Como funcionam os carros a hidrogênio

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Visitantes assistem ao Honda FCX Clarity no salão do automóvel Auto China 2008 em Pequim, em 20 de abril de 2008. AP Photo / Oded Balilty

O carro do futuro está aqui hoje. Claro, você ainda não pode comprar um; mas se você mora na Califórnia, pode alugar um. Não usa gasolina e não polui o ar. Na verdade, ele produz vapor em vez de exaustão. Então, qual é o combustível misterioso? Hidrogênio - o elemento mais simples e abundante do universo. E algumas pessoas pensam que em 20 a 30 anos, estaremos todos dirigindo esses veículos movidos a hidrogênio e com baixo consumo de combustível.

Embora os carros movidos a hidrogênio tenham uma qualidade de ficção científica, a ideia não é realmente nova. Na verdade, a tecnologia para usar hidrogênio para gerar energia existe desde a primeira parte do século 19 - é mais do que os carros existem. A novidade é que você pode realmente ver um carro movido a hidrogênio na estrada, com vapor saindo do cano de escapamento em vez de gases malcheirosos. Vários carros a hidrogênio já existem, mas a maioria deles são carros-conceito. Essas máquinas de direção ecologicamente corretas incluem o Chevrolet Equinox, o BMW 745h e o que está atualmente disponível para locação na Califórnia, o Honda FCX.

O que torna possível um carro a hidrogênio é um dispositivo chamado célula de combustível, que converte hidrogênio em eletricidade, liberando apenas calor e água como subprodutos. Por não ser poluente, o hidrogênio parece o combustível ideal para o século XXI. Muitas pessoas no governo e na indústria automobilística estão entusiasmadas com seu potencial. Os carros a hidrogênio têm potencial para economizar combustível e oferecem a esperança de uma direção ecológica e ecológica. Mas ainda existem muitos problemas que precisam ser superados e questões que precisam ser respondidas antes que o hidrogênio se torne o combustível de escolha para um número suficiente de pessoas para fazer muita diferença em nosso uso atual de combustíveis fósseis. Por exemplo, de onde obteremos o hidrogênio? Quanto custará a compra desses carros com baixo consumo de combustível? Você conseguirá encontrar uma estação de abastecimento de hidrogênio para reabastecer seu tanque? E, talvez o mais importante, como combustível, o hidrogênio é realmente tão não poluente quanto parece?

Veremos essas questões nas páginas a seguir, mas podemos dar uma resposta rápida agora: A menos que você more em partes muito específicas do país e tenha bolsos cheios de dinheiro, não espere um carro a hidrogênio em sua garagem na próxima década.

Conteúdo
  1. Células de combustível de hidrogênio
  2. Produção de carros a hidrogênio
  3. Dificuldades com carros a hidrogênio
Um ônibus movido a célula de combustível de hidrogênio sai do Centro de Convenções de Connecticut em Hartford, Connecticut, para um passeio de demonstração. AP Photo / Bob Child

Em 1839, o cientista galês Sir William Robert Grove pegou o conhecido processo eletroquímico da eletrólise, que usa eletricidade para produzir hidrogênio a partir da água, e o inverteu, gerando eletricidade e água a partir do hidrogênio. Ele chamou sua invenção de bateria voltaica de gás, mas hoje a conhecemos como uma célula de combustível de hidrogênio. Muito mais tarde, em meados do século 20, a tecnologia foi desenvolvida pelo inventor Francis Bacon. A tecnologia que esses dois inventores desenvolveram é essencial para o funcionamento de um carro a hidrogênio.

