Um Guia Para A Tecnologia, Benefícios e Desafios Dos Veículos Movidos A Hidrogênio
Prof. Aécio D’Silva, Ph.D. e Equipe
AquaUniversity
Carros a Célula de Combustível de Hidrogênio – Os carros com célula de combustível de hidrogênio são um tipo de veículo elétrico que usa hidrogênio como combustível para gerar eletricidade a bordo. Ao contrário dos veículos eléctricos convencionais que dependem de baterias para armazenar electricidade, os carros com células de combustível de hidrogénio produzem a sua própria electricidade através de um dispositivo denominado célula de combustível. Neste post de Inteligência Colaborativa, explicaremos como funciona um veículo com célula de combustível, quais são suas vantagens e desvantagens e quais são as perspectivas e barreiras para sua adoção.
Os veículos eléctricos são amplamente vistos como uma solução para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e a poluição atmosférica provenientes do sector dos transportes. No entanto, os veículos eléctricos também enfrentam alguns desafios, tais como autonomia limitada, longo tempo de carregamento e elevado custo da bateria. Os carros a célula de combustível de hidrogênio são um tipo de veículo elétrico que visa superar esses desafios, utilizando o hidrogênio como combustível para gerar eletricidade a bordo. O hidrogênio é uma fonte de energia limpa e abundante que pode ser produzida a partir de diversas fontes, como gás natural, biomassa ou energia renovável. Os carros com célula de combustível a hidrogênio têm zero emissões de escapamento, exceto vapor de água, e podem oferecer desempenho e conveniência semelhantes aos dos carros convencionais a gasolina e diesel.
Qual é a diferença entre um carro elétrico a bateria e um carro com célula de combustível de hidrogênio?
Um carro elétrico a bateria (BEV) e um carro com célula de combustível de hidrogênio (FCEV) são tipos de veículos elétricos que usam eletricidade para alimentar um motor elétrico. No entanto, eles diferem na forma como armazenam e geram eletricidade.
Um BEV possui uma grande bateria recarregável que pode ser carregada a partir de uma fonte externa, como uma estação de carregamento ou uma tomada doméstica. A bateria fornece eletricidade diretamente ao motor. Um BEV não produz quaisquer emissões de escape, mas o seu impacto ambiental depende da forma como a eletricidade é gerada. Exemplos de BEVs são o Tesla Model S e o Nissan Leaf.
Um FCEV possui uma pequena bateria e uma célula de combustível que utiliza hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade. O hidrogênio é armazenado em tanques de alta pressão e o oxigênio é retirado do ar. A célula de combustível fornece eletricidade ao motor e à bateria, que atua como amortecedor. Um FCEV emite apenas vapor de água pelo tubo de escape, mas o seu impacto ambiental depende da forma como o hidrogénio é produzido. Exemplos de FCEVs são o Toyota Mirai e o Hyundai Nexo .
As principais vantagens dos BEVs são que são mais eficientes, mais baratos de operar e têm uma maior disponibilidade de infraestrutura de carregamento. As principais vantagens dos FCEVs são que eles têm maior autonomia, tempo de reabastecimento mais rápido e menor peso. No entanto, ambas as tecnologias enfrentam desafios como custos elevados e modelos limitados fatos que avanços tecnológicos e tempo vão resolver rápido.
Como funciona um veículo com célula de combustível?
Um veículo com célula de combustível consiste em quatro componentes principais: um tanque de armazenamento de hidrogênio, uma pilha de células de combustível, uma bateria e um motor elétrico. Veja como eles trabalham juntos para alimentar o veículo:
Tanque de armazenamento de hidrogênio
O tanque de armazenamento de hidrogênio é onde o combustível hidrogênio é armazenado a bordo do veículo. O tanque é feito de fibra de carbono e pode suportar altas pressões, até 700 bar. O tanque pode armazenar hidrogênio suficiente para fornecer uma autonomia de cerca de 300 a 400 milhas, dependendo do tamanho e eficiência do veículo. O tanque pode ser reabastecido em poucos minutos em um posto de abastecimento de hidrogênio, semelhante a um posto de gasolina.
