Motores de Combustão de Hidrogênio Parecem Cada Vez Mais Viáveis com o Setor de Transporte em Transformação

Com regulamentos que limitam as emissões de CO2 aumentando globalmente, a busca por transporte sustentável nos levou ao hidrogênio como combustível alternativo. 

O hidrogênio (H) surgiu como uma opção promissora graças à sua capacidade de queimar sem emissões de gases de efeito estufa. Este elemento combustível é incolor, insípido, inodoro e possui densidade de energia relativamente alta, o que significa que o hidrogênio contém muita energia por unidade de volume, tornando-o uma excelente fonte de combustível para veículos. 

Este elemento mais leve tem recebido considerável interesse do setor de transporte para alimentar veículos elétricos via células de combustível. No entanto, os motores de combustão interna a hidrogênio (HICEs) estão agora sendo explorados para alcançar emissões zero. Mas do que se trata tudo isso?

O que é a Combustão de Hidrogênio?

O hidrogênio é um elemento químico, e a combustão é um processo químico que libera energia de uma mistura de combustível e ar. A combustão do hidrogênio, seja em forma líquida ou gasosa, gera força. 

Devido à sua ampla faixa de inflamabilidade, o hidrogênio é bem adequado para combustão. Ele oferece excelente economia de combustível e possui alta temperatura de autoignição, permitindo relações de compressão mais altas que reduzem a perda de energia durante a combustão. Além disso, uma temperatura final de combustão mais baixa minimiza a quantidade de poluentes emitidos pelo escapamento.

Como Esse Motor de Queima Limpa Realmente Funciona em um Veículo? 

O hidrogênio, ao contrário da gasolina líquida, é um gás que requer um sistema especial de fornecimento de combustível. Para isso, tanques de armazenamento de alta pressão mantêm o gás hidrogênio, garantindo armazenamento suficiente para atender à demanda de uma viagem. 

Uma válvula de controle, por sua vez, regula o fluxo de gás para o coletor de admissão do motor, garantindo uma mistura ar-combustível ideal para combustão eficiente. Durante o processo de admissão, o combustível é misturado com o ar e introduzido no cilindro.

Para alcançar combustão limpa e eficiente, é necessária uma mistura ar-combustível adequada. Os motores de combustão a hidrogênio utilizam sistemas sofisticados de injeção de combustível para minimizar emissões nocivas e otimizar a potência.

O pistão comprime a mistura adequada de combustível e ar, e as velas de alta energia então a inflamam, resultando em combustão. Como o hidrogênio queima rapidamente e libera calor significativo, os gases de combustão se expandem rapidamente.

Esses gases em expansão empurram o pistão, cujo movimento é convertido em potência rotacional através do virabrequim. Essa força então impulsiona as rodas, movendo o veículo para frente. 

Esse processo ilustra a experiência de condução mais limpa e potente que os motores de combustão a hidrogênio podem proporcionar, prometendo um futuro de transporte mais sustentável. No entanto, a velocidade rápida e as altas temperaturas nos motores de combustão interna a hidrogênio (HICEs) são alcançadas por meio de materiais compatíveis com hidrogênio, design avançado de motor e tecnologia inovadora de injeção de combustível.

Como é Diferente das Células de Hidrogênio? 

O hidrogênio é usado no setor de transporte de duas maneiras distintas: através de células de combustível e motores de combustão. Embora ambos os processos utilizem hidrogênio como combustível zero carbono, eles o aproveitam de maneiras diferentes para movimentar veículos.

Como mencionado acima, os motores de combustão a hidrogênio produzem energia queimando hidrogênio, muito semelhante aos motores tradicionais. Aqui, o hidrogênio é misturado ao ar para criar uma explosão controlada, gerando energia mecânica para impulsionar o veículo. 

As células de combustível e os veículos a hidrogênio, por sua vez, convertem o hidrogênio em eletricidade por meio de um processo químico. Nesse processo, um dispositivo eletroquímico converte hidrogênio e oxigênio em eletricidade, calor e vapor d’água. Mais especificamente, gera eletricidade ao dividir o hidrogênio em um próton e um elétron. Essa eletricidade então alimenta um motor elétrico que move o veículo.  

