Veículos a Células de Combustível - O Fim dos Veículos Elétricos?

Ou apenas mais uma opção inteligente (ainda cara e sofisticada) como fonte de energia para o futuro da mobilidade elétrica que irá descartar de vez o emprego dos poluidores motores a combustão interna que empregam combustíveis fósseis? Existem ainda outras alternativas pouco exploradas e não empregadas comercialmente? A resposta para a primeira pergunta (a do título da postagem) é NÃO, mesmo porque, as pilhas de Células de Combustível são idealizadas para serem usadas em veículos de tração elétrica que empregam um motor elétrico na tração e, inclusive, uma pequena bateria de íons de lítio.

Já, quanto a segunda pergunta, a resposta é SIM e é o que discutiremos nesta postagem, depois de fazer uma revisão do estado atual da tecnologia de veículos movidos a Células de Combustível. Vejamos:

Algumas dúzias de VEs com Células de Combustível sob o capô (ao invés de um grande pacote de baterias, mais usual, sob o piso dos VEs) estão circulando em torno de Los Angeles e sul da Califórnia nos últimos anos. A maioria são modelos FCX Clarity da Honda, todos na mesma cor carmesim escura.

Alguns poucos outros são Peruas F-Cell cor prata feitos pela Mercedes-Benz. Ambos estes veículos experimentais são alugados para usuários selecionados para períodos experimentais, enquanto os fabricantes devem estar avaliando como os carros movidos a hidrogênio sobrevivem às variações e as tendências do tráfego de Los Angeles.

O FCX Clarity começou a ser produzido em 2008 e é atualmente produzido no Japão, em uma nova linha de montagem dedicada veículos a Células de Combustível nas instalações da Honda Automobile New Model Center (Takanezawa-machi, Shioya-gun, Tochigi). A própria pilha de Células de Combustível é produzida na Honda Engineering Co., Ltd. (Haga-machi, Haga-gun, Tochigi).

Honda FCX Clarity

Em 25 de julho de 2007, o United States Internal Revenue Service anunciou que o FCX da Honda tinha cumprido as exigências do Crédito para Automóvel Alternativos como um veículo Células de Combustível qualificado. Os compradores do Honda FCX são elegíveis para um crédito de US $12 mil, mas os consumidores não estão autorizados a adquirir o veículo, uma vez que ainda só está disponível para locação e somente no sul da Califórnia, onde as estações públicas de abastecimento de hidrogênio estão disponíveis.

Em dezembro de 2010, Mercedes Benz iniciou seu programa de arrendamento do F-Cell baseado na tecnologia B-Class com 70 unidades entregues para serem utilizadas nas estradas da Califórnia.

F-Cell Mercedes-Benz

Até agora, a maioria parece ter adaptado-se muito bem. Enquanto isso, os motoristas podem se sentir justamente presunçoso sobre a única emissão dos tubos de escape, que é o vapor d'água. Outra vantagem é que os veículos movidos a Células de Combustível são em grande parte livre da "ansiedade de autonomia" que assola os carros elétricos movidos a bateria, como o Nissan Leaf.

Tanto a Honda quanto a Mercedes apresentam autonomias que não estão muito longe da comparável aos caros a gasolina, ou seja, 300 a 380 km por carga, além de rodar um combinado (entre cidade/estrada) de 96 km com um quilograma de hidrogênio, o que praticamente equilibra com o custo do consumo dos veículos convencionais. 

Cedo ou tarde, porém, eles têm que voltar para uma das cinco estações de reabastecimento de hidrogênio abertos ao público na área da grande Los Angeles, onde o hidrogênio é vendido por quilo, em vez de pelo galão, e custa ligeiramente mais por um quilograma do que um galão de gasolina.. Atualmente, existem cerca de 40 postos de abastecimento de hidrogênio públicas, privadas e e pesquisa, que operam na Califórnia (uma meia-dúzia) em Los Angeles. Mas uma vez lá, os tanques podem ser recarregados em minutos, ao invés de horas necessário para recarregar uma bateria de carro.

E aí está a questão. Dado ao  aperfeiçoamento, além de economias de escala, os veículos com Células de Combustível deve ser uma alternativa atraente ao automobilismo futuro, isso, se as instalações de reabastecimento de hidrogênio puderem se tornar comuns.

