Tendências e perspectivas para células de combustível de hidrogênio para transporte limpo

Este artigo se concentrará em células de combustível de hidrogênio, tendências e perspectivas para sua aplicação. As células de combustível à base de hidrogênio estão atraindo cada vez mais atenção na indústria automotiva hoje, porque se o século 20 foi o século do motor de combustão interna, então o século 21 pode se tornar o século da energia do hidrogênio na indústria automotiva. Já hoje, graças às células de hidrogênio, as naves espaciais funcionam e, em alguns países do mundo, o hidrogênio é usado há mais de 10 anos para gerar eletricidade.

Uma célula de combustível de hidrogênio é um dispositivo eletroquímico como uma bateria que gera eletricidade por meio de uma reação química entre hidrogênio e oxigênio, e o produto da reação química é água pura, enquanto a queima de gás natural, por exemplo, produz dióxido de carbono prejudicial ao meio ambiente.

Além disso, as células de hidrogênio podem operar com maior eficiência, razão pela qual são particularmente promissoras. Imagine motores de automóveis eficientes e ecológicos.Mas toda a infraestrutura é atualmente construída e especializada para derivados de petróleo, e a introdução em larga escala de células de hidrogênio na indústria automotiva enfrenta esse e outros obstáculos.

Enquanto isso, desde 1839, sabe-se que o hidrogênio e o oxigênio podem se combinar quimicamente e, assim, obter uma corrente elétrica, ou seja, o processo de eletrólise da água é reversível - este é um fato científico confirmado. Já no século 19, as células a combustível começaram a ser estudadas, mas o desenvolvimento da produção de petróleo e a criação do motor de combustão interna deixaram as fontes de energia do hidrogênio e elas se tornaram algo exótico, pouco lucrativo e caro de produzir.

Na década de 1950, a NASA foi forçada a recorrer a células de combustível de hidrogênio, e depois por necessidade. Eles precisavam de um gerador de energia compacto e eficiente para sua espaçonave. Como resultado, Apollo e Gemini voaram para o espaço com células de combustível de hidrogênio, o que acabou sendo a melhor solução.

Hoje, as células de combustível estão completamente fora da tecnologia experimental e, nos últimos 20 anos, houve um progresso significativo em sua comercialização mais ampla.

Não é em vão que grandes esperanças são colocadas nas células de combustível de hidrogênio. No processo de trabalho, a poluição ambiental é mínima, as vantagens técnicas e de segurança são óbvias, além disso, esse tipo de combustível é fundamentalmente autônomo e pode substituir baterias de lítio pesadas e caras.

O combustível de uma célula de hidrogênio é convertido em energia diretamente no decorrer de uma reação química, e aqui é obtida mais energia do que com a combustão convencional.Consome menos combustível e a eficiência é três vezes maior que a de um aparelho similar que utiliza combustíveis fósseis.

A eficiência será tanto maior quanto mais organizada for a forma de aproveitamento da água e do calor gerados durante a reação. As emissões de substâncias nocivas são mínimas, uma vez que apenas água, energia e calor são liberados, enquanto mesmo com o processo de queima de combustível tradicional organizado com mais sucesso, óxidos de nitrogênio, enxofre, carbono e outros produtos de combustão desnecessários são inevitavelmente formados.

Além disso, as próprias indústrias de combustíveis convencionais têm um efeito prejudicial ao meio ambiente, e as células de combustível de hidrogênio evitam uma invasão perigosa do ecossistema, uma vez que a produção de hidrogênio é possível a partir de fontes de energia totalmente renováveis. Mesmo o vazamento desse gás é inofensivo, pois evapora instantaneamente.

A célula de combustível não importa de qual combustível o hidrogênio é obtido para sua operação. A densidade de energia em kWh / l será a mesma, e esse indicador aumenta constantemente com o aprimoramento da tecnologia de criação de células a combustível.

O próprio hidrogênio pode ser obtido de qualquer fonte local conveniente, seja gás natural, carvão, biomassa ou eletrólise (através do vento, energia solar, etc.) A dependência de fornecedores regionais de eletricidade desaparece, os sistemas geralmente são independentes das redes elétricas.

As temperaturas de operação da célula são bastante baixas e podem variar de 80 a 1000°C, dependendo do tipo de elemento, enquanto a temperatura em um moderno motor de combustão interna convencional chega a 2300°C.A célula de combustível é compacta, emite um mínimo de ruído durante a geração, não emite substâncias nocivas, pelo que pode ser colocada em qualquer local conveniente no sistema em que trabalha.