Bateria de células de combustível
A bateria de células de combustível é o coração do veículo, onde a eletricidade é gerada. A bateria de células de combustível consiste em centenas de células individuais, cada uma contendo um ânodo, um cátodo e uma membrana eletrolítica. O hidrogênio do tanque flui para o ânodo, onde é dividido em prótons e elétrons. Os prótons passam através da membrana até o cátodo, onde reagem com o oxigênio do ar para formar água. Os elétrons fluem através de um circuito externo até o motor elétrico, criando uma corrente elétrica. A bateria de células de combustível pode produzir até 100 quilowatts de potência, dependendo do tamanho e design do veículo.
Bateria Secundária
A bateria é uma fonte secundária de energia para o veículo, que armazena o excesso de eletricidade da bateria de células de combustível ou da frenagem regenerativa. A bateria pode fornecer energia adicional ao motor elétrico durante a aceleração ou subida de ladeiras, ou quando a pilha de células de combustível não estiver funcionando. A bateria também pode suavizar a produção de energia da pilha de células de combustível e prolongar sua vida útil. A bateria é geralmente menor e mais leve que a bateria de um veículo elétrico convencional, uma vez que não precisa fornecer a energia principal para o veículo.
Motor elétrico
O motor elétrico é o dispositivo que converte a eletricidade da pilha de células de combustível ou da bateria em energia mecânica para acionar as rodas. O motor elétrico pode oferecer alto torque, aceleração suave e baixo ruído, em comparação com um motor a gasolina. O motor elétrico também pode atuar como gerador, captando a energia cinética do veículo durante a frenagem e convertendo-a em eletricidade para recarregar a bateria. Este processo é chamado de frenagem regenerativa e pode melhorar a eficiência e o alcance do veículo.
Os benefícios e desafios dos carros com célula de combustível de hidrogênio
Os carros com células de combustível a hidrogênio apresentam vários benefícios e desafios, em comparação com os carros convencionais a gasolina ou com carros elétricos a bateria. Aqui estão alguns deles:
Benefícios
- Zero emissões de escapamento: Os carros com células de combustível de hidrogênio emitem apenas vapor de água do escapamento, o que não contribui para as emissões de gases de efeito estufa ou para a poluição do ar. Isto pode ajudar a mitigar as alterações climáticas e melhorar a saúde pública.
- Alta eficiência : Os carros com células de combustível a hidrogénio podem converter até 60% da energia do hidrogénio em electricidade, em comparação com cerca de 20% para os motores a gasolina. Isso pode ajudar a reduzir o consumo de energia e o custo de transporte.
- Longo alcance: Os carros com células de combustível de hidrogénio podem oferecer uma autonomia de cerca de 300 a 400 milhas, semelhante aos carros a gasolina, e muito mais longa do que os carros eléctricos a bateria, que normalmente têm uma autonomia de cerca de 100 a 320 milhas. Isso pode ajudar a reduzir a ansiedade de autonomia e a necessidade de reabastecimento ou recarga frequente.
- Reabastecimento rápido: Os carros com células de combustível de hidrogénio podem ser reabastecidos em poucos minutos numa estação de abastecimento de hidrogénio, semelhante aos carros a gasolina, e muito mais rápido do que os carros eléctricos a bateria, que podem levar horas a recarregar. Isso pode ajudar a melhorar a conveniência e a disponibilidade de transporte.
Desafios
- Alto custo : Os carros com células de combustível a hidrogénio ainda são muito caros, em comparação com os carros a gasolina ou com os carros eléctricos a bateria, devido ao elevado custo da pilha de células de combustível, do tanque de armazenamento de hidrogénio e do combustível de hidrogénio. O custo dos carros com célula de combustível a hidrogênio pode variar de US$ 50.000 a US$ 80.000, dependendo do tamanho e das características do veículo, enquanto o custo do combustível de hidrogênio pode ser de cerca de US$ 10 a US$ 15 por quilograma, dependendo do método de produção e da localização. O custo dos carros com células de combustível a hidrogénio pode ser reduzido através da produção em massa, da inovação tecnológica e de incentivos governamentais.
