Há um consenso crescente na indústria automotiva de que o futuro do transporte terrestre é a propulsão elétrica. No entanto, à medida que a mobilidade elétrica reapareceu como conceito (não se esqueça que no início da era automóvel coexistiam motores de combustão interna e carros elétricos), há um debate sobre como fornecer eletricidade ao motor elétrico? A primeira opção é usar baterias a bordo do carro – claramente a opção mais popular atualmente. Há outra maneira, porém, nas células a combustível de hidrogênio.
O que é uma célula de combustível?
Percebendo o baixo conteúdo de energia da tecnologia atual de baterias, alguns sugeriram uma abordagem diferente. Produzir eletricidade a bordo do carro sem a necessidade de baterias pesadas e volumosas. A tecnologia não é realmente nova, pois foi usada pela primeira vez na década de 60 pela NASA para gerar eletricidade nas missões Gemini e Apollo à Lua. Existem alguns tipos diferentes de células a combustível, mas na indústria automotiva as células a combustível com membrana de troca de prótons (PEMFC) são usadas quase exclusivamente.
Então, como produzimos eletricidade em uma célula de combustível? É um processo relativamente simples. A célula de combustível tem três partes principais. O ânodo, o cátodo e o separador. No ânodo, o H2 é alimentado por um tanque. H2 é composto por dois elétrons e dois prótons. Prótons carregados positivamente passam pelo separador enquanto elétrons carregados negativamente viajam através de um circuito externo criando assim corrente elétrica.
No cátodo o oxigênio do ar atmosférico encontra os prótons do hidrogênio – que já passaram pelo separador – e os elétrons do circuito externo. Essa combinação cria água que é expelida pelo escapamento do carro. Um escapamento onde você pode beber!
Produção de hidrogênio
O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, mas não está disponível na forma livre na Terra. Isso significa que temos que encontrar uma maneira de adquiri-lo. Atualmente existem 3+1 formas de produzir hidrogénio.
O hidrogênio cinza, como é chamado, é produzido através da reforma a vapor do gás natural. O gás natural é bombardeado com vapor de água muito quente e altamente pressurizado. Esta reação cria H2 e CO2. Esta forma de produzir hidrogénio é a menos ecológica.
O hidrogénio azul assemelha-se muito ao hidrogénio cinzento, exceto que os sistemas de captura e armazenamento de carbono (CCS) são integrados no processo de produção, evitando que o CO₂ libertado atinja a atmosfera.
A terceira via de produção é a eletrólise, que gera hidrogênio verde. Este método funciona de forma oposta a uma célula de combustível: uma corrente eléctrica divide as moléculas de água nos seus gases constituintes – hidrogénio e oxigénio.
A abordagem “+1” é conhecida como hidrogênio turquesa. Nesta técnica, o gás natural é encaminhado através de um banho de metal fundido, produzindo hidrogênio e carbono sólido. Embora o conceito seja promissor, ainda não atingiu a implantação em escala comercial.
Das opções existentes, o hidrogénio verde é a maior promessa para uma produção sustentável e de baixo impacto – desde que a eletricidade que impulsiona o processo provenha de fontes renováveis, como a energia eólica ou solar.
Estados de hidrogênio
Existem dois estados possíveis de hidrogênio a serem usados. Forma gasosa e líquida, ambas com vantagens e desvantagens.
Como o hidrogênio é o elemento menos denso do universo, para usá-lo em um carro ele precisa ser seriamente comprimido. Nas aplicações atuais, o hidrogênio é comprimido a 700 bar. É muita pressão e são necessários tanques especiais e caros para isso.
A outra alternativa é a forma líquida. Mas para liquefazer o hidrogénio tem de ser arrefecido a 20°C acima do zero absoluto – isto é -253°C. É óbvio que para obter ambas as formas de hidrogénio precisamos de utilizar energia – seja para compressão superalta ou para arrefecimento.
A vantagem de usar hidrogénio é enorme – 1kg de hidrogénio transporta 33,3 kWh de energia. Isto significa que transporta 167 vezes mais energia por kg do que a bateria atual mais avançada!
Baterias versus hidrogênio
Então, qual é a forma preferida? Transportar sua eletricidade ou produzi-la a bordo do carro? A indústria automotiva parece favorecer as baterias no momento por alguns motivos.
Em primeiro lugar, a eficiência do PEMFC ronda os 60%. A reforma a vapor do gás natural é 70% eficiente, enquanto a eletrólise é 75% eficiente. A compressão do hidrogênio é cerca de 89% eficiente, enquanto a liquefação é cerca de 66%. Na tabela a seguir todas as perdas são resumidas e comparadas entre as baterias e o hidrogênio. Para o hidrogénio foram utilizados os cenários mais eficientes.
| Comparação de eficiência | Hydrogen | Bateria |
|---|---|---|
| Eletrólise (%) | 75 | - |
| Compressão de Hidrogênio (%) | 89 | - |
| Transporte de combustível/rede (%) | 80 | 93 |
| Célula de combustível (%) | 60 | 94 |
| Motor de ímã permanente (%) | 94 | 94 |
| Conversão CC/CA (%) | 93 | 93 |
| Carregamento (%) | - | 94 |
| Transmissão (%) | 95 | 95 |
| Eficiência total (%) | 27 | 73 |
Os dados derivados da tabela anterior indicam que a tecnologia de células de combustível produz um perfil de eficiência quase idêntico ao dos veículos a gasolina com motor de combustão interna (ICE). Dada a situação actual, a implantação de células de combustível em automóveis de passageiros oferece poucas vantagens práticas. Consequentemente, a maioria dos fabricantes de automóveis prefere a abordagem do conjunto de baterias, apesar das suas restrições inerentes.
Vale destacar também que percorrer uma distância equivalente acarreta custos de reabastecimento de hidrogênio sete a oito vezes maiores do que recarregar um veículo elétrico em casa. Embora o hidrogénio possa encontrar um nicho no transporte rodoviário pesado devido à sua excepcional densidade energética, este potencial depende do desenvolvimento de métodos sustentáveis para a sua produção.
