Descubra mais sobre a tecnologia dos carros movidos a hidrogênio.


Fonte: Foto de divulgação da Toyota
Figura 1- Toyota Mirai 2021

Os combustíveis utilizados nos motores do ciclo Otto normalmente são fósseis, o problema desse tipo de combustível é que são poluentes e liberam gases que contribuem para o aumento do efeito estufa. Além de não ser uma fonte de energia renovável. Em um motor a diesel, por exemplo, são liberados diversos gases como: dióxido de carbono, óxido sulfúrico, óxido de nitrogênio (NOx) e monóxido de carbono (CO). O monóxido de carbono é liberado quando acontece a queima do combustível, gerando efeitos negativos tanto ao meio ambiente quanto à saúde humana.


O Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama) em 1986, em âmbito nacional, e o Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (Proconve) estabeleceram um cronograma de redução gradual da emissão de poluentes para veículos leves (automóveis) e para veículos pesados (ônibus e caminhões), mas mesmo com esse cronograma os veículos automotores ainda são os maiores responsáveis pela emissão de gases na atmosfera.


Têm sido estudados novos tipos de combustíveis, nesse contexto, o hidrogênio surge como uma alternativa válida dado que é o elemento mais abundante no universo, e sua combustão direta produz uma quantidade significativa de energia, e libera apenas água como subproduto.


Uma das alternativas adotadas para o processo de produção de hidrogênio é através da eletrólise da água, um processo relativamente simples, não gerando nenhum resíduo que venha a ser prejudicial ao meio ambiente. A eletrólise é um processo bastante utilizado na obtenção de reações de oxirredução. Em soluções eletrolíticas, se baseia na passagem de uma corrente elétrica em sistema líquido que tenha íons presentes, gerando assim, reações químicas.


O físico-químico Michael Faraday (1791 -1867) realizou vários experimentos e percebeu que quando uma corrente elétrica (eletrólise) passa em uma solução de determinado metal, os íons deste metal se depositam no fundo do recipiente. Além disso, Faraday chegou a conclusão que a massa de uma substância transformada ou formada por eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de carga elétrica do sistema, ou seja, quanto maior for a intensidade da corrente elétrica durante a eletrólise, maior será a quantidade formada de massa do produto.


A eletrólise é muito utilizada na indústria, pois através dela tem-se a possibilidade de isolar algumas substâncias fundamentais para muitos processos de produção, a exemplo: o alumínio, o cloro, o hidróxido de sódio. Além disso, também é um processo que purifica e protege (revestindo) vários metais. A partir do conceito de novas formas de transformação de energia, temos a caracterização das células de combustível (ou células de energia, como comumente chamada no Brasil).


O princípio de funcionamento desta energia é similar a uma bateria, ou seja, produz corrente contínua. Porém é feita de uma forma diferente: cada célula representa uma bateria de funcionamento contínuo e a energia é gerada a partir de uma transformação pela combustão eletroquímica de um combustível gasoso, neste caso, o hidrogênio. Ele é oxidado a prótons, por um eletrodo de difusão gasosa e libera elétrons. Em complemento a esta reação, no eletrodo oposto, também de difusão gasosa, tem-se a reação considerando-se as células a membrana trocadora de prótons (meio ácido). Desta forma, tem-se uma reação global, acompanhada da liberação de calor após a combustão no cilindro, como representado na reação química (Figura 2).

Figura 2- Esquema de uma célula da combustível.

Eletrodos de difusão gasosa são condutores eletrônicos permeáveis aos gases reagentes e são separados um do outro por um eletrólito (condutor iônico), de modo que os gases não se misturem. O eletrólito pode ser um líquido, um polímero condutor de cátions, saturado com um líquido, ou um sólido (óxido de zircônio). Obtêm-se potenciais de trabalho de célula para o sistema hidrogênio / oxigênio entre 0,5 e 0,7 V. Potenciais de circuito aberto ficam entre 1,1 e 1,2 V. Devido à sua alta reatividade, hidrogênio é, hoje em dia, a escolha mais apropriada para o combustível. Geralmente, classificam-se os vários tipos de células a combustível pelo tipo de eletrólito utilizado e pela temperatura de operação.


O uso de hidrogênio como combustível para a eletro tração, em substituição aos motores de combustão interna (Otto) exige grande atenção por parte dos responsáveis pelo projeto, por ser altamente perigoso. Mesmo na forma líquida ou ainda na forma de um hidreto metálico, há sempre a exigência de severas medidas de segurança. A entrada de umidade no sistema, por exemplo, pode acarretar uma combustão não programada e gerar até uma explosão interna no sistema que poderá trazer danos à vida e ao patrimônio.


O hidrogênio é uma fonte renovável de energia, não tóxica, corrosiva ou cancerígena e mesmo sendo inflamável, possui rápida dispersão e alto coeficiente de difusão, e quantidade de energia por unidade de massa (52.000 BTU/lb ou 120,7 kJ/g) maior que qualquer outro conhecido, tendo assim um potencial para utilização como combustível muito grande (superior ao petróleo em seu estado líquido), mas pouco comum em termos de utilização.


Sua aplicação através de células a combustível produz apenas energia e água. Ele pode ser obtido partindo de: água e processos biológicos. Como se sabe, é o elemento mais abundante no universo, podendo ser encontrado em praticamente tudo. A definição deste elemento, quando encontrado em seu estado natural e sobre condições ambientes de temperatura e pressão, trata-se de um gás incolor, inodoro, insípido e muito mais leve que o ar. O hidrogênio compõe 30% da massa solar, sendo a fonte da energia do Sol, pela qual é produzido o aquecimento da Terra, favorecendo a vida no planeta, o que se define num ótimo exemplo do potencial energético deste elemento.


