Veículos a Hidrogênio podem representar o futuro dos transportes – Existem motivos para preocupações de segurança?

Veículos a hidrogênio ou veículos alimentados por células de combustível de hidrogênio surgiram como um fenômeno desde 2015. Embora seja cedo demais para prever o futuro dos veículos a hidrogênio, não há como negar que o interesse neles tem sido palpável, embora flutuante. 

Entre 2022 e 2023, o número de veículos elétricos de célula de combustível alimentados por hidrogênio registrou uma queda, de 20.704 para 14.451. Uma queda anual não é suficiente para estabelecer uma tendência no interesse dos consumidores por veículos a hidrogênio. Mas há discussões em ambos os lados. Embora existam muitas vantagens de um veículo a hidrogênio, também há muitas discussões sobre quão seguro um veículo a hidrogênio é. Nos segmentos a seguir, analisaremos ambos os aspectos dos veículos a hidrogênio. 

A Singularidade dos Veículos a Hidrogênio

Apesar de ser um VE, os veículos a hidrogênio não precisam de baterias integradas. Eles possuem sua própria usina a bordo, capaz de converter o hidrogênio do tanque de combustível em eletricidade. Os carros a hidrogênio circulam com zero emissões locais. 

No entanto, a maior vantagem que oferece – até agora – é o curto tempo de reabastecimento. Ao contrário de outros veículos elétricos, o abastecimento dos veículos a hidrogênio não depende do modelo do veículo ou da infraestrutura. Ele possui um longo armazenamento de energia, e sua autonomia não depende da temperatura externa, eliminando a deterioração em clima frio. 

O hidrogênio também é uma forma altamente eficiente de armazenar e transportar energia renovável, e sua adoção ajuda a reduzir custos a longo prazo. 

Embora os benefícios estejam disponíveis para todos, alguns estudos apontam também para seu potencial de risco e dano. Hoje analisaremos especificamente um caso onde uma equipe da TU Graz analisou o risco e o potencial de dano dos veículos a hidrogênio em túneis. O estudo também fez algumas recomendações. 

O Risco e Potencial de Dano dos Veículos a Hidrogênio: Como Minimizar os Riscos

No âmbito do projeto HyTRA, a Universidade Técnica de Graz investigou vários aspectos que podem ser arriscados. O estudo avaliou possíveis tipos de incidentes, perigos para as pessoas e a estrutura do túnel, e recomendou medidas que poderiam ser adotadas para minimizar esses riscos.

Embora os pesquisadores tenham determinado que a probabilidade de acidentes envolvendo veículos alimentados por hidrogênio em um túnel seja baixa, a alta densidade energética do hidrogênio e sua pressão de armazenamento substancial tornam esses FCEVs alimentados por hidrogênio um risco significativo de danos extensos.

O armazenamento de hidrogênio em tanques de carro a uma pressão de 700 bar pode levar à liberação rápida de uma grande quantidade de energia. Se incendiado, o hidrogênio pode queimar a temperaturas superiores a 2.000 graus Celsius. Os fabricantes projetam os tanques de combustível para serem robustos e bem protegidos contra impactos mecânicos; porém, eles são insuficientes em situações como colisões traseiras com caminhões grandes.

Existem, em linhas gerais, três cenários perigosos que podem surgir como resultado de tal colisão.

No primeiro caso, o dispositivo de alívio de pressão térmica (TPRD) pode ser ativado quando a pressão aumenta devido a um impacto térmico, liberando hidrogênio do tanque em um jato controlado. Esse mecanismo ajuda a manter a pressão em um nível seguro, evitando a ruptura do tanque. No entanto, isso ainda pode representar perigo se o hidrogênio liberado se misturar ao ar e inflamar. Ainda assim, a zona de perigo permaneceria confinada.

Esse cenário piora se o Dispositivo de Alívio de Pressão Térmica falhar, podendo levar à explosão do tanque. A onda de choque resultante poderia se propagar por todo o túnel. O risco de morte se estenderia até aproximadamente 30 metros, enquanto a probabilidade de lesões internas graves se estenderia até 300 metros. Mais distante, ainda existe o risco de ruptura de tímpanos.

No terceiro cenário, o menos provável de todos, o hidrogênio é liberado primeiro sem inflamar. Sendo o elemento mais leve da tabela periódica, o gás sobe e se acumula como uma nuvem sob o teto do túnel. Se houver uma fonte de ignição, como lâmpadas quentes ou um impulso elétrico, isso pode desencadear uma explosão da nuvem de hidrogênio, gerando uma onda de choque significativa.

