Tópicos:
- Hidrogênio
- Produção de hidrogênio
- Hidrogênio como combustível para um motor Otto
- Célula de combustível
- Tanque de armazenamento
- Alcance e custos do hidrogênio
Hidrogênio:
O hidrogênio (chamado hidrogênio em inglês) pode ser usado como transportador de energia para movimentar veículos. Transportador de energia significa que a energia já foi colocada antecipadamente no hidrogénio. Isto contrasta com as fontes de energia (fósseis), como o petróleo, o gás natural e o carvão, onde a energia é obtida através do processamento destas substâncias através da sua queima.
O hidrogénio é, portanto, algo completamente diferente da injecção de água, que não é utilizada como transportador de energia nos motores a gasolina, mas apenas para arrefecer a câmara de combustão.
O objetivo é alcançar “emissões zero” com hidrogénio; uma forma de energia que não produz gases nocivos durante o uso. A transição dos combustíveis fósseis para a propulsão eléctrica em combinação com o hidrogénio e uma célula de combustível enquadra-se no âmbito da transição de energia. Abastecer veículos com hidrogênio pode ser feito de duas maneiras diferentes:
- Usando hidrogênio como combustível para o motor Otto. O hidrogênio substitui o combustível gasolina.
- Gerar energia elétrica usando hidrogênio em uma célula de combustível. Usando essa energia elétrica, o motor elétrico acionará o veículo de forma totalmente elétrica.
Ambas as técnicas são descritas nesta página.
O hidrogênio pode ser produzido com energia sustentável ou com base em combustíveis fósseis. Tentamos prevenir este último tanto quanto possível, porque os combustíveis fósseis tornar-se-ão escassos no futuro. O CO2 também será produzido durante o processamento de combustíveis fósseis.
As colunas abaixo mostram o conteúdo energético de uma bateria, hidrogênio e gasolina. Vemos que há muito
Bateria:
- Conteúdo energético: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Muito eficiente
- Armazenamento curto
- Liberação direta de energia possível
- O transporte é complicado
Hidrogênio (700 bar):
- Conteúdo energético: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% de calor, 70% de H2 (célula de combustível PEM)
- Armazenamento longo possível
- Conversão necessária
- Fácil de transportar
Gasolina:
- Valor energético: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Retorno de até 33%
- Armazenamento longo possível
- Conversão necessária (combustão)
- Fácil de transportar
O hidrogênio é encontrado ao nosso redor, mas nunca de graça. Está sempre vinculado. Vamos produzi-lo, isolá-lo e armazená-lo.
- 1 kg de gás hidrogênio puro (H2) = 11.200 litros à pressão atmosférica
- H2 é menor que qualquer outra molécula
- H2 é mais leve que qualquer outra molécula
- H2 está sempre em busca de conexões
Além da produção e aplicação de hidrogénio em automóveis de passageiros, esta página também aborda o seu armazenamento e transporte (no final da página).
Produção de hidrogênio:
O hidrogênio é um gás que não é extraído do solo, como o gás natural. O hidrogênio deve ser produzido. Isso é feito, entre outras coisas, por meio da eletrólise, processo no qual a água é convertida em hidrogênio e oxigênio. Isso é o inverso da reação que ocorre em uma célula a combustível. Além disso, o hidrogénio pode ser obtido através de processos menos ecológicos. Os dados abaixo mostram como o hidrogênio pode ser produzido em 2021.
- Carvão: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 +… (temperatura: 1300C-1500C)
- Gás natural: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (temperatura necessária: 700C-1100C)
- Óleo: CxHyNzOaSb +…. -> cH2 + muitos subprodutos
- Eletrólise da água: 2H2O -> 2H2 + O2
A eletrólise da água é muito limpa e é a forma de produção de hidrogênio mais ecologicamente correta. Isto liberta hidrogénio e oxigénio, ao contrário do processamento de combustíveis fósseis, que liberta CO2.
- Eletrólise da água; A eletrólise é uma reação química que divide as moléculas de água para criar hidrogênio e oxigênio puros. O hidrogênio pode ser produzido em qualquer lugar onde haja água e eletricidade. Uma desvantagem é que você precisa de eletricidade para produzir hidrogênio e depois transformá-lo novamente em eletricidade. Até 50% é perdido durante esse processo. A vantagem é que a energia é armazenada em hidrogênio.
- Conversão de combustíveis fósseis; petróleo e gás contêm moléculas de hidrocarbonetos compostas de carbono e hidrogênio. O hidrogênio pode ser separado do carbono usando o chamado processador de combustível. A desvantagem é que o carbono desaparece no ar como dióxido de carbono.
