Os motores a hidrogénio continuam a ser uma das apostas futuras da indústria automóvel. O seu funcionamento deu-lhe uma série de vantagens, mantendo-o à tona apesar das suas falhas. Para tal, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford e outras marcas têm investido fortemente nesta tecnologia. Os motores que usam hidrogênio incluem motores de combustão interna e motores de conversão de células de combustível. Muitas pessoas não sabem como funciona um motor a hidrogenio e suas respectivas vantagens e desvantagens.
Por isso, vamos dedicar este artigo para explicar como funciona um motor a hidrogênio passo a passo, quais são suas características e sua importância para o mundo motor.
Como funciona um motor de combustão de hidrogênio?
Esses motores usam hidrogênio como gasolina. Ou seja, eles queimam em uma câmara de combustão para criar uma explosão (energia cinética e calor). Por esta razão, motores a gasolina convencionais podem ser adaptados para queimar hidrogênio além de GLP ou GNV.
O funcionamento deste motor é muito semelhante ao de um motor a gasolina. O hidrogênio é usado como combustível e o oxigênio como oxidante. A reação química é iniciada por uma faísca e uma vela de ignição pode produzir uma faísca. O hidrogênio não tem átomos de carbono, então a reação é que duas moléculas de hidrogênio se combinam com uma molécula de oxigênio, liberando energia e água.
O resultado de sua reação química é simplesmente vapor de água. No entanto, os motores de combustão de hidrogênio geram algumas emissões durante sua operação. Por exemplo, pequenas quantidades de NOx do ar e calor da câmara de combustão, ou emissões da queima de algum óleo através dos anéis do pistão.
Como o hidrogênio é um gás, ele é armazenado em um tanque com pressão de 700 bar. Isso é 350 a 280 vezes maior do que a pressão normal dos pneus do carro. (2 a 2,5 bar). Embora também existam carros que armazenam hidrogênio na forma líquida a temperaturas muito baixas, como mostrado abaixo.
Os motores de combustão a hidrogênio oferecem algumas vantagens interessantes sobre os motores de combustão convencionais. Por exemplo, eles podem teoricamente usar misturas muito finas (Lambda perto de 2). Ou seja, eles podem usar muito pouco combustível para usar todo o ar que entra e se tornar muito eficientes.
Exemplo de como funciona um motor de combustão de hidrogênio
Um bom exemplo de motor a hidrogênio é o BMW 750hl, que chegou ao mercado em 2000. Embora na verdade seja um motor a gasolina da BMW, ele também é capaz de queimar hidrogênio.
No entanto, tem várias desvantagens: Primeiro, armazena hidrogênio na forma líquida. Isso requer um tanque muito caro feito de materiais da setor aeroespacial para manter sua temperatura abaixo de -250ºC. Isso só pode ser alcançado dentro de 12 a 14 dias, durante os quais o hidrogênio evapora gradualmente e é liberado com segurança na atmosfera. A segunda desvantagem é que, ao usar hidrogênio, você perde muita potência e eficiência. O BMW Hydrogen 7 posterior, de 2005, resolveu parcialmente esses problemas e aumentou a pressão do hidrogênio para 700 bar sem mantê-lo frio.
Outro bom exemplo é o motor de hidrogênio Aquarius. Um motor de combustível fóssil desenvolvido por uma empresa israelense adequado para o uso de hidrogênio. A primeira versão funcional foi introduzida em 2014 e desde então surgiu uma versão revisada e melhorada. De acordo com seus desenvolvedores, ele pode funcionar sem óleo lubrificante e tem um sistema de troca de gases para reduzir as emissões de NOx.
Além disso, o motor de combustão interna a hidrogênio é leve e possui poucas peças, o que o torna barato de produzir. Pode ser usado como extensor de alcance para veículos elétricos ou como gerador para a rede.
Como funciona um motor de célula de combustível de hidrogênio?
Seu nome completo é um motor de hidrogênio convertido por célula de combustível. Apesar da palavra "combustível", eles não queimam hidrogênio. Eles o usam para gerar eletricidade através do processo reverso da eletrólise. É por isso que eles carregam baterias para reações químicas, como em um motor de combustão de hidrogênio, onde o hidrogênio é armazenado em tanques com pressão de 700 bar.
É só que em vez de alimentá-lo ao motor, ele passa pelo ânodo e cátodo (como uma bateria) até a célula de combustível. Uma vez lá, o gás hidrogênio (H2) passa através da membrana e a decompõe em dois íons de hidrogênio. Hidrogênio e dois elétrons livres. Esses elétrons passam do ânodo para o cátodo da bateria através de um circuito externo, criando uma corrente elétrica. Os íons de hidrogênio produzidos combinam-se com o oxigênio do ar para formar água.
