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Na estrada dos carros a Hidrogênio



Embora frotas de protótipos com células a combustível estejam chegando às ruas, será preciso superar obstáculos técnicos e mercadológicos para que os carros "verdes" sejam vendidos em concessionárias

As lombadas eletrônicas em estradas da Alemanha parecem ser as únicas coisas capazes de tirar o sorriso do rosto de Rosario Berretta. "Por favor, vá mais devagar aqui", murmura, quando nosso veículo se aproxima de uma delas. Berretta lidera uma equipe que está preparando uma frota de 60 carros da DaimlerChrysler movidos por células a combustível, o F-Cell, para testes em todo o mundo. O objetivo é permitir que os fabricantes automobilísticos avaliem os veículos eficientes e não-poluentes em diferentes condições de percurso. O engenheiro está ansioso para que os visitantes sintam a rápida arrancada do F-Cell, que é uma das vantagens de ter um motor elétrico.

Apesar de seu sistema de propulsão de alta tecnologia, o F-Cell tem a aparência de um Toyota Corolla, um Ford Focus ou qualquer outro pequeno carro convencional. A única coisa fora do comum é o ruído não familiar de um compressor - barulho que os engenheiros da companhia prometem conseguir abafar em breve.

A DaimlerChrysler não está sozinha na busca pelo veículo limpo mais moderno. Depois de uma década de esforços concentrados em pesquisa e desenvolvimento (P&D), a indústria automobilística mundial ultrapassou um marco, com a chegada dos primeiros carros com células a combustível aparentemente viáveis. Vinte dos mais recentes FCX da Honda e 30 dos FCV compactos da Ford movidos por células a combustível logo estarão nas ruas. Trinta ônibus DaimlerChrysler estão trafegando nas ruas de 10 cidades européias e outros três em breve estarão em serviço na China e na Austrália.

Enquanto isso, quase todas as outras montadoras - especialmente General Motors e Toyota, mas também Nissan, Renault, Volkswagen, Mitsubishi e Hyundai - estão operando pelo menos alguns protótipos, um sinal do grande volume de dinheiro que os fabricantes investem no aperfeiçoamento dessa tecnologia. Existem hoje entre 600 e 800 veículos de células a combustível sendo testados no mundo. E já surgiram empresas para desenvolver e fornecer componentes para construir os protótipos. Se tudo correr bem, será o marco de meio caminho andado rumo à comercialização de carros com células a combustível no início da próxima década.

O que impulsionou o avanço foram os limites cada vez mais rigorosos das leis contra poluição, as previsões de escassez de petróleo em prazo relativamente curto e uma possível catástrofe de aquecimento global provocada pelos gases que causam o efeito estufa. A indústria automobilística e governos nacionais investiram dezenas de bilhões de dólares nos últimos dez anos para transformar em realidade uma tecnologia de propulsão limpa e eficiente com o objetivo de substituir o velho motor de combustão interna (CI) (ver "Um futuro limpo", por L. D. Burns, J. B. McCormick e C. E. Borroni-Bird; SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, novembro de 2002). Críticos, entretanto, questionam o interesse da indústria em produzir um carro realmente "verde", e se esse esforço de P&D é suficiente para gerar sucesso a curto prazo. Executivos de montadoras respondem que não prevêem, a longo prazo, nenhuma opção melhor do que os veículos com células a combustível, porque as alternativas práticas, como veículos híbridos (que combinam motores de CI com baterias eletroquímicas), continuariam a emitir CO2 e poluentes.

Obstáculos no Caminho
Uma viagem de duas horas seria suficiente para evidenciar a mais reveladora diferença entre o F-Cell e um automóvel de CI. Em menos de 90 minutos, seria preciso parar no acostamento por falta de combustível. O F-Cell e seus similares não conseguem armazenar combustível suficiente para uma autonomia de 480 km, com a qual os motoristas estão acostumados. E como os postos de hidrogênio ainda são poucos e distantes uns dos outros, o abastecimento seria, na melhor das hipóteses, problemático. Assim, apesar das declarações otimistas dos fabricantes, persistem consideráveis desafios técnicos e mercadológicos que podem retardar por anos, ou décadas, a adoção de carros domésticos movidos por células a combustível.

Antes que uma primeira leva de motoristas possa trocar seus carros por algo mais "verde", a indústria automobilística precisará inventar uma maneira de aumentar substancialmente a capacidade de armazenamento dos tanques de hidrogênio e reduzir o preço do sistema de transmissão e do motor de células a combustível para um centésimo do atual. Além disso, será necessário quintuplicar a vida útil das unidades geradoras de energia (power-plants) e adaptá-las a utilitários esportivos e veículos mais pesados. Finalmente, será necessária uma infra-estrutura de abastecimento de hidrogênio para substituir a rede internacional de postos de gasolina.

Mesmo algumas montadoras continuam céticas quanto à possibilidade de isso ocorrer em curto prazo: "Uma produção em larga escala poderá ser viável daqui a uns 25 anos", diz Bill Reinert, gerente da divisão de tecnologia avançada da Toyota nos EUA. Um sinal revelador de que os veículos com células a combustível são ainda um projeto em andamento é o de que quase todos os representantes de montadoras enfatizam a necessidade de maior investimento governamental em pesquisa básica e em sistemas de distribuição de hidrogênio, para ajudar a superar esses obstáculos.

