As Células de Combustível de Hidrogênio são o Futuro dos Veículos Elétricos?

A adoção de veículos elétricos a bateria (BEVs) na América do Norte parece ter encontrado um obstáculo.  Com valores de revenda baixos, custos de reparo elevados e infraestrutura deficiente, as vendas desaceleraram – marcadamente.  Houve até reversões de decisão por grandes empresas de aluguel como a Hertz, que decidiu desfazer uma grande parte dos EVs em sua frota, retornando aos seus equivalentes de motor de combustão interna (ICE).

Embora isso possa ser verdade, seria insano pensar que a transição de algo tão onipresente quanto o ICE ocorreria sem problemas.  Sempre haveria contratempos e sempre surgiriam questões válidas ao longo do caminho sobre os méritos dos EVs.

The bottom line is that the shift toward EVs isn’t just a desire by the few; it is a need by the many in the fight against climate change.  However, if the current generation of EVs isn’t up to the task, what other options do we have?  For many, the answer is one that has been mulled over for many years now and has recently seen critical advancements – Hydrogen Electric Vehicles (HEVs).

Melhorando a Durabilidade das Células de Combustível de Hidrogênio

Em um estudo¹, uma equipe de pesquisa conjunta composta por cientistas de Harvard e da Universidade Nacional de Incheon detalhou uma nova abordagem para construir células de combustível de hidrogênio que resultaria em maior durabilidade e vida útil.

Mais especificamente, o estudo observou o desenvolvimento de uma “categoria de membranas eletrolíticas resistentes à fadiga, consistindo em uma rede interpenetrante de Nafion e perfluoropolieter (PFPE).” Quando utilizada, foi observado que a fadiga típica, que se apresenta como fraturas de tensão que ocorrem durante o uso regular das células de combustível, poderia ser significativamente reduzida.

Ao incorporar o material nas membranas eletrolíticas dentro de uma célula de combustível, o estudo mostrou que ele elevou o “…limiar de fadiga em 175% e estende a vida útil da célula de combustível em 1,7 vezes. Além disso, a membrana Nafion não modificada apresenta uma vida útil de 242 horas, enquanto a membrana compósita foi observada com uma vida útil de 410 horas.”

Embora a equipe tenha observado que a introdução deste material degradou ligeiramente o desempenho das células de combustível, a impressionante melhoria na durabilidade/longividade é claramente um trade‑off que vale a pena.  Avançando, se as células de combustível de hidrogênio devem substituir seus equivalentes de pacotes de bateria no setor de EVs, esses são os tipos de avanços que precisam ser feitos.  No entanto, é importante lembrar que a melhor tecnologia nem sempre prevalece.  A vantagem do pioneiro é real, e os EVs alimentados por bateria estão claramente à frente, apesar de uma recente queda no mercado.

O que são Veículos Elétricos a Hidrogênio (HEVs)?

Um veículo elétrico é aquele que depende de motores alimentados por eletricidade ao invés de um motor alimentado por combustível combustível.  Atualmente, a esmagadora maioria dos veículos elétricos utiliza pacotes de bateria pesados para armazenar e fornecer a eletricidade que alimenta esses motores.  Como mencionado, há outra abordagem para EVs que parece estar ganhando tração – células de combustível de hidrogênio.

Nos Veículos Elétricos a Hidrogênio (HEVs), às vezes chamados de Veículos Elétricos de Célula de Combustível (FCEVs), a eletricidade necessária para alimentar o(s) motor(es) é fornecida por meio de uma reação eletroquímica que faz com que o hidrogênio, armazenado como líquido ou gás comprimido, seja dividido em prótons e elétrons.  O processo completo funciona da seguinte maneira:

1. O hidrogênio armazenado em um tanque de alta pressão é liberado sob demanda para uma célula de combustível.
2. O hidrogênio introduzido na célula de combustível é dividido em prótons e elétrons.
3. Os elétrons são usados para alimentar os motores, que então acionam as rodas.
4. Os prótons combinam-se com o oxigênio do ar, produzindo dois subprodutos: calor e vapor d’água.

Curiosamente, alguns poucos HEVs híbridos utilizam um pacote de bateria menor para capturar energia perdida por frenagem regenerativa, combinando o melhor dos dois mundos.

Qual é o Atrativo do Hidrogênio?

Os atrativos dos HEVs são variados, mas substanciais, assim como os dos EVs alimentados por bateria.  Portanto, embora as variantes alimentadas por bateria atualmente dominem o mercado, elas não foram, de forma alguma, declaradas a abordagem vencedora.  Na verdade, cada um dos fatores a seguir aponta que os HEVs são superiores de alguma forma.

Geração e Armazenamento: Os pacotes de bateria tipicamente compreendem materiais obtidos por grandes operações de mineração invasivas que causam devastação ao planeta, minando a premissa de que seu uso é benéfico para o meio ambiente.  O hidrogênio, por outro lado, pode ser capturado por meios como eletrólise sustentável e potencialmente reservas naturais.

Além disso, o hidrogênio pode ser facilmente comprimido em líquido e transportado sem problemas em grandes quantidades.  Não requer linhas de transmissão a partir do ponto de criação, tornando o processo mais flexível.

