OPINIÃO: Frotas automóveis movidas a hidrogénio

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POR RICARDO SOUSA, ENGENHEIRO MECÂNICO. É COLABORADOR REGULAR DA FLEET MAGAZINE

Há muito que os maiores construtores automóveis procuram soluções alternativas aos motores alimentados por combustíveis fósseis.

Curiosamente, na origem do automóvel há vários modelos elétricos que não vingaram por questões de autonomia, peso elevado das baterias e tempo de carregamento, fatores que, apesar de todos os progressos tecnológicos, continuam a ser os principais desafios dos fabricantes automóveis mundiais.

Uma outra solução – carros movidos a células de combustível – é estudada mais intensivamente desde a crise do petróleo nos anos 70 do século passado, apesar do conceito “fuel cell” ser mais antigo do que as origens do próprio automóvel.

Vários construtores têm-se distinguido no desenvolvimento de veículos com motor Fuel Cell. Sobretudo no sector dos comerciais pesados, dado que é mais fácil a instalação de volumosos tanques para armazenamento de hidrogénio.

Mas três marcas merecem destaque no que se refere a viaturas ligeiras: Honda, Toyota e Hyundai, as duas últimas já com experiência no campo das frotas.

O que pretendo com este artigo é explicar em que medida pode esta tecnologia vir a constituir uma solução viável e, principalmente, uma solução vantajosa no que toca aos custos de utilização do automóvel.

Para perceber isso é preciso primeiro saber como funciona um carro “Fuel Cell”, a segurança da operação e a oferta mais presente no mercado, tentando responder às dúvidas habituais que surgem quando se aborda este tema.

Nos anos 60, este protótipo da General Motors com pilha de combustível podia viajar mais de 100 milhas com abastecimento completo dos volumosos tanques de hidrogénio e oxigénio liquido, que ocupavam praticamente toda a traseira do comercial. Compare-se a evolução com o espaço necessário para a tecnologia atual dos novos Hyundai Nexo e Toyota Mirai.

O que e um FCEV?

O FCEV (Fuel Cell Electrical Veicule, só FCV no caso da Toyota) não é mais do que um automóvel híbrido que se movimenta por meio de um motor elétrico, que utiliza eletricidade proveniente de baterias.

Que, por sua vez, são carregadas com energia elétrica proveniente das Fuel Cell, também chamada pilha de combustível, que funciona como estação produtora de eletricidade, através da reação química entre hidrogénio e oxigénio.

Ou seja, aquilo que distingue um veículo Fuel Cell de uma viatura elétrica “convencional” é precisamente a capacidade “interna” de produzir energia elétrica para alimentar as baterias que, por sua vez, vão alimentar o motor elétrico.

Como é que a pilha de combustível gera eletricidade?

O processo de produção de eletricidade é baseado numa reação entre o oxigénio do ar e o hidrogénio comprimido fornecido pelos depósitos da viatura.

No interior de uma unidade metálica polarizada (pilha) circulam o hidrogénio e o oxigénio (do ar) em ambientes distintos. Para o processo químico de produção de energia elétrica, o hidrogénio é fornecido ao elétrodo negativo (Ânodo) e o oxigénio ao elétrodo positivo (cátodo).

Os eletrões libertados do hidrogénio passam dos elétrodos negativos para os  elétrodos positivos, através de uma membrana de polímero (eletrólito). Esta membrana só conduz iões carregados positivamente, bloqueando os electrões, gerando eletricidade.

Assim, o hidrogénio que liberta os eletrões é convertido em iões de hidrogénio, que se movem para o lado positivo, enquanto no catalisador do elétrodo positivo, o oxigénio, os iões de hidrogénio e os eletrões combinam-se para formar água.

Vários destes componentes individuais, ligados em série para aumentar a tensão gerada, são suficientes para operar um automóvel.

No caso do Hyundai Nexo, a unidade completa da pilha de combustível é capaz de fornecer uma potência de 95 kW, suficiente para alimentar a bateria de 40kW que disponibiliza energia para o motor elétrico da viatura.