O primeiro sistema de célula de combustível prático foi desenvolvido no início dos anos 1960 pela General Electric para uso em cápsulas espaciais orbitais. E então, na década de 1990, as células de combustível começaram a aparecer nos ônibus urbanos. portanto, sabemos que alimentar veículos com células de combustível é viável. Você pode pensar em uma célula de combustível como um tipo de bateria, exceto que, embora a bateria mantenha seu combustível dentro de si, uma célula de combustível precisa ser recarregada. O combustível para uma célula de combustível de hidrogênio é, como o nome sugere, hidrogênio. Como você deve se lembrar das aulas de química do ensino médio, o hidrogênio é o mais simples de todos os elementos. Um átomo de hidrogênio consiste em um único elétron e um único próton. A célula de combustível gera eletricidade removendo os elétrons dos prótons e usando os elétrons para criar um fluxo puro de eletricidade. Os átomos de hidrogênio ionizados então se combinam com o oxigênio para formar água. O outro subproduto desse processo é o calor, então essa água geralmente assume a forma de vapor. Que tal uma direção ecológica?

O tipo de célula a combustível usada em carros é a célula a combustível de membrana de troca de polímero (ou PEM). As células a combustível PEM têm a vantagem de serem leves e pequenas. Eles consistem em dois eletrodos (um ânodo com carga negativa e um cátodo com carga positiva), um catalisador e uma membrana. O hidrogênio é forçado a entrar na célula de combustível no ânodo na forma de moléculas de H2, cada uma contendo dois átomos de hidrogênio. Um catalisador no ânodo quebra as moléculas em íons de hidrogênio (os prótons) e um fluxo de eletricidade (os elétrons). Os íons passam pela membrana, mas a eletricidade precisa circular. Enquanto está fazendo isso, ele pode ser aproveitado para fazer o trabalho. Assim como o hidrogênio é forçado a entrar na célula de combustível no ânodo, o oxigênio é forçado a entrar no cátodo. Os prótons e elétrons se reúnem no cátodo e se juntam ao oxigênio para formar água, a maior parte da qual se torna o escapamento da célula de combustível. As células de combustível são projetadas para serem planas e finas, principalmente para que possam ser empilhadas. Quanto mais células de combustível na pilha, maior será a voltagem da eletricidade que a pilha produz.

Muitas pessoas pensam que veículos com baixo consumo de combustível, como carros movidos a hidrogênio, serão cruciais para atender às demandas de energia do século 21. Em 2003, o presidente George W. Bush anunciou uma Iniciativa Freedom Fuel de US $ 1,2 bilhão em apoio ao desenvolvimento da tecnologia de células de combustível. As células de combustível têm duas vantagens principais sobre os combustíveis fósseis. Primeiro, eles não esgotam o suprimento finito de petróleo do mundo, o que nos ajuda a preservar os suprimentos existentes e também podem reduzir nossa dependência do petróleo estrangeiro. Em segundo lugar, o único subproduto da operação de uma célula de combustível é o calor e a água, o que significa que as células de combustível não produzem poluição. Isso é de vital importância em um momento em que se acredita que as emissões de carbono dos carros estão promovendo o aquecimento global.

Na próxima página, veremos como os carros a hidrogênio e as células de combustível são produzidos. E talvez mais importante, vamos olhar de onde o próprio hidrogênio virá.

A Terra tem bastante hidrogênio disponível na forma de água; entretanto, separar, coletar e armazenar pode ser bastante difícil. AP Photo / NASA

Então, como os fabricantes realmente constroem veículos com baixo consumo de combustível, como carros com células de combustível? Bem, a produção de carros a hidrogênio não é muito diferente da produção de carros típicos. Claro, o trem de força, por exemplo, e os sistemas elétricos serão um tanto únicos porque uma célula de combustível cria eletricidade. Portanto, um carro movido a hidrogênio e um carro elétrico têm muito em comum nesse aspecto. Talvez uma questão mais importante seja como o próprio hidrogênio será produzido. Dado que o hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, constituindo cerca de 90% dos átomos existentes, você pensaria que isso não seria um problema. Bem, pense novamente. O hidrogênio também é o elemento mais leve do universo e qualquer hidrogênio não contido na superfície da Terra flutuará imediatamente para o espaço sideral. O que resta de hidrogênio neste planeta está ligado a outros elementos na forma molecular, mais comumente em moléculas de água (H2O). E acontece que há muito H2O na superfície da Terra.

