O combustível de hidrogênio pode ser o portador de energia dominante em um sistema de energia totalmente renovável, um motor a hidrogênio é necessário para gerar trabalho útil com ele. O desenvolvimento de motores a hidrogênio engloba dois tipos principais: células de combustível de hidrogênio e motores de combustão interna de hidrogênio (ICEs). Ambas as abordagens visam aproveitar o potencial de energia limpa do hidrogênio, no entanto, operam com princípios e tecnologias fundamentalmente diferentes. Ambos compartilham a propriedade comum de que funcionam com um combustível renovável e produzem emissões ecologicamente corretas.
Motor de célula de combustível de hidrogênio #
As células a combustível de hidrogênio convertem gás hidrogênio em eletricidade através de um processo eletroquímico. Esta tecnologia está na vanguarda do transporte movido a hidrogênio devido à sua alta eficiência. O tipo mais utilizado de células de combustível são as células de combustível Proton Exchange Membrane (PEM), por exemplo, fabricadas pela Hyundai Motor Company. Eles usam um eletrólito de polímero sólido. O gás hidrogênio é dividido em prótons e elétrons no ânodo. Os prótons passam pela membrana até o cátodo, enquanto os elétrons viajam por um circuito externo, gerando eletricidade. No cátodo, prótons, elétrons e oxigênio se combinam para formar água e calor. As reações que ocorrem são:
Ânodo: H2 → 2H++2e−
Kathode: 2H++2e−+0.5O2 → H2O + calor
Uma das principais vantagens da tecnologia é sua alta eficiência: as células de combustível convertem energia química diretamente em energia elétrica, com eficiências muitas vezes superiores às dos motores de combustão interna. Os únicos subprodutos são o vapor de água e o calor, pelo que todas as emissões são ambientalmente benignas e o rótulo cada vez mais importante “emissão zero” é claramente aplicável. Finalmente, a tecnologia é escalável de pequena a grande escala e, portanto, adequada para toda uma gama de aplicações. Algumas células de combustível de até 3mm foram apresentadas ao público. Hoje, os desafios que ainda inibem o aumento do uso são os altos custos dos materiais de células a combustível, particularmente os catalisadores de platina.
Motor de combustão interna a hidrogénio (ICEs) #
Os motores de combustão interna a hidrogênio (ICEs) representam outra abordagem para utilizar o hidrogênio como combustível. Ao contrário das células de combustível, os ICEs de hidrogênio queimam hidrogênio de maneira semelhante aos motores tradicionais a gasolina, diesel ou gás. Durante o processo de combustão, o hidrogênio é injetado na câmara de combustão do motor, onde se mistura ao ar e é inflamado por uma vela de ignição. A combustão do hidrogênio gera gases de alta temperatura que se expandem e acionam os pistões do motor, produzindo potência mecânica. Em termos simples, a reação em curso é:
2H2 + O2 → 2H2O + Energia
Uma das principais vantagens desta tecnologia é que o conhecimento e a tecnologia existentes sobre motores de combustão interna podem ser reutilizados. Além disso, a abordagem permite uma alta potência de saída e uma alta densidade de potência. Embora não seja completamente livre de emissões, a combustão de hidrogênio emite principalmente vapor de água, com níveis significativamente mais baixos de NOx em comparação com os combustíveis convencionais.
Os principais desafios são a redução das emissões, o que coloca desafios adicionais ao projeto geral do sistema, uma vez que implica que mais hidrogênio é necessário para a mesma quantidade de energia utilizável.
Desenvolvimentos históricos e atuais #
A ideia de usar hidrogênio em motores remonta a mais de um século. François Isaac de Rivaz construiu o primeiro motor de combustão interna movido a hidrogênio em 1806. No entanto, não foi atéo século 20 que avanços significativos foram feitos em células de combustível e ICEs de hidrogênio. Nas décadas de 1960 e 1970, o programa Apollo da NASA utilizou células de combustível de hidrogênio para a energia das espaçonaves, demonstrando sua confiabilidade e eficiência. Depois disso, fabricantes automotivos como Toyota, Honda e Hyundai desenvolveram veículos de célula de combustível de hidrogênio (FCVs), como o Toyota Mirai e o Hyundai Nexo. Simultaneamente, empresas como a BMW experimentaram ICEs de hidrogênio, destacando a versatilidade do hidrogênio como combustível.
O futuro do motor a hidrogênio #
Os motores a hidrogênio, englobando células de combustível e motores de combustão interna, oferecem caminhos promissores para o transporte sustentável. Enquanto as células de combustível de hidrogênio lideram a carga com sua alta eficiência e zero emissões, as ICEs de hidrogênio fornecem uma aplicação mais imediata, aproveitando a tecnologia de motor existente. Ambos os tipos enfrentam desafios em custo, infraestrutura e eficiência, mas a industrialização em curso continua a pavimentar o caminho para o papel do hidrogênio no futuro da energia limpa.
