Carros a hidrogénio: Serão eles o futuro?

Realizado no âmbito da unidade curricular de Introdução à Engenharia do Ambiente

Carros a hidrogénio: Serão eles o futuro?

Feito por: Daniel Ramos, Matilde Gil, Sara Montês e Simão Antunes

Conclusão

Índice

01

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

02

Evolução dos carros a hidrogénio - visão temporal.

03

O futuro dos veículos a hidrogénio.

04

Vanteagens e Desvantagens.

05

Carros a hidrogénio Vs Carros Elétricos Vs Carros a Combustão

06

O objetivo de usar o hidrogénio é de puder substituir os combustíveis fósseis e o gás natural por uma opção mais sustentável de produção de energia. O hidrogénio é constituído de um eletrão, de um protão e de um neutrão. Encontra-se normalmente no estado gasoso na forma de H2, um gás muito leve e muito reativo, tornando-o difícil de encontrar H2 na atmosfera e captá-lo. Para poder obtê-lo, recorre-se por norma, à produção industrial dele.

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

Porquê o Hidrogénio?

Alguns dos processos de produção são a eletrólise da água, onde através de uma corrente elétrica induzida num recipiente de água, há a separação em H2 e O, uma opção “verde”. Outro processo é através de gás natural, onde são decompostas com vapor de água a altas temperaturas.

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

Porquê o Hidrogénio?

Deste processo ocorre a seguinte cadeia de reações:CH4 (g) + H2O (g) ⇌ CO (g) + 3H2 (g) (1) CO (g) + H2O (g) ⇌ CO2 + H2 (g) (2) Apesar do rendimento ser bastante elevado, equivalente a 75%, está dependente de uma fonte não-renovável e também existe grandes emissões de CO2 para a atmosfera.

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

Porquê o Hidrogénio?

A combustão do hidrogénio vai fazer com que quando o H2 reaja com O2 liberte energia, dando a seguinte reação: 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O(g) + energia (3) Esta energia resultante da combustão do H2 vai ser usada na locomoção de automóveis.

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

Combustão do Hidrogénio

Tabela 1 - Valores do poder calorífico superior e inferior para diferentes combustíveis

O facto de usarmos a combustão do hidrogénio para os automóveis faz com que não libertamos gases poluentes para a atmosfera e a quantidade de energia libertada é muito superior à de combustíveis fósseis.

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

Combustão do Hidrogénio

Carros a hidrogénio e o seu mecanismo.

Células de combustível, Tanque de hidrogénio e Estações de Hidrogénio

Presente

1990

século XX

1998 e 1999

século XX

Evolução dos carros a hidrogénio - visão temporal

século XIX

início do século

século XIX

1860

século XX

década de 1930

século XX

1941

século XX

1960

século XX

1966

Vantagens e Desvantagens

Conclusão

• Desde o século XX, o interesse pelos carros a hidrogénio tem cada vez mais vindo a aumentar;

• Estes surgem como alternativa viável, sustentável e econômica aos veículos movidos a combustíveis fósseis;

• Contudo, a infrestrutura de produção ainda nessecita de bastante ajuda visto que se apresenta, atualmente, em reduzida quantidade;

• É necessário haver uma maior sensibilização da população em relação a este tema;

Primeiras experiências

• Os primeiros carros eram movidos a vapor. Na década de 1800, vários cientistas começaram a explorar o hidrogénio como fonte de combustível. Em 1807, Isaac de Rivaz, inventor suíço, elaborou um projeto onde os motores de combustão interna utilizavam o hidrogénio.

• Esse motor usava uma mistura explosiva de gases para mover um pistão e foi um avanço notável para a época.

Hipomóvel - o primeiro carro movido a hidrogénio

• Em 1860, foi desenvolvido um motor de ciclo de dois tempos que funcionava com uma mistura de ar e gás de carvão. Esse motor é considerado um dos primeiros exemplos de um motor de combustão interna, um avanço importante em relação às máquinas a vapor da época, que eram maiores e mais difíceis de operar.

• A invenção de Lenoir foi um marco importante na transição das máquinas a vapor para os motores de combustão interna, que mais tarde foram aperfeiçoados por outros inventores, como Nikolaus Otto e Gottlieb Daimler, levando ao desenvolvimento dos motores modernos a gasolina e a diesel.

• A primeira estação comercial de hidrogénio para camiões e carros foi inaugurada na Alemanha.
• O NECAR (New Electric Car), desenvolvido por Daimler Chrysler foi um projeto de veículo a hidrogénio desenvolvido pela Mercedes-Benz.
• Os protótipos do NECAR utilizavam células de combustível que convertiam hidrogénio e oxigénio em eletricidade, alimentando o motor elétrico.