Veículos com célula de combustível (FCEVs) são mais eficientes em cargas menores, enquanto motores de combustão a hidrogênio apresentam melhor desempenho sob cargas mais pesadas. Isso torna os HICEs uma escolha melhor para caminhões pesados que transportam grandes cargas na maior parte do tempo. Em contraste, carros, ônibus e caminhões de reboque podem se beneficiar mais das células de combustível, pois geralmente operam com cargas muito menores. 

No entanto, dado que ambos utilizam hidrogênio, produzem emissões semelhantes. Veículos com célula de combustível não geram emissões, enquanto motores de combustão a hidrogênio emitem quase zero traços de CO2, embora possam produzir NOx ou óxidos de nitrogênio. Além disso, motores a hidrogênio podem operar com hidrogênio de qualidade inferior, o que permite casos de uso específicos.

Motores de combustão interna a hidrogênio têm sido usados por décadas e não requerem mudança na infraestrutura. Portanto, para os fabricantes de veículos, mudar para um motor a hidrogênio é menos desafiador devido ao uso de tecnologia existente. As células de combustível, por outro lado, são mais leves, silenciosas e reconhecidas por sua alta eficiência. Elas convertem até 60% da energia armazenada no hidrogênio em energia elétrica.

Como operam a uma temperatura mais baixa que os motores de combustão, as células de combustível também apresentam menor risco de incêndio ou explosão. No entanto, por serem uma tecnologia relativamente nova, as células de combustível são uma opção mais cara que os motores de combustão a hidrogênio.

Isso não significa que estejam competindo entre si, mas sim que HICEs e FCEVs se complementam. Afinal, ambos envolvem a mesma produção, armazenamento, transporte e distribuição de hidrogênio e fazem parte da redução das emissões de transporte rumo a zero.

Pesando os Prós e Contras da Combustão de Hidrogênio

Portanto, o uso do hidrogênio claramente tem vantagens significativas, mas e a combustão de hidrogênio em particular? Bem, como afirmamos acima, o principal benefício é o impacto ambiental dos HICEs. 

Esses motores são conhecidos por terem um subproduto limpo, principalmente vapor d’água, oferecendo uma vantagem significativa em relação aos motores a gasolina tradicionais. Além de contribuir para menores emissões de gases de efeito estufa, os motores de combustão a hidrogênio têm eficiência térmica muito maior, cerca de 45%, comparado aos motores diesel, que ficam abaixo de 40%, e aos motores a gasolina, que ficam abaixo de 30%.

Outro grande benefício dos HICEs é que podem ser construídos usando a tecnologia existente de motores de combustão interna, portanto não há necessidade de infraestrutura adicional ou de requalificação da força de trabalho. Além disso, o próprio elemento pode ser produzido a partir de várias fontes, como biomassa, eletrólise da água e gás natural, sendo assim capaz de atender à crescente demanda por energia limpa. 

O caso do hidrogênio como combustível é certamente forte, mas isso não significa que não existam problemas envolvidos. Na verdade, os motores de combustão a hidrogênio enfrentam vários desafios que precisam ser abordados. 

Para começar, precisamos de grande espaço de armazenamento para os tanques de hidrogênio, o que adiciona um peso considerável ao veículo. Isso, naturalmente, aumenta o risco de desgaste, reduzindo a vida útil do veículo. O combustível também queima com bastante facilidade, o que significa que há perigos para as partes do motor. Aproveitar o hidrogênio também não é fácil. É um processo demorado e intensivo em energia.

Enquanto isso, sua densidade de energia é menor, significando que a potência gerada é relativamente menor que a dos motores de combustão convencionais. Comparado a outros combustíveis como a gasolina, que requer uma relação de compressão de 8:1, os motores de combustão a hidrogênio precisam de 40:1, o que apresenta outro problema. Sem mencionar que a produção em massa desses motores é uma tarefa cara.

