Como funciona um veículo a hidrogênio?

Embora o nome “pilha de combustível” possa dar a impressão de ser uma tecnologia de ponta um tanto obscura para o público em geral, o segredo dessa nova forma de produzir energia reside em uma reação química simples entre o oxigênio e o hidrogênio. Então, quais são as características específicas de um veículo a hidrogênio? Como ele funciona? Quais são suas vantagens? E, mais concretamente, quais são os possíveis usos do carro a hidrogênio?

Os desafios do carro elétrico a hidrogênio

Para começar, alguns elementos de contexto. O termo “carro elétrico a hidrogênio” refere-se a um veículo movido por uma fonte de energia específica, o hidrogênio, graças a um sistema específico: a célula de combustível. O carro com “pilha de combustível a hidrogênio” faz parte dagrande família dos carros elétricos. Sua tração é, de fato, assegurada por um sistema de propulsão elétrico.

No caso de um veículo elétrico com bateria de íons de lítio, a energia elétrica é armazenada na bateria a cada recarga na rede elétrica. Já no veículo a hidrogênio, a eletricidade necessária para o funcionamento do trem de força é fornecida pela bateria, mas também pela célula de combustível, a partir do hidrogênio armazenado a bordo. A maioria dos veículos a hidrogênio atualmente oferecidos pelos fabricantes de automóveis se baseia nesse princípio.

O carro a hidrogênio compartilha, com o carro 100% elétrico, a ambição de circular com baixo impacto de carbono. No entanto, ainda há muitos desafios a serem superados para reduzir ao máximo o impacto ambiental da produção de hidrogênio. Atualmente, o método de extração dessa molécula baseia-se na reformação de compostos orgânicos carbonados. Fala-se então de dihidrogênio “cinza”, pois é obtido por meio de um processo de extração de combustíveis fósseis.
Mas existe outra maneira de obter hidrogênio: por meio da eletrólise da água. Se a eletricidade necessária para essa eletrólise for proveniente de uma fonte de energia sustentável, como a energia fotovoltaica ou eólica, é possível produzir hidrogênio “verde”. Esse método de extração representa uma solução para o futuro.

O funcionamento de um carro elétrico a hidrogênio por meio da célula de combustível

Como funciona, na prática, o veículo movido a célula de combustível de hidrogênio? Sua energia elétrica é fornecida por uma célula de combustível. O hidrogênio é armazenado sob pressão em tanques específicos, a bordo do veículo. Esse gás (H₂), juntamente com o oxigênio (O₂) do ar ambiente, alimenta a célula de combustível. Esses dois gases sofrem uma reação eletroquímica no interior da pilha. Essa reação produz eletricidade, calor e vapor de água (H2O), que se expele na forma de um jato de água por um escapamento localizado sob o veículo.

A energia assim produzida, juntamente com a energia da bateria, alimentao motor elétrico do carro. Ele se move, então, silenciosamente e sem emissão de gases poluentes nem de CO₂. O veículo pode ser reabastecido com hidrogênio em postos especializados, graças a bombas capazes de injetar hidrogênio muito rapidamente (5 minutos), na forma de gás pressurizado, no interior do tanque.

O consumo de um veículo movido a célula de combustível de hidrogênio

É preciso ter em mente que o átomo de hidrogênio, que compõe a molécula de dihidrogênio (H₂), é um dos elementos naturais mais simples e leves da tabela periódica (ou seja, da classificação que reúne todos os elementos químicos presentes na Terra). Sua densidade volumétrica é muito baixa. Para obter a quantidade de hidrogênio suficiente para o bom funcionamento de um veículo, é necessário, portanto, armazenar grandes quantidades, sob alta pressão, em reservatórios de grande capacidade.

O carro elétrico a hidrogênio segundo o Renault Group

Para o Renault Group, um carro elétrico com célula de combustível a hidrogênio é um veículo elétrico que reúne, sob o mesmo capô, uma bateria de íons de lítio e uma célula de combustível. Ao optar pela complementaridade, a Renault combina o melhor dos dois mundos.

Nessa configuração padrão, o motor elétrico é alimentado pela bateria de íons de lítio. A célula de combustível, por sua vez, funciona como uma reserva de energia adicional, contribuindo para aumentar o alcance do veículo, proporcionando maior autonomia e menor tempo de recarga.

As vantagens do carro a hidrogênio

A bordo de seu veículo a hidrogênio, o motorista desfruta, em primeiro lugar, de uma autonomia praticamente duplicada. A eletricidade produzida pela célula de combustível graças ao armazenamento de hidrogênio soma-se à capacidade de armazenamento da bateria principal. Nesse sentido, o sistema a hidrogênio pode ser considerado um “prolongador de autonomia”.
A cereja do bolo: a rapidez do reabastecimento. Além do recarregamento elétrico na rede, bastam alguns minutos (no máximo 5 minutos) para “encher o tanque” de hidrogênio, a fim de alimentar a célula de combustível e, assim, prolongar instantaneamente a autonomia.
E essas não são as únicas vantagens: o veículo a hidrogênio mantém todas as vantagens associadas ao uso de um carro elétrico, a começar pelo silêncio de funcionamento, o conforto ao dirigir e o acesso a zonas de tráfego restrito em alguns centros urbanos.

