5 Motores de Combustão de Hidrogênio Prontos para Quebrar o Molde

A combustão de hidrogênio surgiu como uma das opções de combustível mais promissoras, oferecendo valor ambiental significativo e desempenho. Em termos de design, esses motores remontam a mais de quatro décadas.

Em 1970, o inventor Paul Dieges patenteou uma modificação que permitiu que motores de combustão interna a gás funcionassem com hidrogênio. Desde então, essa tecnologia avançou consideravelmente em sua capacidade de alimentar veículos, carros e ônibus. Seu potencial é tão grande que aeronaves comerciais futuras podem também adotar o hidrogênio como combustível principal.

Nos Motores de Combustão de Hidrogênio, o hidrogênio líquido ou gasoso queima em um motor a turbina a gás modificado para gerar empuxo. Esse processo espelha a combustão interna tradicional, mas com o hidrogênio substituindo seu contraparte de combustível fóssil.

Com seu uso e importância crescentes, as especulações são abundantes sobre qual HCE tem o futuro mais empolgante. Nos segmentos a seguir, analisamos cinco motores de combustão de hidrogênio que estão prontos para quebrar o molde.

Motor de Hidrogênio de 15 Litros da Cummins

A plataforma de motor de 15 litros da Cummins, que discutimos, é neutra em relação ao combustível em sua essência. É compatível com hidrogênio, gás natural e diesel. Mas quando operada com hidrogênio, pode realmente quebrar o molde ao se tornar a melhor versão de sua faixa de capacidade de combustível de baixo a zero carbono e acelerar a descarbonização de aplicações pesadas fora de estrada ao seu ótimo. 

Ao falar sobre sua especialidade, Antonio Leitao, Vice‑Presidente do Negócio Global de Motores Off‑highway da Cummins, disse o seguinte:

“A nova plataforma da Cummins eleva a combustão interna a um novo nível, capaz de atender aos futuros padrões de emissões ultra‑baixas, como EPA Tier 5 e EU Stage 6, juntamente com uma capacidade de combustível de baixo a zero carbono para ajudar a colocar os canteiros de obras e pedreiras em um caminho de descarbonização de menor custo. O motor de 15 litros apresenta um aumento significativo na densidade de potência com um envelope de instalação mais compacto, proporcionando aos fabricantes de equipamentos a capacidade de fazer mais com suas máquinas.”

Se discutirmos o caso específico do motor a hidrogênio, ele apresenta uma combustão de injeção direta e queima pobre, com potências de 400 a 530 hp (298‑395 kW) e torque máximo de 2600 N·m. Extraindo energia de hidrogênio verde zero‑carbono, pode usar um sistema de armazenamento de combustível de alta capacidade a 700 bar para maximizar as horas de operação entre reabastecimentos. 

Espera‑se que a versão esteja em produção total até 2027. A empresa produzirá esses motores com deslocamentos de 15 litros e 6,7 litros. 

O motor tem recebido validação de partes interessadas da indústria desde seus primeiros dias. Em janeiro de 2022, a Werner Enterprises (WERN ) (Nasdaq: WERN), um fornecedor de transporte e logística de primeira linha, decidiu começar a validar e integrar os motores de combustão interna a hidrogênio de 15 litros da Cummins em seus veículos.

A Cummins divulgou seus resultados do quarto trimestre e do ano completo de 2023 em 6 de fevereiro de 2024. As receitas do quarto trimestre de 2023 foram de US$ 8,5 bilhões, um aumento de 10% em relação ao mesmo trimestre de 2022, enquanto as receitas do ano completo de 2023 foram de US$ 34,1 bilhões, 21% superiores às de 2022.

Motores V8 de 5,0 litros 100% a Hidrogênio da Yamaha para a Toyota

A Toyota Motor Corporation (TM ) encomendou à Yamaha Motor o desenvolvimento do motor a hidrogênio do futuro. As cinco empresas — Kawasaki Heavy Industries, Subaru Corporation, Toyota Motor Corporation, Mazda Motor Corporation e Yamaha Motor — decidiram conduzir pesquisas colaborativas para explorar e expandir a gama de opções de combustível para motores de combustão interna adequados à neutralidade de carbono.

Ao falar sobre o desenvolvimento, o presidente da Yamaha Motor, Yoshihiro Hidaka, disse:

“Os motores a hidrogênio têm o potencial de serem neutros em carbono, ao mesmo tempo em que mantêm viva a nossa paixão pelos motores de combustão interna. Formar parcerias com empresas de diferentes culturas corporativas e áreas de especialização, bem como ampliar o número de parceiros que temos, é a forma como queremos liderar o caminho para o futuro.”

