Os motores a hidrogénio continuam a ser uma das apostas mais promissoras para o futuro da indústria automóvel sustentável. A mobilidade baseada em hidrogénio continua a ser uma das soluções mais promissoras para impulsionar o futuro sustentável da indústria automóvel. Embora apresente grandes desafios técnicos e logísticos, as soluções tecnológicas baseadas no hidrogénio têm despertado um interesse crescente em grandes marcas de veículos, as quais continuam a investir recursos significativos na investigação e desenvolvimento destes sistemas.
Atualmente, distinguem-se dois tipos principais de propulsão a hidrogénio na indústria: motores de combustão interna a hidrogénio; e motores de célula de combustível.
A diferença entre motores a célula de hidrogénio e motores de combustão interna a hidrogénio reside na forma como a energia do hidrogénio é convertida em movimento.
Neste artigo, faz-se uma abordagem básica à operação de motores a hidrogénio, as suas principais características, as vantagens e as desvantagens de cada um dos sistemas e como poderão impactar o futuro da mobilidade.
Combustão interna a hidrogénio
Fonte: Toyota, Image of a hydrogen engine, Youtube, 22 abril de 2022
O motor de combustão interna a hidrogénio funciona de forma muito semelhante à de um motor tradicional de combustão a gasolina ou diesel, mas com a diferença significativa de utilizar hidrogénio como combustível em vez de produtos petrolíferos ou biocombustíveis. Neste tipo de motores, o hidrogénio mistura-se com oxigénio dentro da câmara de combustão, sendo a ignição feita mediante uma faísca. A energia libertada aciona os êmbolos (pistões), o que gera o movimento mecânico exatamente como num motor convencional de ciclo Otto.
Uma das principais vantagens deste tipo de motor é o de não emitir dióxido de carbono (CO2), emitindo vapor de água (H2O).
2H2 + O2 → 2H2O
No entanto, devido às elevadas temperaturas atingidas durante a combustão, também são emitidos óxidos de azoto (NOX), os quais constituem emissões poluentes.
H2 + O2 + N2 → H2O + NOX
Para mitigar este problema, algumas das soluções tecnológicas, neste tipo de motores, incluem a injeção de água no sistema de admissão, uma técnica que demonstrou reduzir substancialmente a formação de NOX.
Resumidamente:
Esta é uma solução de transição, a sua tecnologia é baseada nos motores existentes proporcionado uma mais fácil adaptação, sendo, no entanto, menos eficiente. Os motores de combustão a hidrogénio enfrentam também desafios relacionados com a baixa densidade energética do hidrogénio, inferior à de outros combustíveis líquidos, o que significa que é necessária uma quantidade substancialmente maior de combustível (hidrogénio), para realizar o mesmo trabalho, relativamente a um combustível “tradicional” num motor a combustão convencional.
O armazenamento constitui outro obstáculo, uma vez que o hidrogénio necessita de ser armazenado a pressões muito elevadas, geralmente 700 bar, o que envolve a utilização de reservatórios específicos, os quais são muito dispendiosos e volumosos.
Fuel Cell
Fonte: https://www.bmw.com/en/electric-future/hydrogen-milestones-pioneering-spirit-for-the-mobility-of-the-future.html
Ao contrário dos motores de combustão interna a hidrogénio, um sistema de propulsão baseado em células de hidrogénio (Fuel Cell) funciona convertendo a energia química do hidrogénio diretamente em eletricidade, sem combustão, por meio de um processo eletroquímico chamado eletrólise reversa. Neste sistema, o hidrogénio é armazenado em tanques de alta pressão (de 350 a 700 bar) e é fornecido à célula de combustível em estado gasoso.
Cada célula tem dois elétrodos (ânodo e cátodo) separados por uma membrana eletrolítica. No ânodo, o hidrogénio (H₂) é dividido em protões (H⁺) e eletrões (e⁻) por um catalisador. Os protões atravessam a membrana para o cátodo e os eletrões percorrem um circuito externo, gerando assim uma corrente elétrica.
2H2 → 4H+ + 4e- + O2 → 2H2O
No cátodo, os protões e os eletrões juntam-se ao oxigénio (do ar), libertando água (H₂O) e calor, pelo que a nível de emissões teremos apenas vapor de água.
Simplificando: 2H2 + O2 → 2H2O
Fonte: https://specialgasinstruments.com/hydrogen-fuel-cell-definition-types-use-cases/
A corrente elétrica assim gerada alimenta um motor elétrico, que movimenta o veículo. Caso necessário, este sistema pode ser complementado por baterias auxiliares, as quais podem armazenar a energia recuperada nas situações de desaceleração ou travagem para posterior entrega durante a utilização.
Resumidamente:
Este sistema é substancialmente mais eficiente (η ≅ 45 a 50%) que os baseados em combustão do hidrogénio (η ≅ 25% a 40%).
Os veículos com este sistema de propulsão são silenciosos, o que os torna vantajosos em ambiente urbano, garantem uma melhor integração com mobilidade elétrica, pois usam motor elétrico e, o mais relevante, não emitem poluentes.
No entanto, o elevado custo de produção das células de combustível, o custo de construção dos reservatórios de alta pressão e, adicionalmente, o ainda elevado custo de produção do hidrogénio verde constituem obstáculos significativos. A estas limitações acresce o facto de as infraestruturas de produção de hidrogénio serem ainda reduzidas e de este tipo de sistema ser particularmente sensível à pureza do hidrogénio. Deve igualmente ser considerado o elevado custo da platina, utilizada como catalisador no processo, embora estejam em curso investigações para a substituição por alternativas mais acessíveis, como as ligas ferrosas, com o objetivo de reduzir os custos globais.
Conclusão:
O futuro do hidrogénio na indústria automóvel continua a evoluir. Com o avanço das tecnologias de combustão interna e das células de combustível, aliado ao desenvolvimento de infraestruturas mais eficientes e à redução gradual dos custos de produção de hidrogénio através de processos de eletrólise, é provável que se verifique um aumento na adoção de veículos movidos a hidrogénio.
Combustão a hidrogénio pode ser uma solução viável, mas não é a solução definitiva. Este tipo de motorização pode apresentar-se como uma solução de transição para frotas atuais, garantindo uma mais fácil adaptação com um menor custo inicial. No entanto, é menos eficiente sendo o consumo de hidrogénio mais elevado, emite óxidos de azoto (NOX) não sendo assim um sistema de “zero emissões”.
Os sistemas baseados em células de combustível apresentam um impacto ambiental substancialmente reduzido, uma vez que as suas emissões se limitam essencialmente a vapor de água. São igualmente mais eficientes, registando um consumo de hidrogénio inferior ao dos motores de combustão interna alimentados a hidrogénio. Por estas razões, constituem uma solução alternativa viável para o cumprimento de metas de descarbonização mais exigentes.