Mas como separamos as moléculas de hidrogênio na água das moléculas de oxigênio? E se não usarmos água como fonte de hidrogênio, onde mais podemos obter hidrogênio?

A maneira mais simples de obter hidrogênio da água é aquela que Sir William Grove conhecia há mais de 150 anos: a eletrólise. Se você passar uma corrente elétrica pela água, as moléculas de H2O se quebram. Semelhante à operação de célula de combustível, esse processo usa um ânodo e um cátodo, geralmente feitos de metais inertes. Quando uma corrente elétrica é aplicada à água, o hidrogênio se forma no cátodo e o oxigênio no ânodo. Embora este processo seja lento, pode ser feito em grande escala.

Uma fonte alternativa de hidrogênio é o gás natural, que consiste em hidrocarbonetos naturais. Um processo chamado reforma a vapor pode ser usado para separar o hidrogênio do gás do carbono. Atualmente, este é o método mais comum de produção em escala industrial de hidrogênio e provavelmente seria o primeiro método usado para produzir o hidrogênio para veículos com células de combustível. Infelizmente, esse processo usa combustíveis fósseis - o gás natural - então, se o objetivo de construir carros movidos a hidrogênio é evitar o esgotamento das reservas de combustível fóssil, o gás natural seria a pior fonte possível desse combustível.

Alguns especialistas sugeriram que pode ser possível construir usinas de hidrogênio em miniatura que cabem na garagem de uma pessoa comum, de forma que nem mesmo seja necessário dirigir até o posto de abastecimento local para encher o tanque de hidrogênio do carro. A forma mais extremada dessa ideia foi a sugestão de que a eletrólise pudesse ser realizada dentro do próprio carro, o que tornaria possível a ideia surpreendente de um carro que funciona sobre a água! No entanto, a energia para a eletrólise tem que vir de algum tipo de bateria, então um carro movido a água precisaria ser recarregado periodicamente.

Então, as máquinas de direção verdes, como os veículos equipados com células de combustível, são realmente os carros do futuro? Muitas pessoas esperam que sim, mas existem vários obstáculos potenciais no caminho para um mundo onde as pessoas se locomovem em carros movidos a hidrogênio. Veremos eles na próxima página.

Veículos movidos a hidrogênio da Daimler, Volkswagen e BMW fazem um cruzeiro em uma rodovia de Nova York. Os carros faziam parte de um Hydrogen Road Tour de 31 cidades que também inclui veículos movidos a hidrogênio da GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan e Toyota. AP Photo / Richard Drew

Muitas pessoas acreditam que as células de combustível de hidrogênio são a tecnologia de combustível alternativo mais importante atualmente em desenvolvimento. Não é, entretanto, sem problemas, e pode levar décadas até que a tecnologia de células de combustível seja amplamente utilizada. Podemos agrupar os problemas do hidrogênio em três categorias: os custos de desenvolvimento da tecnologia, as dificuldades e perigos do armazenamento do hidrogênio e a possibilidade de que essa "tecnologia não poluente" não seja tão não poluente assim. Aqui estão alguns dos contratempos dos carros movidos a hidrogênio com os quais podemos esperar lidar em um futuro próximo.

Os custos de desenvolvimento da tecnologia do hidrogênio são altos. Não apenas temos que projetar e desenvolver as células de combustível e os carros, mas temos que desenvolver uma infraestrutura para apoiar esses veículos eficientes em termos de combustível. Imagine se você atualmente tivesse um carro movido a hidrogênio. Onde você iria para encher seu tanque? Supondo que você não tenha uma instalação de produção de hidrogênio em sua garagem, você precisará de um posto de reabastecimento de hidrogênio, e o único lugar onde existe um número significativo de tais postos no momento é no estado da Califórnia, onde o governador Arnold Schwarzenegger tem comprometida em apoiar um futuro de hidrogênio. Algumas das estimativas mais pessimistas colocaram o custo de construção de uma infraestrutura que permitirá a um número significativo de carros a hidrogênio chegar a US $ 500 bilhões - e o tempo para produzir a infraestrutura em quatro décadas!