Os investigadores do cenário de risco propuseram uma série de estratégias de mitigação. A equipe sugeriu a implementação de limites de velocidade mais rigorosos, monitorados por controle de seção. Também recomendaram estratégias precisas de controle de distância, apoiadas por um mecanismo de sinalização robusto para alertar os motoristas quando estavam seguindo muito de perto.

Ao discutir os riscos e o potencial de dano dos veículos a hidrogênio, a equipe da TU Graz não esqueceu de mencionar o contexto em que operam e como seu risco e potencial de dano são medidos.

“Os tanques modernos de hidrogênio são construídos tão seguramente que muito precisa dar errado para que o hidrogênio escape.”

– Daniel Fruhwirt, Instituto de Termodinâmica e Sistemas de Propulsão Sustentável da TU Graz

O Impulso para Veículos a Hidrogênio

Pesquisadores preveem um aumento significativo na adoção de veículos a hidrogênio nos próximos anos. Pesquisadores e analistas da indústria estimam que o número de veículos a hidrogênio em serviço globalmente ultrapassará um milhão em 2027, subindo de pouco mais de 60.000 em 2022, representando um aumento de mais de 1.500%. Espera‑se que o mercado de consumo seja o segmento líder no espaço dos veículos a hidrogênio, representando mais de 60% até 2027.

Existem iniciativas governamentais que promovem veículos de célula de combustível. Por exemplo, o Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável, uma unidade do Departamento de Energia, lançou o Missão do H2USA: 

“A missão do H2USA é promover a introdução e a adoção generalizada de veículos elétricos de célula de combustível em toda a América. Os membros incluem agências federais, a associação comercial de células de combustível, montadoras, fornecedores de hidrogênio, desenvolvedores de células de combustível, laboratórios nacionais e outras partes interessadas. A colaboração fornece uma plataforma para os Estados Unidos semelhante às colaborações público‑privadas em outros países focadas em hidrogênio, particularmente Alemanha, Japão e Reino Unido.”

Segundo relatos, o H2USA tem mais de 30 participantes atualmente. 

Além das iniciativas governamentais, há muitas pesquisas de aprimoramento de desempenho em andamento que ajudam a gerar interesse e confiança entre os consumidores potenciais de veículos de célula de combustível a hidrogênio. 

Por exemplo, um estudo recente conduzido por uma equipe de pesquisadores da Harvard e da Universidade Nacional de Incheon desenvolveu uma abordagem para construir células de combustível que pontuam alto tanto em durabilidade quanto em vida útil. O estudo girou em torno do desenvolvimento de uma categoria de membranas eletrolíticas resistentes à fadiga, consistindo em uma rede interpenetrante de Nafion e perfluoropolieter (PFPE). A equipe observou uma leve degradação no desempenho da célula de combustível em troca de um ‘melhoria impressionante em durabilidade/longevidade.’

Outro desenvolvimento empolgante que tem sido particularmente encorajador para os fabricantes é a introdução de enzimas especializadas em poços de petróleo esgotados. Essas enzimas decompõem os hidrocarbonetos remanescentes em vários componentes, incluindo hidrogênio. Esse avanço pode fazer com que inúmeros poços de petróleo esgotados e abandonados ao redor do mundo se tornem fontes de um combustível mais sustentável a partir de suas profundezas — o hidrogênio.

O impulso para veículos a hidrogênio está alinhado com a visão de criar alternativas de transporte mais sustentáveis para o futuro, potencialmente ainda mais sustentáveis que os veículos elétricos (VEs). Isso ocorre porque os VEs não alcançam plenamente a sustentabilidade; seu potencial de emissão depende de como a eletricidade é gerada.

Muitas empresas estão desenvolvendo soluções de veículos a hidrogênio, antecipando que governos e autoridades de transporte favorecerão cada vez mais os veículos a hidrogênio em relação aos VEs no futuro. Nos segmentos a seguir, discutimos algumas dessas empresas.

#1. Plataforma Ultium e Cubos de Energia de Célula de Combustível HYDROTEC da General Motors

A tecnologia de célula de combustível GM Hydrotec afirma ser uma solução de energia de célula de combustível acessível para aplicações terrestres, aéreas e marítimas. Em 2021, a Wabtec Corporation (NYSE: WAB) e a General Motors (GM ) (NYSE: GM) anunciaram uma colaboração para desenvolver e comercializar a tecnologia de bateria Ultium da GM e os sistemas de célula de combustível a hidrogênio HYDROTEC para locomotivas da Wabtec.

