motores poderão um dia substituir não apenas a tecnologia de célula de combustível de hidrogénio e os motores de combustão tradicionais, mas talvez até veículos elétricos (EDs).

No entanto, enquanto o mercado de EV acelera, o uso da tecnologia de motor a hidrogénio em veículos comerciais ainda está em sua fase inicial, e a viabilidade deste gás como uma alternativa prática e útil ainda está para ser provada.



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Photo//Tim Mossholder


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O que é um motor a hidrogénio?

Um motor a hidrogénio é uma versão avançada dos motores de combustão interna tradicionais, mas que usam hidrogénio líquido em vez de gasolina como combustível. Um automóvel que funciona com motores a hidrogénio é chamado de veículo com motor de combustão interna a hidrogénio (HICEV). Eles são diferentes dos veículos elétricos com a célula de combustível de hidrogénio (FCEVs), como o Mirai da Toyota ou o Hyundai Tucson, que usam uma célula de combustível na qual o hidrogénio reage quimicamente com o oxigénio do ar para produzir eletricidade que alimenta um motor elétrico.

Os motores a hidrogénio geram energia com a combustão do hidrogénio e usam sistemas de abastecimento e injeção de combustível que são versões modificadas dos usados ​​nos motores a gasolina. Exceto pela combustão de pequenas quantidades de óleo do motor, que também é o caso dos motores a gasolina, os motores a hidrogénio não emitem CO2 libertando apenas principalmente água ou vapor d'água como subproduto. Mas o processo de produção do combustível hidrogénio pode causar emissões de gases de efeito estufa. No entanto, um estudo descobriu que mesmo que o hidrogénio seja extraído da maneira mais ineficiente, é provável que reduza as emissões de CO 2 em mais de 30%, quando comparado com a gasolina.  



A diferença entre os HICEV e os FCEV

A principal diferença entre um HICEV e um FCEV está na forma como o hidrogénio é utilizado nesses veículos. O primeiro envolve a combustão de hidrogénio, enquanto o último realiza uma reação eletroquímica e usa hidrogénio líquido para gerar energia para seu motor elétrico.

A tecnologia do motor de combustão interna a hidrogénio (HICE) ainda está em suas fases iniciais de desenvolvimento. Enquanto isso, o mercado global de veículos elétricos com célula de combustível já ultrapassou a marca de US $ 1 bilião e nos próximos anos deve apresentar um crescimento anual de cerca de 38%.



Origem e evolução do motor a hidrogénio

Em 1806, François Isaac de Rivaz criou um motor de combustão interna experimental que usava uma mistura de hidrogénio e oxigénio como combustível. O motor De Rivaz é considerado o motor movido a hidrogénio mais antigo do mundo.

Depois, em 1820, o reverendo W. Cecil escreveu um artigo para a Sociedade Filosófica de Cambridge intitulado “Sobre a aplicação de gás hidrogénio para produzir energia móvel em máquinas”.  Este artigo descreveu um motor operando no princípio do vácuo, onde o vácuo foi criado através da queima de gás hidrogénio.

Cerca de 150 anos depois, Paul Dieges patenteou uma modificação no motor de combustão interna que podia funcionar com gasolina e hidrogénio. É claro que, àquela altura, os veículos movidos a gasolina eram a norma, e poucos fabricantes viram a necessidade de desenvolver veículos movidos a hidrogénio.

Nos anos que se seguiram, os efeitos nocivos do uso de combustíveis fósseis no aumento da poluição do ar, a saúde, o aquecimento global, a chuva ácida e em outras áreas, em veículos e indústrias começaram a ser amplamente reconhecidos, e o seu impacto. Cientistas, ativistas, líderes e investigadores começaram a levantar preocupações sobre a crescente emissão de CO 2 e os riscos ambientais associados à extração e uso de combustíveis fósseis.



As crescentes preocupações ambientais e a procura por alternativas de energia limpa levaram muitas empresas do ramo automóvel a se concentrar primeiro no desenvolvimento de combustíveis com baixo teor de chumbo e, em seguida, em hidrogénio e veículos elétricos. 

No início dos anos 2000, a montadora japonesa Mazda começou a instalar motores Wankel em seu modelo RX-8. O motor Wankel é um tipo de motor de combustão interna que usa um design rotativo excêntrico para converter a pressão em movimento rotativo. Para uma determinada potência, eles são mais compactos e pesam menos que um motor normal de combustão, e também podem ser facilmente convertidos para funcionar com hidrogénio.

Mais recentemente, eles atualizaram o projeto, desenvolvendo o motor rotativo a hidrogénio RENESIS, que usa um injetor de gás hidrogénio controlado eletronicamente e pode ser adaptado para funcionar como um híbrido gasolina-hidrogénio.