Neste momento, os estabelecimentos de abastecimento são poucos em número e mais longe do que entre as estações de carregamento para veículos elétricos ou até mesmo bombas para gás natural comprimido, na cidade de Los Angeles.

Mas a questão da infraestrutura de abastecimento vai além do problema de estabelecimentos de abastecimento. A planta e os equipamentos necessários para a produção, distribuição e armazenamento de hidrogênio ainda são extremamente caros.

Diferente do hidrogênio de emprego industrial que é usado para fazer amônia e fertilizantes, ou para converter frações pesadas do petróleo em gasolina, o hidrogênio necessário para as Células de Combustível eve ser de 99,999% puro. Isso exclui todas as maneiras atuais mais baratas de obtê-lo, que não seja o processo de eletrólise da água.

Existem problemas do lado da distribuição, também. Como o hidrogênio tem a menor de todas as molécula, ele tende a vazar através de praticamente tudo. Em particular, o hidrogênio torna quebradiço o aço e provoca corrosão, acelerando a propagação de fissuras no processo. Dutos e tanques de armazenamento têm de ser especialmente alinhado a um custo adicional.

Ao contrário dos combustíveis fósseis, como a gasolina ou o diesel, o hidrogênio não é uma fonte de energia empregável diretamente. É apenas um meio para o armazenamento de energia que será gerada numa central de energia, para depois entregá-la ao motor que aciona as rodas de um veículo elétrico que, em muito, é da mesma maneira como funciona um VE a bateria.

Mas como o hidrogênio livre não ocorre em quantidades úteis na natureza, ele tem de ser obtido, separado dos demais elementos com os quais ele se associa, por meio do emprego de eletricidade para dissocia-lo, por exemplo, da água (H₂O) nos seus elementos constituintes.

Diferente do caso das regiões brasileiras, na Califórnia, apesar das muitas instalações solares e parques eólicos, a energia elétrica que chega nas tomadas para s consumidores residenciais e industriais não é nem verde nem limpa, sendo derivado predominantemente (ou seja, 62%) a partir da queima de combustíveis fósseis.

Durante os períodos de taxa barata durante a noite, quando os veículos elétricos tendem a ser recarregados e plantas de eletrólise estão executando a todo vapor - boa parte da eletricidade da Califórnia é importada de usinas a carvão fora do estado. Deste modo, neste caso, assim como veículos elétricos, os carros a hidrogênio contribuir com sua parcela de gases de efeito estufa também.

É certo que, deslocando-se as fontes de emissões a partir dos tubos de escape dos veículo para as estações de energia elétrica faz com que seja mais fácil controlar a poluição. Assim, a pergunta é, se isso, apenas, é satisfatório ou se existe uma outra maneira mais eficiente embalar eletricidade para uso em veículos elétricos, com excepção carregar baterias ou fazer hidrogênio por eletrólise da água?

O hidrogênio pode ser produzido a partir de uma vasta gama de matérias primas, e qualquer material rico em hidrogênio pode servir como uma possível fonte de combustível para as Células de Combustível  Combustíveis de hidrocarbonetos, matérias-primas novas tais como gás do aterro sanitário, o gás do digestor anaeróbico e biomassa também podem produzir hidrogênio, tal como podem os compostos que contenham nenhum carbono, tais como o amoníaco ou boro.

A grande maioria do hidrogênio hoje é produzida através de reforma a vapor do gás natural (com índice de 95% nos EUA, cerca de 48% a nível mundial), mas fontes alternativas, como o biogás estão crescendo em popularidade.

Não apenas no âmbito do programa californiano mas, também, no do governo federal norte americano, tem havido preocupação em se promover estudos e revisão dos sistemas de produção e de armazenamento de hidrogênio, com estudos de casos de produção de hidrogênio com emprego de fontes de energia renovável e, muito do estado atual da técnica e de projetos que estão operando em teste são apresentadas neste Documento de 2011.

Sistema de Tração do Honda FCX Clarity

Também os requisitos de segurança do hidrogênio não são exatamente tão simples e baratos como a dos carros movidos a GNV. O hidrogênio é um gás inflamável líquido incolor e inodoro, comprimidos embalados em cilindros a alta pressão. Ele representa um risco de incêndio e explosão imediata quando as concentrações superiores a 4%. Ele é muito mais leve que o ar e queima com uma chama invisível. Altas concentrações que causam asfixia estão dentro da faixa de inflamabilidade.