O reabastecimento de um veículo a hidrogênio

Como funciona, na prática, o reabastecimento de um carro elétrico a hidrogênio? A resposta varia de acordo com os fabricantes. Na solução estudada pelo Renault Group, o veículo oferece duas opções para reabastecer suas reservas de energia. Em primeiro lugar, o reabastecimento em um posto de recarga “clássico” para alimentar a bateria de íons de lítio (processo facilitado pela disponibilidade de postos acessíveis). Em segundo lugar, o reabastecimento em um posto de hidrogênio para encher os tanques de gás em poucos minutos, caso seja necessário prolongar a viagem.

O armazenamento de hidrogênio

Embora o termo “carro a célula de combustível” ainda não tenha se tornado parte integrante do vocabulário comum, ele não deve sugerir que se trate de uma tecnologia de risco. É claro que o hidrogênio, sob alta pressão no tanque, é um elemento inflamável e volátil, mas isso se aplica a qualquer combustível. Em caso de superaquecimento ou desativação da célula, o hidrogênio é dispersado e liberado em menos de um minuto.

Há mais de vinte anos, as tecnologias que utilizam o dihidrogênio têm sido testadas e aprovadas em inúmeras ocasiões, muitas vezes em condições extremas (engenharia espacial, submarinos, máquinas de construção).

O Renault Group também está trabalhando em motorizações elétricas bi-energia (bateria recarregável e célula de combustível a hidrogênio), especialmente com sua marca Renault e ocarro-conceito Emblème.

Vale mencionar também os trabalhos realizados pela Alpine na área do hidrogênio, com os protótipos Alpenglow Hy4 eHy6 apresentadosem 2024. 

Carro a hidrogênio ou carro elétrico com bateria de íons de lítio: comparação

Essas tecnologias parecem ser diametralmente opostas, mas constituem duas opções de mobilidade complementares.Hidrogênio ou carro elétrico: essa escolha depende, acima de tudo, do uso e do tipo de veículo. Em um veículo comercial leve, com grande capacidade de carga, o hidrogênio é particularmente adequado. Mesmo que o tanque que o armazena seja volumoso, seu peso permanece razoável. O hidrogênio é especialmente adequado para usos intensivos em circuito fechado, com um local de recarga bem identificado e facilmente acessível durante uma rota, ou mesmo dentro das instalações da empresa.
Os veículos elétricos equipados exclusivamente com baterias de íon-lítio, por sua vez, destinam-se a todos os tipos de usos e públicos, desde trajetos curtos na cidade até grandes vias. Mas quando a bateria está vazia, a única solução é recarregá-la na rede elétrica. A velocidade de recarga é menor do que no caso do hidrogênio, mas os pontos de recarga são mais numerosos, tanto em locais privados quanto na via pública. É fácil aproveitar o estacionamento do veículo para recarregá-lo.
Trata-se, portanto, de duas tecnologias complementares em seus usos, que visam, ambas, proporcionar uma mobilidade sustentável.

Veículos a hidrogênio: qual é a situação na Europa e na França?

Em 2020, os novos registros de veículos movidos a célula de combustível de hidrogênio concentraram-se principalmente na Alemanha, seguida pelos Países Baixos e pela França**. As estações de abastecimento de hidrogênio estão se instalando gradualmente na Europa. Na França, em 2023, 23 estações já estão em operação, com uma meta de 900 até 2030. Na Alemanha, 109 estão em fase de instalação, com a meta de 300 até 2030, e na Espanha, 3 em 2023, com a meta de 150 até 2030. A Holanda conta, em 2023, com 12 postos em operação, com a meta de 150 até 2025. A chegada dos primeiros carros elétricos a hidrogênio de série, incluindo veículos comerciais que, por enquanto, são recarregados principalmente nas instalações de suas empresas, poderia acelerar o desenvolvimento dessas infraestruturas e contribuir para o crescimento da tecnologia do hidrogênio.

*WLTP: Worldwide Harmonized LightVehicles Test Procedures. O ciclo WLTP padronizado é composto por 57% de trajetos urbanos, 25% de trajetos periurbanos e 18% de trajetos em rodovias. Os valores de autonomia indicados baseiam-se no estudo do protocolo WLTP. Podem variar em função das condições reais de utilização e de diversos fatores, tais como: a velocidade, o conforto térmico a bordo do veículo, o estilo de condução e a temperatura exterior. 

** Dados do terceiro trimestre de 2020 divulgados pela ACEA, Associação Europeia de Fabricantes de Automóveis

Direitos autorais: Pagecran, Olivier Martin-Gambier, Yann Lefebvre (DPPI Media), Nicolas Lascourreges (La Company)