Para transformar hidrogênio em energia elétrica é necessária sua combustão. Quando ocorre a queima de hidrogênio com oxigênio puro, tem-se como subprodutos o calor e a água, o que teoricamente é sua utilização ideal, só que o processo para obtenção do oxigênio puro, que é instável, não é fácil de ser realizado e pode gerar um alto custo. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio e 21% de oxigênio, o que é muito mais fácil de se obter na natureza, alguns óxidos de nitrogênio são formados.


A queima de hidrogênio com ar produz uma quantidade menor de poluentes do que a queima de combustíveis fósseis (petróleo, carvão mineral). Mais um ponto positivo na utilização do hidrogênio é o fato de ser menos denso que o ar e por isso escapa mais facilmente, portanto, caso haja vazamento, não fica acumulado no local, o que torna seu uso mais seguro que a do gás de cozinha (GLP) por exemplo, e combustíveis líquidos (Etanol, Diesel e Gasolina.


Atualmente as pesquisas para utilização do hidrogênio estão se diversificando, concentrando-se na sua aplicação como auxílio na geração de energia elétrica, térmica e de água pura através das células à combustível. Assim, para obtermos o hidrogênio como matéria prima para combustão, através da água, onde é encontrado com abundância, é necessária a decomposição (da água), através de um processo de eletrólise.


Após o processo de eletrólise e obtido hidrogênio que será usado como combustível do motor de combustão interna ciclo Otto, que é aquele, onde o combustível é queimado internamente no sistema, através de um mecanismo constituído por pistão, biela e virabrequim que trabalhando de forma sincronizada transformam a energia térmica em energia mecânica. O movimento alternado do pistão dentro do cilindro é transformado em movimento rotativo, através da biela e do virabrequim.


Um dos impeditivos encontrados para a utilização do hidrogênio como combustível convencional pela eletrólise é o abastecimento, não pelo preço e sim pela disponibilidade de postos com o combustível nas bombas de abastecimento. Apesar de vários subsídios adotados por países que já usam a tecnologia em seus carros com emissão zero de carbono, ainda vemos uma grande disparidade se comparado aos veículos elétricos, que inclusive já vemos aos montes até mesmo aqui no Brasil.


Uma das fabricantes mais famosas anunciou esse ano que seu auto-motor movido a célula de hidrogênio está quase pronto. Sim, a BMW anunciou que o seu protótipo BMW - i Hydrogen Next está em fase de testes e que será o pioneiro de toda uma linha movida somente com células de hidrogênio. São carros maravilhosos e com uma potência alá BMW.


Fonte: Foto de divulgação da Honda
Figura 3- Honda Clarity

Devemos lembrar também que o primeiro carro a ser produzido em série com essa tecnologia, o Toyota Mirai já completou seis anos, e ganhou uma segunda geração, sendo transformado em um sedã robusto e muito luxuoso. Não podemos nos esquecer também das promessas o Honda Clarity e o SUV Hyundai Nexo.


Sabemos que essa tecnologia não é uma inovação propriamente dita, pois já haviam estudos e projetos desde os 90 's, mas com o amadurecimento e inovações tudo é vistoso aos nossos olhos ávidos de engenheiros mecânicos.


Conta para mim nos comentários você já tinha o conhecimento dessa tecnologia? Está acompanhando a corrida das grandes montadoras e fabricantes ao novo modelo de mercado?


Se gostou desse artigo, deixe a sua curtida. E até breve!



Referencial Bibliográfico:


ALVES, D. C.; Células combustíveis: uma abordagem contemporânea. 2007. 21f. Trabalho de conclusão do curso (Física) Universidade Católica de Brasília, Brasília, 2007.


FERREIRA, S. L.; SANTOS, A.L.; SOUZA, G.R.; Análise por cromatografia gasosa de btex nas emissões de motor de combustão interna alimentado com diesel e mistura diesel-biodiesel (B10). Química nova, São Paulo, v.32, n.3, p.539-545, março 2008.


LINARD, M.; WENDT, H.; GÖTZ, M.; Tecnologia de células a combustível, São Paulo, 1999. 9 p. Julho de 1999.


MAIA B; MATHEUS D; FERREIRA F; AMARAL J; COSTA P; MELO R; D'ANGELES R e NATAN V. A UTILIZAÇÃO DE HIDROGÊNIO COMO COMBUSTIVEL EM UMA MOTO COM MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA. Minas Gerais, 2016. 10 p. Dezembro de 2016.


OSÓRIO. F; APARECIDA. A; ARAÚJO. R.; ESTUDO DA APLICAÇÃO DE HIDROGENIO E GASOLINA EM MOTOR DE CICLO OTTO, São Paulo, 2014. 42 p. Dezembro de 2014.


SENATORE M; FINZETTO L; PEREA E. Ligas Inoxidáveis: Estudo comparativo entre os aços inoxidáveis dúplex e os inoxidáveis AISI 304L/316L. 1 Ouro Preto, Rev. Esc. Minas, vol.60, no.1, Jan./Mar 2007.



Fonte: Foto de divulgação da Toyota
Figura 4- Toyota Mirai Primeira Geração

21 visualizações0 comentário

Posts recentes

Ver tudo