- Infra-estruturas limitadas: Os carros com células de combustível a hidrogénio requerem uma rede de estações de abastecimento de hidrogénio, que ainda são muito escassas, especialmente fora da Califórnia nos EUA, onde a maioria dos carros com células de combustível a hidrogénio é vendida. Em 2022, havia apenas cerca de 45 postos de abastecimento de hidrogénio nos EUA, principalmente na Califórnia, em comparação com cerca de 15.000 postos de gasolina e 40.000 postos de carregamento públicos. A infra-estrutura dos postos de abastecimento de hidrogénio pode ser expandida através de parcerias público-privadas, apoio regulamentar e procura dos consumidores.
- Preocupações de segurança: Os carros com células de combustível de hidrogénio apresentam alguns riscos de segurança, devido à alta pressão e inflamabilidade do gás hidrogénio, que pode causar fugas, incêndios ou explosões. No entanto, os carros com células de combustível a hidrogénio são concebidos com múltiplas características de segurança, tais como sensores, válvulas, respiradouros e escudos, para prevenir e mitigar estes riscos. Os automóveis com células de combustível a hidrogénio também estão sujeitos a testes e certificação rigorosos, para garantir a sua segurança e fiabilidade.
- Impactos ambientais : Os automóveis com células de combustível de hidrogénio têm zero emissões de escape, mas podem ter alguns impactos ambientais, dependendo da fonte e do método de produção de hidrogénio. A maior parte do hidrogénio hoje é produzida a partir do gás natural, que emite dióxido de carbono e metano, dois potentes gases com efeito de estufa. Alternativamente, o hidrogénio pode ser produzido a partir da água, utilizando energia renovável, como a energia solar ou eólica, que não emite gases com efeito de estufa, mas pode exigir grandes quantidades de terra, água e energia. Os impactos ambientais dos carros com células de combustível a hidrogénio podem ser minimizados através da utilização de fontes e métodos de produção de hidrogénio de baixo carbono ou hidrogênio verde a partir de energias renováveis como solar e eólica. Os estados junto com as prefeituras podem promover a instalação de parques solar-Hidrogênio municipais onde empresas se instalem para produzir H2-Verde para a região.
As perspectivas e barreiras para carros com célula de combustível de hidrogênio
Os carros com células de combustível a hidrogénio têm um potencial promissor para transformar o setor dos transportes, oferecendo uma alternativa limpa, eficiente e conveniente aos carros a gasolina ou aos carros elétricos a bateria. No entanto, os automóveis com células de combustível a hidrogénio também enfrentam algumas barreiras e incertezas, que podem dificultar a sua adoção e difusão. Aqui estão alguns delas:
Perspectivas
- Inovação tecnológica: Os automóveis com células de combustível de hidrogénio podem beneficiar da inovação tecnológica rápida e contínua, que pode melhorar o seu desempenho, durabilidade e acessibilidade. Por exemplo, novos materiais, designs e processos podem reduzir o custo e o tamanho da pilha de células de combustível, do tanque de armazenamento de hidrogénio e do combustível de hidrogénio, e aumentar a sua eficiência, fiabilidade e segurança.
- Apoio político: Os automóveis movidos a células de combustível de hidrogénio podem beneficiar de um apoio político forte e consistente, que pode criar um ambiente favorável e estável para o seu desenvolvimento e implantação. Por exemplo, regulamentos, normas e incentivos podem reduzir as emissões e a poluição provenientes dos transportes, promover a utilização de veículos com emissões zero e facilitar a infraestrutura e o desenvolvimento do mercado para automóveis com células de combustível a hidrogénio.
- Procura dos consumidores: Os automóveis com células de combustível de hidrogénio podem beneficiar da crescente e diversificada procura dos consumidores, o que pode impulsionar a sua adopção e difusão. Por exemplo, os consumidores que valorizam os benefícios ambientais, económicos e sociais dos carros com células de combustível a hidrogénio, ou que preferem o desempenho e a conveniência dos carros com células de combustível a hidrogénio, podem escolhê-los em vez dos carros a gasolina ou dos carros eléctricos a bateria.