Os carros a hidrogénio são seguros?

Os motores a hidrogénio tiveram uma primeira utilização na indústria aeroespacial e, em fase posterior, na atividade dos transportes.

Várias frotas utilizam a solução com sucesso e uma empresa de táxis em França equipou-se com carros da Hyundai (ix35 em 2016) e da Toyota (Mirai, já este ano), demonstrando que é segura para o transporte de passageiros.

Um FCEV não é mais perigoso do que um veículo elétrico ou do que um veículo com motor de combustão interna. O resultado dos testes de segurança iguala ou excede mesmo o dos veículos convencionais.

O receio dos consumidores – o armazenamento do hidrogénio – é equivalente ao do que acontece com o GPL e GNV e certamente ter-se-à passado o mesmo em relação aos primeiros carros movidos por combustível fóssil.

O hidrogénio armazenado a pressões elevadas, que podem chegar aos 900 bar, encontra-se em tanques reforçados de várias camadas, com sistemas de segurança que evitam fugas, ativam a ventilação ou libertam combustível em caso de sobreaquecimento.

O tanque de hidrogénio está preparado para suportar condições ambientais severas, como temperaturas extremas, variações de pressão, exposição as condições da estrada e derramamento de carga, vibração, incêndio do veículo e colisão.

A operação de abastecimento é igualmente segura: o sistema de abastecimento comunica com a viatura e só atua com o veículo desligado e o bocal devidamente engatado, de forma a evitar fugas do hidrogénio.

Quais as vantagens do Fuel Cell face a um elétrico “convencional”?

Atualmente, a maior vantagem é a autonomia, que pode ser superior a 700 km, dependendo do modelo e da capacidade dos tanques de hidrogénio.

Outra vantagem, provavelmente a mais importante, é a rapidez do reabastecimento: três a cinco minutos são suficientes para atesto de hidrogénio, uma operação tão simples e segura quanto o abastecimento de GPL e GNV, igualmente efetuado a alta pressão.

Outras vantagens são partilhadas com os carros 100% elétricos: é um veículo sem emissões, mais eficiente em matéria de rendimento da utilização do combustível, que oferece binário instantaneamente, tem um andamento silencioso e apresenta custos de manutenção menos elevados do que um carro a gasóleo ou a gasolina.

Por fim, a condução de um carro FCEV é tão simples e prática quanto a de um carro elétrico, recorrendo às mesmas tecnologias de regeneração de energia proveniente das fases de desaceleração e travagem.

Quais as desvantagens dos FCEV?

A primeira e óbvia desvantagem é a ausência de redes de abastecimento. Isso é um claro entrave à sua divulgação, obrigando a que as empresas que já os utilizam disponham de redes próprias ou partilhadas para assegurar esse abastecimento.

O norte da Europa e a Alemanha são um claro exemplo, estando a expandir-se os postos de hidrogénio, embora ainda muito orientados para os veículos pesados de mercadorias, onde a poupança é mais acentuada.

Outra desvantagem é o preço das viaturas, derivado da oferta escassa e da produção limitada das mesmas, que encarece o seu fabrico.

Os incentivos do Estado são por isso fundamentais, como, aliás, foram e são para todos os carros eletrificados. Essa realidade verifica-se na Alemanha, nos EUA (onde as aquisições podem ter benefícios até aos 7.000 dólares) e na Coreia, por exemplo.

Apesar de maior eficiência do uso do combustível (que pode chegar aos 70% em situações de recirculação (reaproveitamento dos gases), não atinge ainda a eficiência máxima dos veículos puramente elétricos, abastecidos por energia da rede.

Por fim, a produção, distribuição e armazenamento de hidrogénio tem, por enquanto, custos superiores à produção e distribuição de energia elétrica. Apesar de serem inferiores ao dos combustíveis fósseis, o preço médio de abastecimento do depósito de uma viatura FCEV ronda os 50 euros.

Um carro a hidrogénio é mais pesado do que um veículo a gasolina ou a gasóleo?