Sensores estão localizados em todo o veículo para fornecer um aviso, no caso improvável de um vazamento de hidrogênio. Se tal vazamento ocorrer, o sistema de ventilação é ativado e um sistema automático fecha as principais válvulas de corte do tanque de hidrogênio ou linhas de abastecimento quando necessário. As linhas de alta tensão são isolados eletricamente. No caso de uma colisão, o controlador do sistema desliga automaticamente o fluxo de hidrogênio e de corrente eléctrica. Inundações repetidas e teste de fogo confirmaram um alto nível de segurança e confiabilidade mas, os componentes todos são caros.

Honda tomou as precauções de segurança com relação à segurança de abastecimento e o tanque de hidrogênio é firmemente amarrado à estrutura do FCX Clarity com especificações de elevada segurança. Para impedir o fluxo inverso a partir do tanque, a entrada de material de enchimento de hidrogênio tem uma válvula de retenção integrada. O mecanismo de entrada de combustível também é projetado para evitar a contaminação por outros gases ou a conexão de bicos projetados para o hidrogênio armazenado nos níveis de pressão incompatíveis.

Busca de Alternativas:

Na busca de alternativas, um crescente corpo de opinião parece apontar para o ar líquido como sendo uma boa resposta (ou, mais especificamente, o componente de nitrogênio que constitui 78% do ar). Essa não é exatamente uma ideia nova. Ar foi liquefeito pela primeira vez em 1883, utilizando essencialmente o mesmo processo que hoje em dia, isto é, comprimindo-o 200 atmosferas e arrefecendo-o -190 º C, e em seguida deixando-o, repentinamente expandir e condensar. O processo transforma mil litros de gás transparente em 1,4 litros de líquido azul claro.

Enquanto o contentor de armazenamento permanecer bem isolado, ar líquido pode ser mantido à pressão atmosférica e baixa temperatura durante longos períodos. Mas a exposição à temperatura ambiente, ele vai ferver instantaneamente e voltar ao seu estado gasoso. No processo, ele se expande 700 vezes para fornecer os meios para operar um motor de pistão ou uma turbina.

Já, o nitrogênio líquido faz um trabalho ainda melhor. Sendo consideravelmente mais denso do que o ar líquido, ele pode armazenar mais energia por unidade de volume, permitindo que os carros  viagem mais com um tanque cheio dele. Peso por peso, o nitrogênio líquido embala aproximadamente a mesma energia que as baterias de íon-lítio usadas em carros elétricos. Em termos de desempenho e de autonomia, então, um veículo a nitrogênio pode ser semelhante a um veículo elétrico em vez de um convencional.

A grande diferença é que um carro a nitrogênio líquido é susceptível de ser consideravelmente mais barato de construir do que um veículo elétrico. Por um lado, seu motor não tem que lidar com altas temperaturas_e poderia, portanto, ser fabricados de ligas baratas ou até mesmo plástico.

Por outro lado, porque não precisa de baterias de tração volumosas, seria mais leve e mais barato ainda do que um veículo elétrico. Atualmente, as baterias de íons de lítio para veículos elétricos custo entre US $ 500 e US $ 600 por kW.h. O Nissan Leaf tem bateria 24 kW.h de capacidade e custa em torno de US $13,200. As baterias são responsáveis ​​por mais de um terço dos US $ 35,200, preço básico de um carro básico. Um carro de nitrogênio com alcance e desempenho comparável poderia, portanto, vender por pouco mais de metade do preço de um carro elétrico.

Ciclo de Propulsão do Nitrogênio Líquido

Uma terceira vantagem é que o nitrogênio líquido é um produto secundário do processo industrial de fabricação de oxigênio líquido. Porque há quatro vezes mais nitrogênio quanto o oxigênio no ar, há, inevitavelmente, um excesso dele tanto assim, há nitrogênio líquido vendido nos Estados Unidos por um décimo do preço do leite.

Finalmente, um avanço no projeto do motor fez com que a nitrogênio líquido seja uma alternativa ainda mais atraente do que as baterias de íons de lítio usadas em carros elétricos, para casos como o da Califórnia.

