Do ponto de vista técnico, o seu funcionamento baseia-se na utilização do hidrogénio como combustível primário, sendo esta uma fonte de energia altamente eficiente e amiga do ambiente.
O hidrogênio é o elemento químico mais leve e abundante do universo. Seu alto conteúdo energético e sua capacidade de gerar energia elétrica por meio de processos de oxidação tornam-no uma opção atraente para propulsão de motores.
No contexto dos motores a hidrogénio, existem principalmente dois tipos de tecnologias: células de combustível a hidrogénio e motores de combustão interna a hidrogénio.
Células de combustível de hidrogênio
As células a combustível de hidrogênio são dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química do hidrogênio e do oxigênio em energia elétrica e água, sem gerar emissões poluentes. Essas baterias funcionam por meio de uma reação química entre o hidrogênio e o oxigênio do ar, na qual eletricidade, calor e água são produzidos como subprodutos.
Este processo é realizado numa estrutura composta por células individuais, onde cada célula contém um ânodo, um cátodo e um eletrólito. O hidrogênio entra em contato com o ânodo, enquanto o oxigênio do ar reage no cátodo, gerando elétrons que são direcionados por um circuito externo, produzindo eletricidade que alimenta o motor elétrico do veículo.
Os veículos que utilizam motores de célula de combustível de hidrogênio são considerados carros elétricos.
Comparação com veículos elétricos convencionais
Os carros elétricos a bateria armazenam eletricidade em uma bateria recarregável, que é carregada conectando-a a uma fonte externa de eletricidade, como um plugue ou estação de carregamento.
Por outro lado, os carros com células de combustível a hidrogénio não armazenam eletricidade diretamente numa bateria, mas produzem eletricidade a bordo a partir do hidrogénio armazenado no veículo, através da reação eletroquímica na célula de combustível.
Motores de combustão interna a hidrogênio
Por outro lado, os motores de combustão interna a hidrogénio funcionam de forma semelhante aos motores de combustão interna convencionais, mas em vez de utilizarem gasolina ou gasóleo como combustível, utilizam hidrogénio.
Esses motores queimam hidrogênio na presença de oxigênio no ar, gerando calor e expandindo os gases resultantes para acionar um pistão. Ao contrário dos motores de combustão convencionais, os motores a hidrogénio não emitem gases com efeito de estufa, uma vez que o único subproduto da reacção é a água.
Ciclo de Brayton
Os motores de combustão interna a hidrogênio usam um ciclo termodinâmico semelhante aos motores de combustão interna convencionais, como motores a gasolina ou diesel.
Este ciclo é conhecido como ciclo Brayton, também chamado de ciclo do gás ideal, e consiste em quatro processos principais: admissão, compressão, combustão/expansão e exaustão. No entanto, no caso dos motores a hidrogénio, ocorrem algumas diferenças significativas devido às propriedades únicas do hidrogénio como combustível.
- Admissão: Nesta primeira etapa, uma mistura de hidrogênio e ar é introduzida no cilindro do motor. Ao contrário dos motores a gasolina, onde o ar é misturado com um combustível líquido, nos motores a hidrogênio, o hidrogênio gasoso é injetado diretamente no cilindro. O hidrogênio é misturado ao ar em proporções adequadas para permitir uma combustão eficiente.
- Compressão: Depois que a mistura de hidrogênio e ar entra no cilindro, o pistão se move para cima, comprimindo a mistura. Esse processo aumenta a temperatura e a pressão dentro do cilindro, preparando a mistura para combustão.
- Combustão/Expansão: Nesta etapa, inicia-se a combustão do hidrogênio e do ar comprimido por meio de uma faísca gerada pelas velas do motor. A reação química entre o hidrogênio e o oxigênio do ar produz calor e expande os gases resultantes, empurrando o pistão para baixo e gerando energia mecânica. Ao contrário dos motores a gasolina, onde o dióxido de carbono e o vapor de água são produzidos como produtos de combustão, nos motores a hidrogénio o único produto de combustão é a água.
- Escape: Uma vez concluído o processo de expansão e o pistão atingiu seu ponto mais baixo, os gases de escape são expelidos do cilindro para o sistema de escapamento do veículo. Estes gases consistem principalmente em vapor de água, juntamente com pequenas quantidades de outros produtos de combustão, tais como óxidos de azoto (NOx) em quantidades muito baixas.
Armazenamento e distribuição de hidrogênio
Independentemente do tipo de tecnologia utilizada, o armazenamento e distribuição de hidrogénio são aspectos críticos a considerar na operação de um motor a hidrogénio. Como o hidrogênio é um gás altamente inflamável e de baixa densidade em sua forma natural, seu armazenamento e transporte requerem tecnologias específicas, como compressão ou criogenização.
Além disso, a infraestrutura de carregamento deve ser adequadamente desenvolvida para garantir um fornecimento eficiente e seguro de hidrogénio aos veículos equipados com este tipo de motor.
Eficiência energética
Em termos de eficiência, os motores a hidrogénio têm potencial para superar os motores convencionais de combustão interna e, em alguns casos, até mesmo os veículos eléctricos a bateria.
Isto acontece porque a energia específica do hidrogénio é consideravelmente superior à dos combustíveis fósseis, permitindo uma maior densidade energética e, portanto, uma autonomia de condução mais longa.