1999: A Europa explora o desenvolvimento

1998: Islândia cria uma economia de hidrogénio

A Islândia procurou converter todos os veículos de transporte público em veículos com célula de combustível a hidrogénio, ao longo de dez anos.

1941: A escassez de gás impulsiona o progresso do hidrogénio

Em 1941, a Rússia converteu 200 camiões movidos a gasolina, para o hidrogénio. O hidrogénio queimava de forma mais limpa e era mais eficiente face à gasolina que era escassa devido à Segunda Guerra Mundial.

Ínicio século XX e década de 1930

Os anos 1900: o hidrogénio fica em segundo plano em relação à gasolina:

• Desenvolvimento e popularização dos motores de combustão interna a gasolina.
• Dada a ambudância de petróleo , o seu baixo custo, a eficiência dos motores a gasolina, a fácil produção e a oferta de maior densidade energética.

• 1933 - empresa norueguesa Norsk Hydro criou um camião movido por hidrogénio, o que foi um grande avanço para a época, uma vez que se utilizou este combustível para veículos de grande porte.
• 1939 - Francis T. Bacon, engenheiro britânico, desenvolveu uma célula de combustível de cinco quilowatts, considerada a primeira célula funcional do século XX. Esse design foi pioneiro, estabelecendo a base para futuras inovações na criação de células de combustível de hidrogênio e oxigênio práticas e duráveis.

• O aumento do foco na redução da dependência de combustíveis fósseis promoveu o desenvolvimento de células de combustível como fonte de energia sustentável.

• No início dos anos 2000, surgiram os primeiros modelos de carros a hidrogénio que puderam ser testados fora dos laboratórios. Toyota, Honda e Hyundai começaram a testar veículos movidos a célula de combustível. No entanto, os veículos eram muito caros, e havia uma grande limitação na infraestrutura para abastecimento, principalmente fora do Japão e da Coreia do Sul, onde as empresas investiam mais.

Primeiros Protótipos Comerciais: anos 2000 - presente

Os carros a hidrogénio precisariam de ser abastecidos em estações de serviço capazes de encher os tanques com H2. Isto é para evitar que se tenha de implementar sistemas de eletrólise nos carros. No planeamento destes carros é necessário ter em conta o tamanho e os componentes necessários para que funcione o mais eficazmente possível. Se fossemos a colocar dentro do carro uma forma de produção de H2 ocuparia imenso espaço e comprometeria o funcionamento do automóvel.

Estações de Hidrogénio

1966: General Motors lidera o caminho

Em 1966, a General Motors produziu o Electrovan, um dos primeiros veículos elétricos movidos por célula de combustível (FCEVs). Este veículo utilizava uma célula de combustível que combinava oxigénio diretamente captado do meio ambiente e hidrogénio líquido super-resfriado, permitindo uma operação mais prática e segura.

No carro, a fonte de energia provém de uma célula de combustível, onde realiza-se uma reação eletroquímica entre um ânodo com um cátodo, nos quais estão ligadas por um circuito elétrico às baterias do carro ao motor. No ânodo, vai sofre uma reação de oxidação do H2: H2 (g) → H+ (aq) + 2e- Os eletrões passam do circuito para o cátodo e os protões do ânodo para o cátodo, e com o oxigénio atmosférico vai originar: 2 H+ (aq) + ½ O2 (g) + 2 e- → H2O (g) A água será depois expelida do carro.

Células de combustível

Desenvolvimento e testes de protótipos (anos 1990)

• Desenvolvimento de veículos movidos a hidrogénio ganhou uma grande expansão com grandes marcas como Toyota, Honda, BMW etc. O objetivo era explorar o hidrogénio como alternativa de combustível sustentável.

• 1996 - Toyota lançou o seu primeiro protótipo de carro movido a hidrogénio, dando início a uma série de inovações nessa área.

• Problema que se enfrentava: custos de produção eram muito elevados, principalmente devido aos materiais e processos sofisticados exigidos para a fabricação das células a combustível.

Para armazenar o hidrogénio, devido às propriedades dele, é necessário construir tranques que possam resistir a altas pressões e extremamente resistentes. Por comparação, a pressão do hidrogénio num tanque ideal para os carros a hidrogénio teria 1/3 da pressão da água no fundo da fossa oceânica mais funda do planeta, a 11km! Logo, é essencial proteger os tanques a todo o custo para que não cause problemas a quem tiver a conduzir caso haja um imprevisto.

Tanque de hidrogénio

1960: General Electric desenvolve células de combustível para a NASA

• General Electric (GE) desenvolveu um sistema de produção de energia usando células de combustível de hidrogénio, especificamente para o programa espacial da NASA.

• Esse sistema foi projetado para fornecer eletricidade para missões espaciais, convertendo hidrogénio e oxigénio em água, produzindo energia elétrica.

• Essa tecnologia foi essencial para missões espaciais tripuladas, como o programa Apollo