Desempenho: Do ponto de vista de desempenho, não há grande diferença entre HEVs e BEVs.  Ambos os tipos de veículos utilizam motores para alimentar suas rodas motrizes, o que significa que ambos se beneficiarão do torque instantâneo e da potência sinônimos da tecnologia.

Emissões: No quesito emissões, o hidrogênio é, argumentavelmente, melhor.  Embora seja tecnicamente um emissor secundário, isso envolve apenas vapor d’água saindo do escapamento.  Enquanto isso, os BEVs não têm emissões.  Onde o hidrogênio se destaca é no processo de fabricação, já que os pacotes de bateria que ele substitui requerem mineração extensiva, danificando o planeta no processo.

Abastecimento: O abastecimento é um dos maiores atrativos do hidrogênio, pois é um fator que os usuários finais lidarão diretamente de forma regular.  Enquanto os BEVs tipicamente requerem longos tempos de carregamento e infraestrutura especializada, os HEVs podem reabastecer tão rapidamente quanto um veículo a gasolina/diesel comum.

Autonomia: Embora a tecnologia de baterias esteja melhorando, para que um BEV ostente a mesma autonomia que um ICE tradicional, é necessário um pacote de bateria massivo.  Isso resulta em tempos de carregamento mais longos, maior pegada ambiental e perdas de eficiência devido ao peso.  O hidrogênio, por outro lado, oferece autonomias tipicamente equivalentes aos ICE, eliminando totalmente a ansiedade de autonomia.

Climas Frios: Parte da ansiedade de autonomia que aflige os proprietários de BEV decorre da região.  Poucos lugares apresentam condições climáticas ideais para um BEV, resultando em redução drástica da autonomia para muitos clientes.  Enquanto o hidrogênio perde alguma autonomia em clima frio, não é tão dramático, tornando-o uma opção mais atraente para muitos.

Como pode ver, há várias áreas críticas nas quais os HEVs podem superar suas variantes de pacotes de bateria.  Onde eles começam a ficar atrás está na complexidade, na necessidade de adaptar a infraestrutura de abastecimento existente e no potencial advento das baterias de estado sólido.

Empresas do Setor que Desenvolvem Soluções de Hidrogênio

A indústria de EVs pode estar enfrentando alguns obstáculos no caminho agora, mas permanece claro que eles são o futuro do transporte.  O que não está tão claro é que forma os EVs terão.  Serão alimentados por bateria? Ou dependerão de células de combustível de hidrogênio?  O par de empresas a seguir está apostando no último e já começou a planejar um futuro assim.

*Os números fornecidos abaixo estavam corretos no momento da escrita e estão sujeitos a alterações.  Qualquer investidor potencial deve verificar as métricas*

1. Toyota

Como a maior montadora do mundo, não é surpresa que a Toyota tenha se aventurado no domínio dos HEVs.  Curiosamente, embora a empresa esteja desenvolvendo ativamente soluções de bateria de estado sólido, a Toyota tem se oposto aos EVs a bateria atuais.  Em vez disso, a Toyota deixou claro que acredita que um futuro mais brilhante está nos HEVs e até mesmo em motores de combustão de hidrogênio.

Notavelmente, a Toyota começou a desenvolver a tecnologia HEV em 1992, culminando no lançamento do ‘Mirai’ – um sedã que oferece reabastecimento em 5 minutos, 650 km de autonomia e zero emissões nocivas.

2. Plug Power

PLUG Gráfico de preços

A Plug Power Inc. (PLUG ), fundada em 1997 e com sede em Latham, Nova York, continua sendo um ator chave no avanço da tecnologia de células de combustível de hidrogênio.  Notavelmente, a Plug Power não se concentra apenas em carros e caminhões; a empresa projeta e fabrica tais sistemas para instalações menores que utilizam motores elétricos.

Nos últimos anos, a Plug Power expandiu seu foco além das células de combustível para manuseio de materiais e começou a mirar mercados mais amplos.  Isso inclui sistemas de energia estacionária, frotas de veículos de entrega e até potenciais aplicações na aviação.  As aquisições estratégicas da empresa, como a da United Hydrogen e da Giner ELX, fortaleceram ainda mais sua posição na economia do hidrogênio ao aprimorar suas capacidades de geração, liquefação e distribuição de hidrogênio.

Palavra Final

Com os EVs a bateria tropeçando, mais foco está sendo colocado em alternativas potenciais.  No momento, as soluções de hidrogênio estão na vanguarda, e embora possa ser fácil descartar a tecnologia à primeira vista, lembre‑se de que não é apenas a Toyota que impulsiona o hidrogênio.  Parcerias e desenvolvimento de soluções de hidrogênio envolvendo empresas como Honda, GM, Hyundai e outras já existem.

Com o acesso crescente ao hidrogênio de origem sustentável aumentando a cada dia, o futuro dos EVs pode parecer um pouco diferente do que muitos imaginam.

Estudos Referenciados:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Membranas Eletrolíticas Resistentes à Fadiga para Células de Combustível de Membrana Polimérica Duráveis. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}