O hidrogénio contém três vezes mais energia por quilo do que a gasolina. Um veículo sensível ao peso, como um avião, pode, assim, transportar três vezes mais combustível com tanques de hidrogénio do que com tanques de gasolina.

Se é um facto que a estrutura dos tanques de hidrogénio pesa mais do que a dos tanques de combustível fóssil, apesar de uma viatura FCEV necessitar também de baterias para o motor elétrico, não tem motor térmico e componentes associados. Além de que, como se disse no parágrafo anterior, o peso do hidrogénio ser inferior ao da gasolina necessária para produzir a mesma quantidade de energia e do desenvolvimento de novos compostos poder resultar em tanques de hidrogénio mais leves mas igualmente robustos.

Mesmo assim, Mirai e Nexo pesam mais de 1.800 kg.

Sendo o hidrogénio um componente da água, podemos vir a ter um carro abastecido a água?

É verdade que uma célula de combustível utiliza dois dos componentes da água e que uma viatura FCEV liberta vapor de água.

O hidrogénio pode ser produzido usando diversos recursos domésticos, incluindo combustíveis fósseis, como o carvão ou o gás natural, fontes de energia renovável e até biomassa, mas o processo químico de divisão dos componentes é, por enquanto, complexo, volumoso e pouco exequível de ser instalado a bordo de um veículo.

O hidrogénio é portador de energia mas não uma fonte de energia e o seu maior e promissor potencial é a diversidade de possibilidades de o produzir, incluindo através de fontes de energia renovável ou pequenas centrais localizadas junto ou muito próximas dos pontos de reabastecimento.

Qual é a oferta atual de FCEV?

Toyota e Hyundai estão na dianteira no que toca a modelos ligeiros de passageiros. Vários outros construtores estão a desenvolver versões comerciais ligeiras, enquanto nos pesados,  alguns operadores portugueses de transportes públicos urbanos já ensaiaram esta solução.

Nos comerciais há ensaios por parte de várias marcas: Mercedes-Benz e Renault são apenas alguns exemplos.

Dois carros de passageiros destacam-se: o Toyota Mirai (que em japonês significa “futuro”) e o Hyundai Nexo. A marca japonesa tem desenvolvido a sua pilha de combustível desde 1992, a Hyundai apresentou em 2000 o primeiro veículo a célula de combustível, o Santa Fé FCV.

Hyundai Nexo

  • Potência do motor elétrico: 120 kW (163 cv), binário de 395 Nm;
  • Capacidade da bateria de eletrólito de iões de lítio: 1,56 kWh;
  • Capacidade do depósito: 156.6 litros (3 depósitos de 52.2 litros);
  • Consumo de combustível é de 0,95 kg por 100 km;
  • Autonomia de condução: 666 km com base nos testes WLTP, 756 km em ciclo NEDC;
  • 0 aos 100 km/h em 9,2 segundos;
  • Velocidade máxima de 179 km/h;
  • Durabilidade prevista: no mínimo dez anos ou 160 mil quilómetros;
  • Data de comercialização/preço: já à venda na Coreia, sem data e preço para Portugal, cerca de 69 mil euros em Espanha.

Toyota Mirai

  • Potência do motor elétrico: 114 kW (154 cv), binário de 335 Nm;
  • Capacidade da bateria de hidreto metálico de níquel: 1,59 kWh;
  • Capacidade do depósito: 122,4 litros (2 depósitos de 60 e 62,4 litros (respetivamente);
  • Consumo de combustível é de 0,76 kg por 100 km;
  • Autonomia de condução: 550 km em ciclo NEDC;
  • 0 aos 100 km/h em 9 segundos;
  • Velocidade máxima de 179 km/h;
  • Garantia de 5 anos/100 mil quilómetros para todos os elementos relacionados com o sistema de hidrogénio, 3 anos/100 mil quilómetros para restantes componentes;
  • Data de comercialização/preço: já à venda os EUA e em alguns países europeus incluindo uma frota de táxis em Paris), sem data e preço para a Portugal.