No evento de revelação do motor, o V8 de 5,0 litros parece ter sido baseado no motor de 5,0 litros do Lexus RC F luxury sport coupe, modificado com injetores, cabeças de cilindro, coletor de admissão e mais. O motor pode entregar até 450 hp a 6.800 rpm e um máximo de 540 Nm de torque a 3.600 rpm. O V8 de alto desempenho 5.0-litre 90-degree V8 DOHC 32-valve foi convertido pela Yamaha para usar hidrogênio. 

De acordo com seu relatório anual de 2023, a Yamaha registrou uma receita consolidada em todo o grupo de 451,4 bilhões de ienes com um lucro operacional principal de 45,9 bilhões de ienes. 

O Motor para o BMW iX5 Hydrogen 

A BMW tem testado seu veículo futuro desde 2023. Desde temperaturas de até 45 °C até areia, poeira, várias inclinações e níveis de umidade variáveis, a empresa testou tudo. A empresa também considera sua tecnologia de célula de combustível a hidrogênio adequada para uso cotidiano em temperaturas extremas abaixo de zero.

Em termos de especificações, o sistema de célula de combustível do BMW iX5 Hydrogen pode fornecer consistentemente uma alta potência de 125 kW/170 hp.

A Toyota Motor Corporation foi contratada para fabricar as células individuais para o Grupo BMW. A fábrica do Grupo BMW em Landshut produz o invólucro da pilha, que é a segunda etapa do processo de fabricação em duas etapas. A primeira etapa envolve o empilhamento das células e a montagem dos demais componentes.

As células de combustível que entregam o desempenho de 125 kW/170 hp são uma combinação inovadora que provém da gama Gen‑5 das tecnologias eDrive da BMW Group e de uma bateria especialmente desenvolvida. Quando combinados, o conjunto pode oferecer uma potência de até 285 kW/401 hp.

O Grupo BMW também tem sido responsável pelo desenvolvimento dos componentes dedicados ao hidrogênio, incluindo o compressor de alta resolução com turbina e a bomba de refrigeração de alta voltagem. O mecanismo interno da célula de combustível faz com que o hidrogênio dos tanques reaja com o oxigênio da atmosfera para produzir eletricidade que alimenta o motor. Os dois tanques presentes no BMW iX5 Hydrogen podem armazenar um total de 6 kg de gás e proporcionar ao sistema uma autonomia de veículo de 504 km no ciclo WLTP.

O Grupo BMW também considera o motor iX5 o futuro do reabastecimento, já que o reabastecimento de hidrogênio é mais rápido que o carregamento de um carro elétrico a bateria.

A associação da BMW com o hidrogênio tem sido holística. A logística da planta do grupo tem usado o gás desde 2013. Foi também a empresa que ergueu a primeira estação de hidrogênio indoor da Alemanha na planta de Leipzig. O PaintShop da Plant Leipzig também está envolvido em projetos piloto do uso de hidrogênio na produção de veículos.

Em 2023, o Grupo BMW reportou receitas anuais de cerca de 155,5 bilhões de euros, um aumento de 9 % em relação ao seu valor de 2022, próximo a 143 milhões de euros.

Motores de Combustão a Hidrogênio da Volvo com Tecnologia de Injeção Direta de Alta Pressão (HPDI)

Os caminhões da Volvo que virão com um motor de combustão a hidrogênio terão tecnologia de injeção direta de alta pressão (HPDI), o que significa que uma pequena quantidade de combustível de ignição, injetada sob alta pressão, pode permitir a ignição por compressão mesmo antes que o hidrogênio seja adicionado. Um dos muitos benefícios dessa tecnologia é que ela mantém altos níveis de eficiência energética com menor consumo de combustível. Garante que a potência do motor não seja comprometida no processo. 

O Grupo Volvo já assinou um acordo com a Westport Fuel Systems (WPRT ) para estabelecer uma joint venture utilizando a tecnologia HPDI, que é esperado entrar em operação no segundo trimestre de 2024. 

Ao detalhar a estratégia da Volvo com seus motores a hidrogênio, Jan Hjelmgren, Chefe de Gerenciamento de Produto e Qualidade na Volvo Trucks, disse o seguinte,  

“Caminhões, onde o motor de combustão interna tradicional permanece, mas funciona com hidrogênio, terão o mesmo desempenho e confiabilidade de nossos caminhões a diesel, mas com o benefício adicional de potencialmente emissões líquidas de CO₂ zero do poço à roda. Eles serão um complemento valioso aos nossos caminhões elétricos a bateria, que já estão no mercado há vários anos.”

Os testes com clientes em caminhões Volvo que utilizam hidrogênio em motores de combustão começarão em 2026, e os caminhões estarão disponíveis comercialmente rumo ao final desta década.

A tecnologia HPDI é uma adição transformadora à forma como nossos sistemas de transporte funcionarão no futuro. Ela aborda os desafios de atender aos requisitos regulatórios do Euro 7 e da EPA dos EUA para fabricantes de caminhões e equipamentos off‑road globalmente.