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O trabalho para desenvolver um motor a hidrogénio eficiente não parou por aí. Em 2006, a BMW desenvolveu um motor de combustão interna bicombustível a hidrogénio-gasolina para sua produção limitada, o Hydrogen 7, que foi projetado para demonstrar que o hidrogénio pode funcionar como combustível. Durante os testes, o carro conseguiu rodar a uma velocidade de 301 km / h, e a empresa também afirmou que seu carro a hidrogénio atingiu zero emissões de CO 2.

No entanto, as alegações feitas pela BMW foram posteriormente rejeitadas pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA), que apontou que o carro ainda emitia carbono pela evaporação do óleo do motor. Além disso, a eficiência do carro quando funcionando com hidrogénio era extremamente baixa, consumindo cerca de 50 l / 100km em média. Isso se deveu principalmente à diferença na densidade de energia entre a gasolina e o hidrogénio.    

Vantagens do motor movido a hidrogénio

Existem várias razões importantes pelas quais os motores movidos a hidrogénio são considerados por alguns como o futuro da indústria automóvel a e por que os fabricantes de veículos gastam milhões de dólares para criar motores hidrelétricos eficientes.

Os especialistas em energia e empresas acreditam que o hidrogénio tem potencial para servir como uma fonte de energia infinita e de baixo teor de carbono. Também pode representar uma alternativa viável ao uso de metais pesados ​​em baterias, que são prejudiciais ao meio ambiente e podem se tornar muito caras nos próximos anos, com o crescimento dos VEs.



Energia de baixa ignição e alta eficiência

O hidrogénio ICE tem baixa energia de ignição em comparação com os motores convencionais a gasolina, porque a combustão do hidrogénio nesses motores usa temperaturas de chama mais baixas e transferências de calor mais baixas. Isso permite que o motor funcione com misturas muito pobres e ainda queime rapidamente. Além disso, devido à alta difusividade (o hidrogénio mistura-se com o ar mais rápido do que a gasolina), o uso de hidrogénio reduz os perigos associados a possíveis fugas.



Emissões livres de carbono

Diz-se que os motores a hidrogénio fornecem um escopo maior para melhorar a segurança energética e reduzir a pegada de carbono. Isso ocorre porque nenhum composto de carbono é liberado como subprodutos quando esses veículos funcionam com hidrogénio.



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Reabastecimento rápido

Como o hidrogénio tem uma densidade de energia volumétrica baixa, ele precisa ser armazenado como um gás comprimido para dar autonomia aos veículos convencionais. Isso requer o uso de tanques de alta pressão capazes de armazenar hidrogénio a 5.000 ou 10.000 libras por polegada quadrada (psi). Postos de abastecimento, instalados em estações de serviço e postos de gasolina, podem encher esses tanques em cerca de 5 minutos. Isso é muito mais rápido do que o tempo que leva para recarregar EVs, mesmo com carregamento rápido, embora, é claro, os EVs também possam ser carregados em casa, e os veículos a hidrogénio não. Outras tecnologias de armazenamento estão em desenvolvimento, incluindo a ligação química do hidrogénio com um material como o hidreto de metal ou materiais absorventes de baixa temperatura.



Uma fonte de energia alternativa

Como os motores de combustão interna podem ser adaptados para queimar hidrogénio em vez de, ou além da gasolina, vários países estão trabalhando na iniciativa de aumentar a produção de hidrogénio para uso como combustível em aviões, navios e até mesmo para geração de energia. Se o hidrogénio for produzido usando energia alternativa, esta poderia ser uma maneira económica de reduzir rapidamente o uso de combustíveis fósseis em várias áreas.



Desvantagens do motor movido a hidrogénio

Apesar dos inúmeros méritos de seu uso, os motores a hidrogénio ainda não são usados ​​em grande escala e existem inúmeras complicações associadas ao combustível a hidrogénio. O crescimento de veículos eficientes movidos a bateria e FCEVs também levou a uma perda de interesse entre fabricantes de automóveis e inovadores pelo desenvolvimento de HICE. Além disso, há também uma série de questões sérias que precisam ser ultrapassadas antes que esta seja uma alternativa prática aos VEs.



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Photo//More Cars/Wikimedia Commons



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Uma tecnologia cara

O processo de extração de hidrogénio é caro e consome muita energia. Embora um FCEV movido a hidrogénio seja considerado um veículo com emissão zero, a extração do hidrogénio em si não é. Atualmente, a maior parte do hidrogénio é extraída usando reforma a vapor, que combina vapor de alta temperatura com gás natural para extrair hidrogénio.

O hidrogênio também pode ser produzido a partir da água por meio da eletrólise. Isso consome mais energia, mas pode ser feito com energia renovável, o que eliminaria grande parte das emissões. No entanto, o custo de produção de hidrogénio ainda é maior do que o da gasolina (ou eletricidade), então será necessário diminuir um pouco antes que os motores a hidrogénio possam ser económicos a grande escala.