Uma invenção feita por um engenheiro independente britânico chamado Peter Dearman dispensa o emprego de permutadores de calor dispendiosos que são necessário para aquecer o nitrogênio líquido rapidamente. Em vez disso, uma pequena quantidade de água e anticongelante (por exemplo, metanol) é injetado para dentro do cilindro, assim como o a nitrogênio líquido é aspirado, fazendo-o ferver e, assim, expandir-se rapidamente, forçando o êmbolo para baixo no interior do cilindro. "Sem isso," diz o Sr. Dearman ", você tinha que ter um motor multi-estágio, que é pesado, ineficiente e caro."

A Instituição de Engenheiros Mecânicos em Londres, o líder de definição de padrões e organismo para a profissão, ficou tão impressionado com a evolução da Dearman Engine Company's que já estabeleceu um grupo de trabalho composto por engenheiros, acadêmicos, funcionários do governo e líderes da indústria, para pesquisar formas de exploração da tecnologia de a nitrogênio líquido.

Se o veículo a nitrogênio - com o seu menor custo total e capacidade de reabastecimento rápido revelar-se a solução para automóvel de emissões zero que os veículos elétricos uma vez prometido, onde isso deixa a nova geração de carros com Células de Combustível de hidrogênio?

De acordo com a Honda, uma Células de Combustível de um motor de tração elétrica é duas a três vezes mais eficiente do que um motor de combustão interna. Todavia, infelizmente, um veículo de Células de Combustível é ainda muito caro para construir comparativamente a um carro a bateria. Como a própria Honda alega, o Clarity não é um protótipo mas, ele ainda é um veículo de pesquisa, que é alugado para selecionar os membros do público como um meio de coleta de dados sobre como prática o veículo estiver em situações do mundo real

Pilhas de Células de Combustível (100 kW) do Honda Clarity

Na verdade, a Honda perde uma quantidade enorme de dinheiro em cada veículo que entrega, e, pelo menos no início do programa do Clarity, as vendas para o público em geral têm um custo proibitivo. Dizia-se, em 2005, que um veículo de Células de Combustível Honda custaria até US $ 1 milhão para produzir. A terceira geração de pilhas de Células de Combustível de 100 kilowatt da Honda, desenvolvida para o Clarity, é contado para custar cerca de US $ 350.000 por unidade!!. A pilha do Mercedes provavelmente deve custar a mesma coisa.

Essa é uma razão pela qual a Honda construiu apenas 200 carros Clarity e a Mercedes apenas 70 F-Cells: os custos ainda astronômicos da tecnologia são impraticáveis para um mercado competitivo.

Nos últimos anos, as montadoras são reconhecidos a ter diminuído para menos da metade o custo de suas pilhas fabricadas mas, ainda assim, não creio que deva ter baixado de US $ 100.000. Instaladas, elas agora funcionam, provavelmente, ao custo de uns US $ 1.500 por kW.h de capacidade. No entanto, isso ainda os deixa, em uma ordem de magnitude, mais mais caros do que os motores de combustão interna. Apertar ainda mais o custo da tecnologia da membrana de troca de prótons da suas Células de Combustível não será nada fácil.

Esse foi o principal motivo de o último tópico a tocar no tema da aplicação de células de combustíveis aos VEs ter tido um título um tanto quanto zombeteiro: Células Combustíveis são Ideais, MAS ATÉ AGORA ...

No Paris Motor Show do ano passado, sete novos carros a Células de Combustível foram exibidos. Na verdade, a maioria eram modelos conceituais mas, todos eram totalmente funcionais. Assim, a indústria parece estar tentando não apenas apostar nessa nessa tecnologia mas, também, proteger as suas apostas já feitas em tração elétrica. o que, indiretamente, dá fôlego, também, aos movidos a bateria. No entanto, o fato é que cada mercado do planeta tem as suas peculiaridades, principalmente às ligadas à matriz energética preestabelecida em cada região. Então, a pergunta é: o que é apoiar a tecnologia certa?