O injetor com design de agulha dupla concêntrica pode reduzir 97 % das emissões de CO₂. É por isso que os caminhões que utilizam essa tecnologia podem ser classificados como “Veículos de Emissão Zero” sob os novos padrões de emissão de CO₂ da UE. Os motores também produzirão quantidades muito pequenas de óxidos de nitrogênio e partículas. 

Em 2023, as vendas líquidas ajustadas pela moeda do Grupo Volvo cresceram 11 % para SEK 552,8 bilhões, e sua renda operacional ajustada melhorou para SEK 77,6 bilhões.

Clique aqui para saber o que tornou o hidrogênio mais atraente como fonte de energia recentemente.

Motor de Combustão a Hidrogênio Desenvolvido em Colaboração pela Kia e Hyundai

Em um movimento recente que pode se provar pioneiro, a Kia e a Hyundai, duas gigantes automobilísticas coreanas, se uniram para projetar um motor de combustão a hidrogênio. O motor pode estar pronto para carros de passageiros até 2025. 

Relatórios sugerem que este motor pode potencialmente resolver todos os problemas de durabilidade e viabilidade em larga escala que os motores a hidrogênio enfrentaram até agora. O protótipo é um motor a hidrogênio de 2 litros com 180‑200 cavalos de potência, com curvas de torque e potência comparáveis aos motores a gasolina equivalentes em tamanho. O benefício é que o motor a hidrogênio tem desempenho muito melhor em consumo de combustível. O motor pode manter alta eficiência térmica ao longo de sua operação, injetando hidrogênio na câmara de combustão a uma pressão de 30 bar.

Para ampliar a produção do motor, a Hyundai e a Kia também formaram parcerias com alguns fornecedores. Por exemplo, assinaram um memorando de entendimento com a Next Hydrogen Corporation, uma empresa canadense especializada em tecnologia de eletrólise da água. O desenvolvimento de um sistema de eletrólise alcalina da água melhorará a competitividade de preço do hidrogênio limpo para a Hyundai e a Kia.

A empresa também assinou um acordo com a W. L. Gore & Associates (Gore) para desenvolver conjuntamente membranas avançadas de eletrólito polimérico (PEM) para sistemas de célula de combustível a hidrogênio. O PEM facilita a transferência de prótons entre os eletrodos na célula de combustível. Como o PEM bloqueia a combinação direta do hidrogênio e oxigênio que chegam, ocorre condução seletiva de prótons e, por sua vez, gera uma corrente elétrica para alimentar um veículo.

De acordo com Chang Hwan Kim, Chefe de Desenvolvimento de Baterias e de Desenvolvimento de Hidrogênio e Células de Combustível na Hyundai Motor Company e na Kia Corporation:

“Estamos entrando no próximo capítulo de nossa parceria com a Gore. Ao aproveitar os 15 anos de colaboração, adquiriremos tecnologia avançada de célula de combustível e lideraremos o mercado de veículos elétricos de célula de combustível, acelerando o movimento rumo a um futuro sustentável.”

Para o ano fiscal de 2023, a Hyundai registrou uma receita anual de 162,664 bilhões de KRW, um aumento de mais de 14 % em relação à sua receita de 2022 de 142,152 bilhões de KRW. Em 2023, a Kia registrou uma receita de 99,808,420 milhões de KRW.

O Futuro dos Motores de Combustão a Hidrogênio Parece Mais Promissor do que Nunca

De veículos de passageiros a caminhões, todos os principais fabricantes globais de automóveis estão investindo tantos recursos e pesquisas quanto podem para tornar os Motores de Combustão a Hidrogênio a melhor opção possível para um futuro neutro em carbono, sustentável e verde. 

Além de nos proporcionar um ambiente limpo, esses motores são superiores em muitas outras maneiras. Por exemplo, eles eliminam a necessidade de um pesado conjunto de baterias, uma característica comum entre os veículos elétricos. O conjunto conversor de hidrogênio‑para‑eletricidade é compacto e mais leve que uma bateria de íons de lítio com um trem de força de alcance semelhante. Leva apenas 3 a 5 minutos para reabastecer um motor de combustão a hidrogênio, e sua densidade energética é pelo menos 3 vezes maior comparada às baterias, enquanto, entre um abastecimento, eles podem percorrer 2‑3 vezes mais distância que a maioria dos veículos elétricos.

Aqui, tivemos a oportunidade de analisar quase todos os principais tipos de motores na categoria que estão prontos para quebrar o molde. O futuro pode muito bem ser esperado para estar repleto de mais inovações de ponta como estas.

Clique aqui para saber por que o hidrogênio ainda pode ser o combustível do futuro.