A produção de hidrogênio obtida com combustíveis fósseis é chamada de hidrogênio cinza. Isso libera NOx e CO2 na atmosfera.
A partir de 2020, a produção tornar-se-á cada vez mais “azul”: o CO2 será capturado.
O objetivo é produzir exclusivamente hidrogénio verde até 2030: a eletricidade e a água verdes são as fontes do hidrogénio gerado mais ecológico.
No mundo químico, o hidrogênio é conhecido como H2, o que significa que uma molécula de hidrogênio é composta de dois átomos de hidrogênio. H2 é um gás que não ocorre na natureza. A molécula H2 ocorre em todos os tipos de substâncias, sendo a mais conhecida a água (H20). O hidrogênio deve ser obtido separando a molécula de hidrogênio, por exemplo, de uma molécula de água.
A produção de hidrogénio através da eletrólise é, portanto, o futuro.
A imagem a seguir mostra um modelo comumente usado em aulas de química.
- Barras positivas e negativas de uma bateria ficam penduradas na água;
- No lado do ânodo você obtém oxigênio;
- No lado do cátodo você obtém hidrogênio.
O hidrogénio produzido a partir de combustíveis fósseis, por exemplo o metano (CH4), é neste caso convertido em H2 e CO2 através da reforma. O CO2 pode ser separado e armazenado no subsolo, por exemplo, num campo vazio de gás natural. A utilização do gás natural contribui, portanto, com pouca ou nenhuma contribuição para as emissões de CO2 na atmosfera. O hidrogênio também pode ser produzido a partir de biomassa. Se o CO2 libertado durante este processo também for separado e armazenado no subsolo, é ainda possível obter emissões negativas de CO2; remover CO2 da atmosfera e armazenar esse CO2 na Terra.
O hidrogénio, ao contrário dos combustíveis fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, não é uma fonte de energia, mas sim um transportador de energia. Isto significa que a energia libertada pela utilização do hidrogénio, por exemplo como combustível num automóvel, deve primeiro ser aplicada. A eletricidade é necessária para produzir hidrogênio por meio da eletrólise. A sustentabilidade deste hidrogénio depende em grande parte da sustentabilidade da eletricidade utilizada.
Hidrogênio como combustível para um motor Otto:
Um motor Otto é outro nome para um motor a gasolina. O motor a gasolina foi inventado em 1876 por Nikolaus Otto. Neste caso chamamos-lhe motor Otto, porque a gasolina é substituída por outro combustível, nomeadamente o hidrogénio. Num motor onde é injetado hidrogênio, não há mais tanque de combustível com gasolina.
Quando o hidrogénio é queimado, não são produzidos gases CO2, ao contrário dos motores convencionais Otto e diesel, mas apenas água. Quando o hidrogênio é injetado via injeção direta, haverá um aumento de potência de 15 a 17% em relação ao combustível gasolina. Quando o hidrogênio é injetado na válvula de admissão (injeção indireta), ocorre um rápido aquecimento através do ar. O ar também é deslocado pelo hidrogênio. Em ambos os casos, menos oxigênio (O2) flui para a câmara de combustão. Na pior das hipóteses, há uma perda de energia de até 50%.
A relação entre ar e hidrogénio não é tão precisa como, por exemplo, uma mistura ar-gasolina. A forma da câmara de combustão não é, portanto, de grande importância.
O hidrogênio pode ser injetado de duas maneiras:
– Líquido: Com um fornecimento líquido de hidrogénio, a temperatura de combustão cairá relativamente devido à evaporação, de modo que é criado menos NOx.
– Gasoso: Se o hidrogênio for armazenado na forma líquida no tanque e fluir para o espaço de combustão à temperatura ambiente, um evaporador deverá ser usado para converter o hidrogênio do estado líquido para o estado gasoso. Nesse caso, o evaporador é aquecido pelo líquido de arrefecimento do motor. As possíveis medidas para reduzir o NOx são; aplicando EGR, injeção de água ou um inferior taxa de compressão.
A imagem abaixo mostra quatro situações com três versões diferentes de injeção de hidrogênio. Na segunda imagem da esquerda, o hidrogênio gasoso é injetado indiretamente no coletor de admissão. O hidrogênio gasoso é aquecido pela temperatura ambiente. O hidrogênio também ocupa espaço, fazendo com que menos oxigênio flua para dentro do cilindro. Esta é a situação onde ocorre a maior perda de energia.