Densidade de energia mais baixa

O hidrogénio não é tão denso em energia como outros combustíveis, o que significa que precisa de mais energia para fazer uma determinada quantidade de trabalho. Junte isso à ineficiência inerente de um motor a pistão, e os motores a hidrogénio não oferecem uma vantagem energética significativa em geral.



Poluição

Embora nenhum carbono seja emitido pelos motores a hidrogénio, devido ao calor gerado na câmara de combustão, o óxido de nitrogénio ainda pode ser formado como um subproduto. Este composto é prejudicial ao meio ambiente, o que significa que, embora os motores a hidrogénio tenham emissões zero de carbono, eles não são isentos de emissões.

Preocupações de segurança

Os veículos que funcionam com motores de combustão interna a hidrogénio são equipados com tanques de combustível de hidrogénio pressurizado. Esses tanques são projetados para serem muito seguros, mas em caso de derrame, a natureza altamente inflamável do hidrogénio pode causar sérios danos. Uma solução seria instalar sensores especiais no veículo para detetar qualquer fuga, o que tem custos.



Menos potência

Para motores de combustão de hidrogénio, a razão estequiométrica ar / combustível é de 34: 1. Isso significa que um motor a hidrogénio usa duas vezes a quantidade de ar para a combustão completa.

No entanto, isso também leva a uma redução na potência e, portanto, um motor a hidrogénio tende a fornecer apenas cerca de metade da potência em comparação com um motor a gasolina do mesmo tamanho. Para contrabalançar essa perda de potência, os motores a hidrogénio são grandes e geralmente vêm com um turboalimentador.






O futuro, fato e tendências relacionadas à energia do hidrogénio

O setor automóvel não é unânime sobre a viabilidade da tecnologia de hidrogénio para o segmento de veículos de passageiros, e alguns fabricantes de automóveis, como Volkswagen e a Audi, não estão mais trabalhando no desenvolvimento de HICEVs, optando por se concentrar nos VEs .  Outras marcas incluindo Toyota, Renault e Hyundai, estão mais otimistas com relação aos veículos movidos a hidrogénio e devem continuar desenvolvendo destes motores. O Toyota Mirai HFCV foi lançado em 2014 e tem 10.300 vendas em todo o mundo desde dezembro de 2019, enquanto a Hyundai da Coreia do Sul está produzindo o SUV movido a hidrogénio Nexo.

Para acelerar a produção de hidrogénio, a União Europeia estabeleceu uma meta de instalar 40 gigawatts de capacidade de eletrolisadores em todo o continente. A Espanha já anunciou um plano para gastar US $ 10,5 biliões (8,9 biliões de euros) na construção de 4 gigawatts (GW) de eletrolisadores de hidrogénio a energia solar. Outros países, incluindo a Dinamarca, estão instalando fábricas para aumentar a produção de hidrogénio a partir da eletrólise baseada na eletricidade. Até mesmo a Arábia Saudita, líder da OPEP, está construindo uma unidade de produção de hidrogénio verde.



A Microsoft Corporation está testando o uso de células de combustível de hidrogénio para substituir geradores a diesel como fonte de energia de reserva. ZeroAvia, uma startup com sede nos Estados Unidos, planeja criar uma aeronave movida a hidrogénio até 2024. 

A fabricante israelense de motores Aquarius Engines desenvolveu um novo motor a hidrogénio de 10 kg que usa um sistema interno de troca de gás exclusivo e a empresa afirma que é uma alternativa leve, económica e ecológica aos motores de combustão tradicionais.

O Centro Asiático de Energia Renovável é um grande projeto de energia sustentável na Austrália que está atualmente em andamento. Quando estiver totalmente funcional, deverá para gerar mais de 50 TWH de eletricidade a partir da energia solar e eólica. A maior parte dessa energia elétrica será usada para a produção de amónia e hidrogénio limpo.



Atualmente, apenas três veículos movidos a hidrogénio estão disponíveis nos Estados Unidos e no Reino Unido: Honda Clarity, Toyota Mirai e Hyundai Nexo. No entanto, os números devem crescer nos próximos anos, uma vez que desenvolvimentos promissores no campo da energia do hidrogénio e da tecnologia de motores estão ocorrendo globalmente. 

Embora os motores a hidrogénio ainda enfrentem uma série de problemas, espera-se que o mercado de hidrogénio como fonte de energia verde cresça rapidamente nos próximos anos, com algumas estimativas avaliando-o em US $ 70 biliões até 2030. De acordo com a Bloomberg New Energy Finance, há mais de US $ 90 biliões em projetos de hidrogénio 'verde' upstream, midstream e downstream no oleoduto. Aconteça o que acontecer com os veículos HICE, o uso de hidrogénio renovável como fonte de energia continuará a crescer.


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