Ao falar sobre o valor agregado que as soluções da GM trariam para a Wabtec, o CEO e presidente da Wabtec, Rafael Santana, disse o seguinte:

“Nosso locomotiva FLXdrive, a primeira locomotiva 100% alimentada por bateria do mundo, comprovou seu potencial de reduzir as emissões de carbono em até 30% ao operar com 6 MWh. Mas não podemos parar por aí. Ao trabalhar com a GM nas tecnologias de bateria Ultium e célula de combustível a hidrogênio HYDROTEC, podemos acelerar o caminho da indústria ferroviária para a descarbonização e para locomotivas de emissão zero, aproveitando essas duas importantes tecnologias de propulsão.”

A solução Hydrotec da GM oferece cubos de energia de célula de combustível compactos e fáceis de embalar para uma ampla gama de aplicações, incluindo locomotivas. Ultium é a tecnologia de bateria que acrescenta flexibilidade, eficiência, potência e confiabilidade que os trilhos necessitam.

Em 2021, a General Motors também firmou uma colaboração com a Liebherr-Aerospace para desenvolver um sistema demonstrador de geração de energia de célula de combustível a hidrogênio para aeronaves. No ano seguinte, a GM decidiu ir além do espaço de veículos e transporte automotivo com sua solução Hydrotec.

A empresa declarou seus planos de desenvolver múltiplos geradores de energia baseados em HYDROTEC alimentados pelos cubos de energia de célula de combustível HYDROTEC Geração 2 da GM. Estes incluem:

• Um Gerador de Energia Móvel (MPG) que oferece capacidades de carregamento rápido para VEs sem a necessidade de instalar pontos de carga permanentes.
• O carregador rápido EMPOWER que permite que postos de combustível varejistas adicionem carregamento DC rápido e acessível sem expandir a rede.
• Um MPG Paletizado para alimentar de forma silenciosa e eficiente acampamentos e instalações militares.

Para o ano fiscal de 2023, a GM reportou uma receita de US$ 171,8 bilhões, com lucro líquido atribuível aos acionistas ultrapassando US$ 10 bilhões e EBIT ajustado de US$ 12 bilhões.

#2. Cellcentric: Uma colaboração 50/50 entre Daimler e Volvo

Cellcentric, uma joint venture 50:50 entre o Volvo Group e a Daimler Truck (DTG.DE ) AG, tem como objetivo tornar‑se um fabricante global líder de células de combustível para ajudar o mundo a alcançar sua meta de introduzir transporte neutro e sustentável até 2050.

Em maio de 2024, a Cellcentric anunciou seu sistema de célula de combustível NextGen, uma solução personalizada para caminhões de longa distância na Europa e na América do Norte. O sistema é uma solução de pacote único altamente integrada, compacta e de baixo peso, que pode fornecer potência acima de 350 kW em seu desempenho máximo.

De acordo com as estimativas da Cellcentric, a solução deve oferecer economia de consumo de 20% em comparação com a geração BZA150. O sistema NextGen também ostenta um aumento de densidade de potência de 30% em relação à geração atual e uma redução de 40% no calor residual em carga máxima, graças ao seu design de sistema sofisticado e desempenho otimizado. A solução também reduz a necessidade de refrigeração, melhorando os níveis de adequação do produto. 

Para o ano completo de 2023, a Volvo aumentou suas vendas líquidas em quase SEK 80 bilhões, chegando a SEK 553 bilhões, e a receita operacional ajustada para SEK 77,6 bilhões (50,5), com margem operacional ajustada de 14,0% (10,7). A receita do Grupo Daimler aumentou 10% para um nível recorde de €55,9 bilhões em 2023.

O Futuro dos Veículos de Célula de Combustível a Hidrogênio

No geral, o futuro dos veículos a hidrogênio parece promissor, já que há uma crescente demanda global por soluções de transporte sustentáveis. Contudo, para se tornarem mais eficientes e seguros, fabricantes e pesquisadores de tecnologia precisarão trabalhar em todos os aspectos de um carro elétrico de célula de combustível a hidrogênio, incluindo o conjunto de células, o abastecedor de combustível, o tanque de combustível, o controlador e o sistema térmico. 

Esses veículos oferecem vários benefícios, incluindo torque instantâneo e recursos de potência suave e constante, baixos requisitos de manutenção, vantagens de reabastecimento rápido, zero emissões e mais. No entanto, os fabricantes precisarão trabalhar mais nos custos.

A aquisição de um carro de célula de combustível pode custar mais do que carros convencionais de tamanho comparável. Contudo, vários incentivos estão disponíveis em economias desenvolvidas, como um reembolso de US$ 4.500 (US$ 7.500 para compradores qualificados por renda) da Projeto de Reembolso de Veículos Limpos da Califórnia e outros. Enquanto esses incentivos impulsionariam a adoção e a visibilidade a curto prazo, o sucesso a longo prazo seria impulsionado apenas pelos padrões de segurança e desempenho oferecidos.

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