Em princípio, não apenas a eletricidade, mas também o calor que é liberado durante uma reação química pode ser usado para fins úteis, por exemplo, para aquecimento de água, aquecimento ou resfriamento de ambientes - com essa abordagem, a eficiência de geração de energia em uma célula será abordada 90%.

As células são sensíveis a mudanças na carga, portanto, à medida que o consumo de energia aumenta, mais combustível deve ser fornecido. Isso é semelhante ao funcionamento de um motor a gasolina ou de um gerador de combustão interna. Tecnicamente, a célula de combustível é implementada de forma bastante simples, pois não há partes móveis, o design é simples e confiável e a probabilidade de falha é fundamentalmente extremamente pequena.

Uma célula de combustível de hidrogênio-oxigênio com uma membrana de troca de prótons (por exemplo «com um eletrólito de polímero») contém uma membrana que conduz prótons de um polímero (Nafion, polibenzimidazol, etc.), que separa dois eletrodos - um ânodo e um cátodo. Cada eletrodo é geralmente uma placa de carbono (matriz) com um catalisador suportado – platina ou uma liga de platinóides e outros compostos.

No catalisador anódico, o hidrogênio molecular se dissocia e perde elétrons. Os cátions de hidrogênio são transportados através da membrana para o cátodo, mas os elétrons são doados para o circuito externo porque a membrana não permite a passagem de elétrons. No catalisador catódico, a molécula de oxigênio se combina com um elétron (que é fornecido por comunicações externas) e um próton entrante e forma água, que é o único produto da reação (na forma de vapor e/ou líquido).

Sim, os carros elétricos hoje funcionam com baterias de lítio. No entanto, as células de combustível de hidrogênio podem substituí-los. Em vez de uma bateria, a fonte de energia suportará muito menos peso. Além disso, a potência do carro pode ser aumentada não pelo aumento de peso devido à adição de células de bateria, mas simplesmente ajustando o fornecimento de combustível ao sistema enquanto ele está no cilindro. Portanto, os fabricantes de automóveis têm grandes expectativas para as células de combustível de hidrogênio.

Mais de 10 anos atrás, o trabalho na criação de carros a hidrogênio começou em muitos países ao redor do mundo, especialmente nos EUA e na Europa. O oxigênio pode ser extraído diretamente do ar atmosférico usando uma unidade de compressor de filtragem especial localizada a bordo do veículo. O hidrogênio comprimido é armazenado em um cilindro resistente sob uma pressão de cerca de 400 atm. O reabastecimento leva alguns minutos.

O conceito de transporte urbano ecológico é aplicado na Europa desde meados dos anos 2000: esses ônibus de passageiros são encontrados há muito tempo em Amsterdã, Hamburgo, Barcelona e Londres.Na metrópole, a ausência de emissões nocivas e a redução do ruído são extremamente importantes. O Coradia iLint, o primeiro trem ferroviário de passageiros movido a hidrogênio, foi lançado na Alemanha em 2018. Até 2021, mais 14 desses trens estão planejados para serem lançados.

Nos próximos 40 anos, a mudança para o hidrogênio como fonte primária de energia para carros pode revolucionar a energia e a economia do mundo. Embora agora esteja claro que o petróleo e o gás continuarão sendo o principal mercado de combustível por pelo menos mais 10 anos.No entanto, alguns países já estão investindo na criação de veículos com células a combustível de hidrogênio, apesar de muitas barreiras técnicas e econômicas precisarem ser superadas.

Criar infraestrutura de hidrogênio, postos de gasolina seguros é a principal tarefa, porque o hidrogênio é um gás explosivo. De qualquer forma, com o hidrogênio, os custos de combustível e manutenção do veículo podem ser significativamente reduzidos e a confiabilidade pode ser aumentada.

Segundo previsões da Bloomberg, até 2040 os carros consumirão 1.900 terawatts-hora em vez dos atuais 13 milhões de barris por dia, o que representará 8% da demanda de eletricidade, enquanto 70% do petróleo produzido no mundo hoje vai para a produção de combustível para transporte . É claro que, neste ponto, as perspectivas para o mercado de veículos elétricos a bateria são muito mais pronunciadas e impressionantes do que no caso das células a combustível de hidrogênio.

Em 2017, o mercado de veículos elétricos foi de US$ 17,4 bilhões, enquanto o mercado de carros a hidrogênio foi avaliado em apenas US$ 2 bilhões. Apesar dessa diferença, os investidores continuam interessados ​​na energia do hidrogênio e financiam novos empreendimentos.

Assim, em 2017, foi criado o Hydrogen Council, que inclui 39 grandes fabricantes de automóveis, como Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Seu objetivo é pesquisar e desenvolver novas tecnologias de hidrogênio e sua posterior distribuição ampla.