Embora o hidrogênio seja escolhido por suas menores emissões, o motor de combustão ainda cria uma pegada de carbono, pois envolve algumas emissões de NOx, anulando o propósito desses motores. Assim, gerenciar o calor e quaisquer emissões remanescentes por meio de sistemas de pós-tratamento é importante.

Clique aqui para saber sobre as preocupações de segurança em torno dos veículos a hidrogênio. 

Os Motores de Combustão a Hidrogênio são o Futuro?

Os motores de combustão a hidrogênio (HICEs) existem há décadas. O primeiro avião comercial experimental do mundo a operar com hidrogênio líquido, o Tupolev Tu-155, decolou em 1988. Isso mostra que os HICEs não são tão novos quanto muitos podem pensar. 

Apesar de não terem alcançado adoção generalizada ao longo dos anos, os HICEs recentemente atraíram interesse renovado de grandes marcas automotivas, incluindo Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki e Volvo. Até o setor de aviação tem explorado a combustão de hidrogênio. A Airbus, por exemplo, tem colaborado com parceiros de diversas indústrias para seu avião conceito ZEROe, que foi projetado para operar com combustão de hidrogênio. 

Há um interesse crescente no uso de motores de combustão a hidrogênio no setor de transporte, mas, por enquanto, eles enfrentam forte concorrência dos veículos elétricos (EVs). 

Embora os HICEs produzam emissões quase zero, os EVs dependem de eletricidade para energia e, como tal, apresentam zero emissões de escapamento. Os EVs também têm maior eficiência energética comparada aos HICEs, que perdem parte da energia durante o processo de combustão.

Embora os EVs exijam uma nova infraestrutura, o número de estações de carregamento está crescendo rapidamente. As estações para reabastecer hidrogênio, por outro lado, são bastante escassas, embora reabastecer um carro a hidrogênio seja mais rápido do que carregar um carro elétrico. 

Empresas como BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo e muitas outras têm feito avanços massivos no campo dos EVs. O mercado de veículos elétricos (EV) foi avaliado em aproximadamente $384 bilhões em 2022, enquanto o mercado global de motores de combustão interna a hidrogênio (HICEs) está projetado para alcançar $35 bilhões até 2030.

Os fabricantes de automóveis agora estão experimentando a tecnologia de combustão a hidrogênio, mas o progresso é relativamente lento comparado aos avanços na tecnologia de EVs. A indústria precisa superar muitos obstáculos de produção, como custo, o que significa que os EVs continuarão a dominar o setor de transporte por enquanto. No entanto, os HICEs podem se tornar uma parte importante da mistura de combustíveis de transporte no futuro próximo. 

O hidrogênio simplesmente não pode ser ignorado como combustível, e os HICEs têm um papel crucial a desempenhar no futuro do transporte sustentável. No entanto, para que isso seja possível, apoio governamental e avanços tecnológicos são necessários.

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

Desenvolvimentos Recentes no Campo dos HICEs

Na última década, a descarbonização se tornou extremamente importante para países e empresas em todo o mundo. O setor de transporte é particularmente crítico, dado que produz 10% das emissões globais de gases de efeito estufa. 

De acordo com os acordos de Paris (COP21) e Glasgow (COP26), a tecnologia de propulsão de transporte precisa reduzir rapidamente o CO2. Para isso, precisamos de uma solução eficaz, mas não há uma que forneça todas as respostas. Uma combinação de diferentes soluções pode realmente ajudar a mitigar os problemas de forma mais eficaz. Isso inclui motores de combustão a hidrogênio, que exigem mudanças mínimas na arquitetura atual dos veículos.

Como uma opção lógica e altamente eficiente, os HICEs estão ganhando muita tração e avanço. Recentemente, pesquisadores da Universidade de Alberta desenvolveram um novo material de revestimento que parece promissor para motores de combustão a hidrogênio. A nova liga concentrada complexa, AlCrTiVNi5, possui propriedades termomecânicas superiores, incluindo baixa expansão, alta estabilidade, tolerância à fratura e capacidade de suportar altas temperaturas bem como ambientes de alta pressão.