Barreiras
- Concorrência no mercado: Os automóveis com células de combustível a hidrogénio enfrentam uma intensa concorrência no mercado, especialmente por parte dos automóveis eléctricos a bateria, que estão mais amplamente disponíveis, acessíveis e apoiados do que os automóveis com células de combustível a hidrogénio. Os carros elétricos a bateria também têm algumas vantagens sobre os carros com células de combustível de hidrogênio, como menores custos de manutenção, maior densidade de energia e menor ruído. Os automóveis com células de combustível de hidrogénio poderão ter de se diferenciar dos automóveis eléctricos a bateria, oferecendo características ou benefícios únicos, ou visando segmentos ou nichos de mercado específicos.
- Coordenação de infra-estruturas : Os automóveis com células de combustível de hidrogénio requerem uma infra-estrutura coordenada e integrada, que possa garantir a disponibilidade e acessibilidade do combustível hidrogénio e das estações de abastecimento de hidrogénio. No entanto, a infra-estrutura do combustível de hidrogénio e das estações de abastecimento de hidrogénio depende de vários factores, tais como a fonte e o método de produção de hidrogénio, o modo e a rota de distribuição de hidrogénio, e a localização e capacidade das estações de abastecimento de hidrogénio. Estes factores podem variar entre regiões, estados ou países, e podem exigir colaboração e alinhamento entre múltiplas partes interessadas, tais como governos, empresas e consumidores.
- Aceitação social: Os automóveis movidos a células de combustível de hidrogénio requerem um elevado nível de aceitação social, o que pode influenciar a sua percepção e adopção pelo público e pelos meios de comunicação social. No entanto, a aceitação social dos automóveis movidos a bateria de combustível a hidrogénio pode ser afectada por vários factores, tais como a consciência e o conhecimento dos automóveis movidos a bateria de combustível a hidrogénio, as atitudes e preferências dos consumidores e das comunidades, e a confiança na segurança e fiabilidade do hidrogénio. carros com células de combustível. Esses fatores podem variar entre culturas, contextos ou grupos e podem exigir comunicação.
Em resumo, os carros com célula de combustível a hidrogênio são um tipo de veículo elétrico que utiliza o hidrogênio como combustível para gerar eletricidade a bordo, por meio de um dispositivo denominado célula de combustível. Os carros com células de combustível de hidrogênio têm várias vantagens sobre os carros convencionais a gasolina ou carros elétricos a bateria, como zero emissões de escapamento, alta eficiência, longo alcance e reabastecimento rápido.
No entanto, os automóveis com células de combustível a hidrogénio também enfrentam alguns desafios e incertezas, tais como custos elevados, infraestruturas limitadas, preocupações de segurança e impactos ambientais. Os carros com células de combustível a hidrogénio têm um potencial promissor para transformar o setor dos transportes, oferecendo uma alternativa limpa, eficiente e conveniente aos carros a gasolina ou aos carros elétricos a bateria. Contudo, os automóveis com células de combustível a hidrogénio também exigem um esforço coordenado e integrado de várias partes interessadas, tais como governos, empresas e consumidores, para superar as barreiras e riscos e aproveitar os benefícios e oportunidades da mobilidade movida a hidrogénio. Os carros com células de combustível a hidrogénio são a chave para criar um futuro mais sustentável e inclusivo para os transportes.
Referências:
- Electric vs. Fuel Cell Vehicles: ‘Green’ Auto Tech Explained https://www.livescience.com/49594-electric-fuel-cell-vehicles-explainer.html
- Battery Electric Vs Hydrogen Fuel Cell: Efficiency Comparison https://insideevs.com/news/406676/battery-electric-hydrogen-fuel-cell-efficiency-comparison/
- Visualized: Battery Vs. Hydrogen Fuel Cell https://www.visualcapitalist.com/visualized-battery-vs-hydrogen-fuel-cell/
- Fuel Cells vs Batteries: What’s the Difference? https://www.theecoexperts.co.uk/electric-vehicles/fuel-cells-vs-batteries