Por esta razão, um motor de célula de combustível de hidrogênio é zero emissões, uma vez que não produz NOx nem os gases que são produzidos ao queimar óleo como um motor de combustão interna. Os diafragmas usados nesses motores são feitos de platina e são caros. No entanto, há trabalho para lidar com esse alto custo. Por exemplo, na Universidade Técnica de Berlim, eles desenvolveram uma ferroliga que, se colocada em produção, pode reduzir bastante os custos.
Desvantagens dos motores a hidrogênio
- Catalisadores usados em reações químicas dos motores de célula de combustível de hidrogênio são feitos de materiais caros, como a platina. Pelo menos até ser substituído por uma alternativa mais barata, como a mencionada na TU Berlin.
- A obtenção do hidrogênio deve ser feita por processos termoquímicos de combustíveis fósseis ou por eletrólise da água, o que demanda consumo de energia. A principal crítica dos motores a hidrogênio, porque a eletricidade pode ser armazenada diretamente na bateria de um veículo elétrico para uso.
- Uma vez obtido o hidrogênio, deve ser introduzido em uma célula ou tanque de pressão. Este processo também requer gasto de energia adicional.
- As baterias de hidrogênio são caras de produzir e devem ser muito duráveis para suportar as altas pressões com as quais o hidrogênio deve ser armazenado.
Vantagens dos motores a hidrogênio
- As baterias de hidrogênio são mais leves que as baterias de veículos elétricos. É por isso que seu uso no transporte pesado está sendo investigado como uma alternativa aos caminhões elétricos a bateria. Para poder cobrir grandes distâncias, eles são muito pesados.
- Hoje, carregar hidrogênio é mais rápido do que carregar uma bateria de carro elétrico.
- Ao contrário dos veículos elétricos a bateria, os veículos movidos a célula de combustível de hidrogênio não requerem baterias grandes. Portanto, requer menos lítio ou outros materiais que podem estar em falta. Os motores de combustão interna a hidrogênio não requerem diretamente baterias de lítio ou outras baterias semelhantes.
- As células de combustível podem prolongar a vida útil de um carro. Ao contrário das baterias, que são caras para substituir devido ao seu tamanho e capacidade. As baterias associadas aos motores a hidrogênio são menores e, portanto, mais baratas de substituir.
- Comparados aos motores de combustível fóssil, os motores de célula de combustível de hidrogênio usam motores elétricos e, portanto, são muito silenciosos.
Autonomia
A desvantagem dos motores a hidrogênio é que seus tanques ou células de combustível devem conter hidrogênio a pressões muito altas. Por ele, o ponto de abastecimento também deve cumprir a pressão de 700 bar que suporta.
Isso requer a construção de uma infraestrutura de abastecimento para poder reabastecer esse tipo de veículo. Dito isto, tem os mesmos problemas que os veículos elétricos puros. No entanto, a operação de reabastecimento é muito mais rápida do que estes, pois é o mesmo que um veículo GLP ou GLC.
Os carros atualmente equipados com motores de célula de combustível de hidrogênio têm um alcance semelhante ao da gasolina. Por exemplo, o Toyota Mirai anunciou 650 km com bateria completa, o Hyundai Nexo 756 km e o BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Outros, como o Hopium Machina, anunciaram um alcance de 1.000 km, embora esse número agora tenha que ser confirmado quando isso acontecer. De qualquer forma, a autonomia não é tão importante quanto a bateria, pois o reabastecimento é muito mais rápido. A coisa a ter em mente é o número de pontos de combustível.
Eles estão seguros?
As marcas trabalham neste tipo de motor há anos para melhorar sua eficiência, reduzir custos e, claro, torná-los tão seguros quanto os que funcionam com combustíveis fósseis.
Além disso, as normas de segurança exigidas pela Europa, Estados Unidos e Japão são a garantia da segurança dos veículos movidos a hidrogênio. Escusado será dizer que a Toyota anuncia que o tanque de gasolina do Mirai é resistente o suficiente para ser à prova de balas.
Será que veremos um dia em que todos os carros funcionarão com hidrogênio? O tempo vai mostrar tudo. É claro que as marcas continuam a investir e tem algumas vantagens que o tornam uma alternativa razoável ao transporte com zero emissões.
Espero que com essas informações você possa aprender mais sobre como funciona um motor a hidrogênio, suas características, vantagens e desvantagens.