Comparando o novo revestimento com ligas comercialmente disponíveis, os pesquisadores descobriram que o AlCrTiVNi5 sobrevive a “ambientes corrosivos por até 100 horas a 900 graus Celsius” e “supera tudo o que há no mercado atualmente”, abrindo assim caminho para o avanço da economia do hidrogênio.

No início deste mês, a Toyota também anunciou que, em um esforço para tornar a combustão de hidrogênio viável, criou um motor de combustão interna que pode funcionar com combustível sintético, biodiesel, gasolina e hidrogênio. Para isso, os engenheiros usaram um motor de 1,6 litros do carro de corrida GR Corolla, o que ajudou a empresa a superar o desafio de equilibrar a eficiência térmica. Seus novos motores são de 10% a 20% menores, mas mais potentes.

De acordo com o CEO da Toyota, Koji Sato, o hidrogênio é o futuro, e a empresa está:

“Desenvolvendo este motor como parte de seus esforços para alcançar a neutralidade de carbono e promover o uso do hidrogênio como fonte de energia limpa e renovável.”

Esse desenvolvimento em torno do hidrogênio está acontecendo em todo o mundo. No final do ano passado, a maior empresa automobilística da Índia, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), revelou instalações de P&D que incluem uma célula de teste de motor para o desenvolvimento de HICEs, bem como a infraestrutura para armazenamento e distribuição de combustível de hidrogênio.

Este ano, a Tata colaborou com a gigante americana Cummins para uma instalação de fabricação na Índia de HICEs para veículos comerciais médios e pesados. Isso vem após a joint venture anunciada no ano passado, que iria gastar $424 mln na fábrica para produzir 4.000 motores H2 por ano e 10.000 sistemas de bateria.

Empresas que Desenvolvem Motores de Combustão a Hidrogênio

Agora, vamos dar uma olhada em alguns grandes nomes do setor: 

#1. Honda

Esse fabricante de automóveis tem se envolvido ativamente em motores de combustão a hidrogênio por meio de um projeto colaborativo chamado HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) com Toyota, Yamaha, Kawasaki e Suzuki para explorar o potencial dos HICEs. Inicialmente cético quanto à viabilidade da tecnologia, a Honda desenvolveu o ‘HySE-X1’, que apresenta um motor a hidrogênio de quatro cilindros de 1,6 litros. 

Honda é uma empresa com capitalização de mercado de $56.188bln, cujas ações estão atualmente negociando a $31.93, alta de 3.25% YTD. A receita da empresa (TTM) tem sido de $130bln, EPS (TTM) de 7.37, P/E (TTM) de 4.33 e rendimento de dividendos de 4.19%.

#2. Toyota

Esse fabricante automotivo baseado no Japão tem usado hidrogênio como combustível há muitas décadas. Seus veículos de combustão a hidrogênio incluem o GR Corolla H2 e o GR Yaris H2. A Toyota também participou das corridas de resistência Super Taikyu para acelerar o desenvolvimento de seus veículos. Apenas esta semana, a Toyota mostrou seus novos motores que podem funcionar com diferentes combustíveis, incluindo hidrogênio.

Toyota é uma empresa com capitalização de mercado de $314bln, cujas ações estão atualmente negociando a $198.86, alta de 8.53% YTD. A receita da empresa (TTM) tem sido de $287bln, EPS (TTM) de 24.18, P/E (TTM) de 8.22 e rendimento de dividendos de 2.45%.

Conclusão

É claro que os motores de combustão a hidrogênio oferecem grandes benefícios em termos de redução do impacto ambiental, dependência da infraestrutura existente e alta eficiência térmica. Mas, é claro, os HICEs sozinhos não conseguirão proporcionar transporte sustentável. Em vez disso, por meio de uma combinação de soluções, podemos alcançar um ambiente mais seguro. Nessa combinação, porém, os HICEs podem desempenhar um papel crucial e ajudar na transição dos combustíveis fósseis. 

Agora, após décadas de potencial não realizado, os veículos movidos a hidrogênio podem finalmente estar em destaque graças ao interesse renovado, investimentos privados, apoio governamental e avanços tecnológicos. 

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