O custo dos carros também é alto. Com a platina como o catalisador mais amplamente usado nas células de combustível, o preço de um único veículo com célula de combustível é atualmente superior a US $ 100.000 e talvez consideravelmente mais, razão pela qual os únicos carros a hidrogênio disponíveis para você dirigir no momento são para aluguel , não está a venda. Poucas pessoas têm condições de comprar um carro tão caro. Outros catalisadores estão sendo desenvolvidos que provavelmente serão mais baratos do que a platina, mas ninguém sabe quando estarão disponíveis para uso em larga escala.

O problema de armazenamento também é espinhoso. O hidrogênio é um gás e gosta de se espalhar. Colocá-lo em um carro significa comprimi-lo até um tamanho razoável, o que não é fácil. Além disso, o hidrogênio se aquece enquanto está no tanque de um carro estacionado, o que faz com que o gás se expanda. Isso significa que os tanques precisam liberar o hidrogênio periodicamente do carro. Deixe um carro movido a hidrogênio parado por mais alguns dias e todo o combustível terá acabado. O hidrogênio também é altamente inflamável - a espetacular explosão do dirigível Hindenburg na década de 1930 é considerada por alguns como resultado de um incêndio de hidrogênio - então, se o hidrogênio sair do tanque, tem o potencial de ser perigoso . Felizmente, os incêndios de hidrogênio não são tão intensos quanto os de gasolina e têm menos probabilidade de iniciar incêndios secundários. E porque o hidrogênio sobe, a maior parte do hidrogênio que escapou irá flutuar antes que possa realmente causar algum dano.

E o hidrogênio é realmente não poluente? Uma célula de combustível produz apenas calor e água como exaustão, mas os processos usados ​​para criar o hidrogênio não são necessariamente tão limpos. A eletrólise usa eletricidade e essa eletricidade geralmente virá de usinas que queimam carvão, uma fonte altamente poluente. E quando o hidrogênio é extraído do gás natural, ele produz emissões de carbono, que é exatamente o que estamos tentando evitar usando o hidrogênio em primeiro lugar.

Muitas pessoas pensam que superaremos esses obstáculos um dia, mas será difícil. Outros acreditam que nossa melhor aposta para eficiência de combustível e direção ecológica em um futuro próximo não está no hidrogênio, mas em veículos elétricos híbridos, como o Toyota Prius, o híbrido Ford Fusion e outros carros híbridos semelhantes. Ainda assim, é possível que nas próximas décadas você tenha um carro com célula de combustível a hidrogênio.

Para mais informações sobre combustíveis alternativos, carros híbridos e outros tópicos relacionados, siga os links da próxima página.

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Fontes

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  • Berger, Michael. "A nanotecnologia pode limpar o segredinho sujo do carro a hidrogênio." Nanowerk. 19 de julho de 2007. (21 de abril de 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
  • ScienceDaily. "Carros de hidrogênio? Protótipo de tanque de armazenamento de hidrogênio mantém durabilidade térmica estendida." 10 de junho de 2008. (21 de abril de 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
  • ScienceDaily. "Carros movidos a hidrogênio não são a melhor maneira de reduzir a poluição, os gases do efeito estufa e a dependência do petróleo." 18 de julho de 2003. (21 de abril de 2009) http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
  • Squatriglia, Chuck. "Os carros a hidrogênio chegaram. Agora só precisamos de uma infraestrutura de abastecimento." Com fio. 12 de março de 2008. (21 de abril de 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
  • Squatriglia, Chuck. "Nós dirigimos o veículo com célula de combustível de hidrogênio Chevrolet Equinox." Com fio. 11 de março de 2008. (21 de abril de 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
  • Wrigglesworth, Phil. "O carro do futuro perpétuo." O economista. 4 de setembro de 2008. (21 de abril de 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229



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