Na terceira imagem o hidrogênio é fornecido na forma líquida. Criogênico significa que o hidrogênio foi muito resfriado (um método de armazenamento de grandes quantidades de hidrogênio na forma líquida em um tanque de armazenamento relativamente pequeno). Como a temperatura do hidrogênio é mais baixa e ele está no estado líquido, ocorre um melhor enchimento do cilindro. Devido à baixa temperatura, consegue-se uma eficiência quase tão elevada quanto a de um motor com injeção direta (hidrogênio). O motor de injeção direta pode ser visto na quarta imagem. Todo o espaço de combustão está cheio de oxigênio. Quando a válvula de admissão está fechada e o pistão comprime o ar, uma certa quantidade de hidrogênio é injetada através do injetor. A vela de ignição deste motor está atrás ou próxima ao injetor (isso não é mostrado na imagem).
A eficiência de um motor Otto obviamente não é 100%, mas nesta imagem as eficiências da combustão do hidrogênio são comparadas com a combustão da gasolina.
O hidrogênio tem uma alta densidade de energia por unidade de massa (120MJ/kg), o que o torna quase três vezes maior que a gasolina. As boas propriedades de ignição do hidrogênio permitem um funcionamento muito pobre do motor, com valor lambda de 4 a 5. A desvantagem de usar uma mistura pobre é que a potência será menor e as características de direção serão reduzidas. Para compensar isso, costuma-se usar a sobrealimentação (um turbo).
Devido à maior área de ignição em comparação com a gasolina, o risco de detonação ou contra-explosão é maior. Portanto, é muito importante que haja um bom controle do fornecimento de combustível e da ignição. Em plena carga, a temperatura na câmara de combustão pode tornar-se muito elevada. Muitas vezes há injeção de água necessário para garantir um resfriamento suficiente e, portanto, também para evitar ignição prematura (na forma de detonação ou contra-explosão).
Célula de combustível:
A seção anterior explicou como o hidrogênio pode servir como combustível para o motor de combustão. Outra aplicação do hidrogênio é na célula a combustível. Um veículo equipado com célula de combustível não possui motor de combustão, mas sim um ou mais motores elétricos. A energia elétrica para operar os motores elétricos é produzida pela célula a combustível. Uma célula a combustível é um dispositivo eletroquímico que converte energia química diretamente em energia elétrica, sem perdas térmicas ou mecânicas. A conversão de energia na célula de combustível é, portanto, muito eficiente. A célula de combustível geralmente funciona com hidrogênio, mas um combustível como o metanol também pode ser usado.
Uma célula de combustível pode, em princípio, ser comparada a uma bateria, porque ambas produzem eletricidade através de um processo químico. A diferença é que a energia armazenada na bateria é liberada uma vez. A energia acaba com o tempo, então a bateria precisa ser recarregada. Uma célula de combustível fornece energia contínua, desde que os reagentes sejam fornecidos à célula eletroquímica. Os reagentes são substâncias químicas que reagem entre si em uma reação química.
Numa célula de combustível, o hidrogénio e o oxigénio são convertidos em iões H+ e OH- (partículas carregadas). Os íons são separados por uma membrana em câmaras separadas da célula a combustível. A célula de combustível contém dois eletrodos de carbono porosos nos quais é aplicado um catalisador; para hidrogênio (H) um eletrodo negativo (ânodo) e para oxigênio (O) um eletrodo positivo (cátodo).
Os íons H+ e OH- são conduzidos um ao outro através dos eletrodos (ânodo e cátodo), após os quais os íons + e – reagem entre si. O cátodo catalisa a reação na qual os elétrons e prótons reagem com o oxigênio para formar o produto final dois, ou seja, água. Os íons H+ e OH- juntos formam uma molécula de H2O. Esta molécula não é um íon porque sua carga elétrica é neutra. A partícula positiva e a partícula negativa juntas formam uma partícula neutra.
A oxidação do hidrogênio (H) ocorre no ânodo. A oxidação é o processo no qual uma molécula doa seus elétrons. O ânodo atua como um catalisador, dividindo o hidrogênio em prótons e elétrons.
A redução ocorre no cátodo pela adição de oxigênio (O). Os elétrons, selados pelo ânodo, viajarão para o cátodo através de um fio elétrico que conecta os elétrons ao exterior.
Ao não transferir elétrons diretamente, mas através de uma rota externa (o fio de corrente), essa energia é amplamente liberada como energia elétrica. O circuito é fechado por íons em um eletrólito de conexão entre o redutor e o oxidante.
A partícula que absorve elétrons é chamada de oxidante e, portanto, é reduzida. O agente redutor perde elétrons e é oxidado. Uma redução é o processo pelo qual uma partícula absorve elétrons. Oxidação e redução sempre andam juntas. O número de elétrons liberados e absorvidos é sempre o mesmo.