Assim, vale a regra: cada cabeça uma sentença pois, cada um sabe onde lhe dói o calo. Enquanto que as apostas apresentadas estão em desacordo com alguns dos melhores cérebros do negócio, estão em pleno acordo com outros e, embora ainda seja um tiro distante, para mercados importantes e por necessidade dispostos a inovação, como a Califórnia, o nitrogênio pode parece ter uma melhor chance de cumprir o papel que o hidrogênio já foi esperado e, ainda se espera, para cumprir, enquanto que, para países com matriz energética relativamente limpa como o Brasil, os VEs movidos a bateria continuam sendo uma aposta válida importante.

Investigando as Reações Químicas em uma Célula de Combustível

Como uma Célula de Combustível e o Hidrogênio Funcionam?

Células Combustíveis são Ideais, MAS ATÉ AGORA ...

Eu sei que corro o risco de ser taxado de preconceituoso ao dizer o que vou dizer mas, mesmo assim eu tenho que dizer: a expressão mais associada ao termo “Células Combustíveis” (Fuel Cell) é a expressão “mas até agora” (but until now) e a frase formada é sempre de negação: “Células Combustíveis, até agora, NÃO!”. Isso é especialmente verdadeiro quando se trata de aplicações automobilísticas!

Mesmo hoje, passados 10 anos, eu vejo como surreal, a cena em que o Presidente norte americano G. W. Bush justifica a participação da sua administração na campanha contra o Carro Elétrico, baseada em alegadas expectativas de médio prazo sobre as tecnologias de “Células Combustíveis”. O que vimos em 10 anos foi: “Células Combustíveis são ideais, mas até agora, NADA de prático foi alcançado, que possa ser deveras competitivo nos mercados automobilísticos!”.

Enquanto isso os Carros Elétricos a bateria de íons de lítio, retornam, simples, prontos, práticos, limpos, seguros e com importantes melhorias já agendadas: As baterias de íons de lítio com o dobro a capacidade de energia das que estão sendo vendidas agora em 2012, estarão efetivamente sendo vendidas em 2020, ou antes. E isso sem aumentar o tamanho, nem os custos, nem diminuir a segurança, das mesmas. Mas carregadores embarcados para o dobro de corrente de carregamento atual chegam antes: em 2014 no Nissan Leaf.

Mas é verdade que nem todos os mercados automobilísticos estão em uma situação ambiental confortável para poder restringir o leque de suas apostas, e são estes que conduzem e fomentam as inovações tecnológicas das células combustíveis, ao contrário do Brasil que não apoia efetivamente os VEs por se sentir bem confortável mantendo um vetor tecnológico único direcionado ao metanol. Mas posição brasileira é no mínimo temerária.

As células de combustível foram inventadas há mais de um século e têm sido utilizadas em praticamente todas as missões da NASA desde 1960, mas até agora, elas não conseguiram ganhar uma adoção comercial por causa dos seus custos inerentemente altos.

Durante décadas, os especialistas concordaram que as células de combustível de óxido sólido detêm o maior potencial de qualquer tecnologia de células combustível. Com materiais de baixo custo de cerâmica, e extremamente elevadas eficiências elétricas, as células de combustível de óxido sólido (SOFCs, sigla em inglês) pode oferecer economia atraentes, sem depender de ter que performar Sistemas Combinados de Aquecimento e Energia (CHP - Combined Heat and Power, em inglês).

Mas até agora, houve significativos desafios técnicos inibindo a comercialização desta nova tecnologia promissora. As células de combustível de óxido sólido operam à temperatura extremamente elevada (tipicamente acima de 800 °C). Esta alta temperatura é que dá-lhes extremamente alta eficiência eletro energética e flexibilidade de combustível, os quais contribuem para uma melhor economia, mas também cria desafios de engenharia.

Os desenvolvimentos práticos relativos a esta tecnologia, até agora, parece que continuam a caminhar no ritmo “projeto guerra nas estrelas”: descrito em um artigo publicado nos idos 2009 na revista Nano Letters, davam conta de que novos fios, denominados “nanowires” deveriam fornecer aumentos significativos tanto em longevidade e eficiência de células a combustível, que até aquela data, e ainda até agora, tinham sido utilizados, ou pensados para utilização, em grande parte para fins tão exóticos quanto a alimentação naves espaciais.

Um nanowire é uma nanoestrutura, com o diâmetro da ordem de um nanômetro (10^-9 metros), que ainda pertencem ao mundo experimental dos laboratórios, podendo vir um dia a complementar ou substituir os nanotubos de carbono em algumas aplicações, ou para construir uma próxima geração de dispositivos de  computação. Mas só Deus sabe quando!

Todavia, s células combustível não são uma tecnologia nova. A primeira célula combustível foi construída por William Robert Grove em 1839, mas não foi até os anos 1960 que as primeiras células a combustível entraram em uso com o programa espacial Apollo (NASA).

O núcleo da tecnologia de célula combustível é a membrana que separa o ar e combustível. Os requisitos para este componente são rígidas e até agora eles têm sido difíceis de cumprir. Em particular, tem sido difícil de alcançar durabilidade suficiente. Os materiais são caros de produzir, e de uma atmosfera especial no interior da célula de combustível geralmente requer materiais caros em componentes circundantes. Como consequência, as células de combustível de hoje são muito caros para competir no mercado. Outras pesquisas fortemente centra-se na identificação de novos materiais e mais barato com longos métodos de produção de durabilidade e mais eficiente.

O fato é que esta tecnologia está a várias décadas de se tornar uma tecnologia adequada para emprego em industria automobilística de consumo. No entanto, se você, até agora, ainda não tem um bom entendimento sobre essa tecnologia, eu te recomendo que o busque pois, ela não irá, simplesmente, desaparecer sem, cumprir algum destino comercial um dia.

Com toda certeza poderemos ficar sabendo quando faltar uma apenas uma década para ela estar pronta para os automóveis pois, antes, ela terá, fatalmente, que passar em testes de aplicação prática de transporte de massa e de movimentação de grandes cargas: navios, locomotivas de trens, etc. Depois, virá ainda aplicações práticas industriais de movimentação de carga, guidastes, pórticos, pontes rolantes, etc.

Contudo, nos regojizemos pois, hoje, células combustíveis do porte de megawatts já podem começar a ser empregadas em plantas de células de energia para fornecer energia para plantas industriais e para cidades e isso sim, muito provavelmente, se tornará uma realidade comercial de sucesso e impulsionará a continuidade do desenvolvimento dessa tecnologia.

Então chegaremos lá um dia, enquanto isso, apoie o Carro Elétrico Puro e, não aceite imitações complicadas, travestidas de boas ideias, que são, na verdade, mais caras em todos os sentidos e, acima de tudo, seja feliz!

Células Combustíveis - Uma Aplicação Comercial em Cogeração de Energia:

A eletricidade pode gerada junto com uma parcela de calor, em conversores de energia a partir de gás natural (GN), até mesmo sem que seja necessário realizar a queima do GN, pelo emprego de células combustíveis.

Como a eletricidade é gerada através de um processo eletroquímico que não envolve combustão (ao contrário usina tradicional geradora de eletricidade), produz quantidades desprezíveis ​​de poluentes e reduz consideravelmente as emissões de carbono.

Além disso, como o calor é produzido como um subproduto da reação eletroquímica, a unidade também produz calor suficiente para aquecer uma considerável quantidade de água, o suficiente para aquecer uma piscina ou para o fornecimento de água quente sanitária.

Essa tecnologia já se encontra comercialmente disponível e, não apenas para clientes corporativos, mas também para emprego em residências. Conversores tão pequenos quanto de 10 kW e, até mesmo de apenas 5 kW já se encontram a disponíveis a venda. Mas não se afobe pois, o preço não é nada atrativo ainda, principalmente para estes aparelhos menores.

A empresa norte americana ClearEdge é quem esta lançando estes produtos no mercado. Veja o vídeo o link segue abaixo), vale a pena conferir, a tecnologia é muito interessante e promissora e mais cedo ou mais tarde chegara aqui pois, graças ao bom Deus, além da era dos VEs, nós estamos também entrando na era do GN.

Além disso, os tais dispositivos operam com uma muito boa eficiência, de 90% e podem reduzir custos com energia em até 50% para consumidores comerciais grandes, como por exemplo, hotéis, shoppings Centers e condomínios. É novidade no mercado.

Como Produzir Eletricidade + Calor, a partir de GN Sem Queimá-lo!

Veja também:

Veículos a Células Combustíveis - O Fim dos Veículos Elétricos?

Como uma Célula Combustível e o Hidrogênio Funcionam?