A seguinte reação ocorre no pólo negativo:
Uma reação diferente ocorre no pólo positivo:
A imagem abaixo mostra a vista inferior de uma pilha de células de combustível Toyota. Esta pilha de células de combustível está localizada sob o capô do carro. O motor elétrico está conectado a esta pilha. O motor elétrico fornece energia à transmissão, que é conectada aos eixos de transmissão para transmitir as forças motrizes às rodas.
Vários tubos de ar podem ser vistos no topo da pilha. Isto inclui, entre outras coisas, a bomba de ar que bombeia o ar para as células de combustível, dependendo da potência exigida pelo motor eléctrico.
Esta pilha de células de combustível está equipada com 370 células de combustível. Cada célula de combustível fornece 1 volt, portanto um total de 370 volts pode ser fornecido ao motor elétrico. As células de combustível estão todas localizadas umas abaixo das outras. O círculo vermelho mostra uma ampliação, onde o empilhamento das células de combustível pode ser visto claramente.
Tanque de armazenamento:
Embora o hidrogénio tenha uma elevada densidade de energia por unidade de massa (120MJ/kg) e seja, portanto, quase três vezes superior à da gasolina, a densidade de energia por unidade de volume é muito baixa devido à sua menor massa específica. Para o armazenamento, isso significa que o hidrogênio deve ser armazenado sob pressão ou na forma líquida para poder utilizar um tanque de armazenamento com volume administrável. Existem duas variantes para aplicações em veículos:
- Armazenamento gasoso a 350 ou 700 bar; A 350 bar, o volume do depósito em termos de conteúdo energético é um factor 10 maior do que o da gasolina.
- Armazenamento de líquidos a uma temperatura de -253 graus (armazenamento criogênico), onde o volume do tanque em termos de conteúdo energético é um fator 4 maior do que com gasolina. Com o armazenamento gasoso, o hidrogênio pode ser armazenado indefinidamente sem perda de combustível ou comprometimento da qualidade. O armazenamento criogênico, por outro lado, resulta na formação de vapor. Como a pressão no tanque aumenta devido ao aquecimento, o hidrogênio escapará pela válvula de alívio de pressão; um vazamento de aproximadamente dois por cento ao dia é aceitável. Opções alternativas de armazenamento ainda estão em fase de pesquisa.
A imagem abaixo mostra dois tanques de armazenamento embaixo do carro. São tanques de armazenamento onde o hidrogênio é armazenado na forma gasosa sob uma pressão de 700 bar. Esses tanques de armazenamento possuem espessura de parede de aproximadamente 40 milímetros (4 centímetros), o que os torna resistentes a altas pressões.
Abaixo você pode ver novamente como os tanques de hidrogênio são montados embaixo do carro. O tubo plástico é o dreno da água criada durante a conversão na célula a combustível.
Abastecimento com hidrogênio:
No momento em que este artigo foi escrito, existiam apenas dois postos de abastecimento de hidrogénio nos Países Baixos. Um desses postos de gasolina fica em Rhoon (Holanda do Sul). As imagens mostram os bicos de enchimento usados para reabastecer. A pressão de trabalho para enchimento é de 350 bar para veículos comerciais e 700 bar para automóveis de passageiros.
A conexão de abastecimento do carro está localizada atrás da tampa de combustível normal. A pistola de enchimento está conectada a esta conexão de enchimento. Depois de conectar o bocal de enchimento, a conexão será travada. O tanque de armazenamento do carro será abastecido com hidrogênio gasoso sob pressão de 700 bar.
Alcance e custos do hidrogênio
Como exemplo, pegamos um Toyota Mirai (ano modelo 2021) e observamos a autonomia e os custos adicionais:
- Alcance de 650 km;
- Consumo: 0,84kg/100km;
- Preço do combustível por km: 0,09 a 13 cêntimos;
- Taxa rodoviária € 0,-
Comparado a um veículo com motor diesel, um carro com célula de combustível não é barato. Embora os custos do imposto rodoviário desempenhem um papel importante, o número de postos de gasolina nos Países Baixos ainda é escasso em 2021. Abaixo está uma comparação dos custos por 100 km com os preços atuais dos combustíveis:
BMW 320d (2012)
- Gasóleo: 1,30€ por litro;
- Consumo: 5,8 l/100 km;
- Custa 100 km: 7,54€.
Toyota Mirai (2020):
- Hidrogénio: 10€ por kg;
- Consumo: 0,84kg/100km;
- Custa 100 km: 8,40€
Páginas relacionadas:
- Acionamento elétrico (Visão geral);
- Transição energética.