Automóveis, ônibus ou caminhões com células a combustível são basicamente veículos elétricos movidos por um dispositivo que funciona como uma bateria recarregável. Diferentemente de uma bateria, porém, uma célula a combustível não armazena energia; ela emprega um processo eletroquímico para gerar eletricidade e funciona enquanto for alimentada com combustível hidrogênio e com oxigênio .

No cerne da célula a combustível há uma película delgada de polímero à base de fluorcarbono - uma membrana de troca de prótons (PEM, na sigla em inglês) - que funciona simultaneamente como eletrólito (para transporte de carga elétrica) e como barreira para impedir a mistura do combustível hidrogênio com oxigênio. A eletricidade que fornece potência a um carro com células a combustível é produzida quando elétrons são removidos de átomos de hidrogênio em áreas catalisadoras na superfície da membrana. Os portadores de carga - prótons ou íons de hidrogênio -, então, migram através da membrana e se combinam com o oxigênio e um elétron, formando água, único resíduo do processo. Células individuais são empilhadas nos chamados módulos (stacks).

Os engenheiros escolhem células de combustível PEM porque elas convertem até 55% da energia do combustível em força mecânica; nos motores de CI, a eficiência é de cerca de 30%. Outras vantagens são temperatura de operação baixa (80oC), desempenho razoavelmente seguro e silencioso, fácil operação e manutenção simples.

As perspectivas para carros comerciais com células a combustível por volta de 2015 dependem de aperfeiçoamentos na tecnologia das membranas, que constituem até 35% do custo de um módulo de célula a combustível. Diversos aspectos precisam ser aperfeiçoados, como baixo nível de transposição de combustível de um lado para o outro da membrana, maior estabilidade química e mecânica para maior durabilidade, controle sobre reações colaterais indesejáveis e tolerância à contaminação por impurezas do combustível ou resultantes de reações indesejadas de subprodutos como o monóxido de carbono. Acima de tudo, é necessária uma redução generalizada nos custos.

Notícias de um "avanço revolucionário" na tecnologia de membranas causaram entusiasmo nos círculos envolvidos com pesquisas de células de combustível no fim de 2004. A californiana PolyFuel anunciou ter produzido uma membrana de polímero de hidrocarboneto com desempenho superior e mais barata do que as equivalentes perfluorinadas. "Parece um pedaço de papel para embrulhar sanduíche", brinca James Balcom, executivo-chefe da empresa. Ele cita diversas razões pelas quais sua película semelhante a celofane tem desempenho superior ao das membranas perfluorinadas mais comuns, como a Nafion, da DuPont. A membrana de hidrocarboneto pode operar a temperaturas mais elevadas (até 95oC), o que permite o uso de radiadores menores para dissipar o calor. Segundo o fabricante, ela dura 50% mais do que as versões de fluorcarbono, gera de 10% a 15% mais potência e opera com umidade mais baixa (menos problemática). Além disso, pode custar metade do preço das membranas de fluorcarbono (US$ 300/m2). Esse é o material usado nos Honda FCX com células a combustível.

Enigma Catalisador
Outro componente crucial para a operação de uma membrana PEM é a fina camada de catalisador à base de platina que reveste seus dois lados e é responsável por 40% do preço do módulo. O catalisador prepara hidrogênio (a partir do combustível) e oxigênio (do ar) para uma reação de oxidação, ajudando ambas as moléculas a se dividir, se ionizar, e então doar ou receber prótons e elétrons. Do lado da membrana onde fica o hidrogênio, uma molécula desse gás precisa se fixar a duas áreas catalisadoras adjacentes, liberando, assim, íons de hidrogênio (prótons) para que eles atravessem a membrana. A reação complexa do lado do oxigênio ocorre quando um íon de hidrogênio e um elétron se juntam ao oxigênio, produzindo água. Essa seqüência precisa ser controlada rigorosamente, porque pode gerar subprodutos destrutivos, como peróxido de hidrogênio, que corrói os módulos.

Para baixar o custo da catálise, pesquisadores buscam maneiras de reduzir o teor de platina. Os esforços incluem não apenas encontrar formas de ampliar substancialmente a atividade do catalisador - para que menores quantidades deste forneçam a mesma potência - mas também deixá-lo mais estável e durável. Pesquisadores da 3M tiveram sucesso na tentativa de ampliar a atividade catalítica. Eles criaram membranas com superfícies nanotexturizadas cobertas por "florestas de minúsculas colunas" que aumentaram consideravelmente a área de catálise. Outros esforços concentraram-se em diversos materiais - de metais não preciosos, como cobalto e cromo, a catalisadores de finas dispersões de partículas incorporadas a estruturas porosas compostas.

Mais Tanque, Mais Autonomia
Uma das maiores preocupações entre os criadores de veículos com células a combustível é conseguir colocar suficiente hidrogênio a bordo para assegurar a autonomia de rodagem que os consumidores exigem. De 5 kg a 7 kg são o suficiente para fazer um carro rodar até 800 km, mas os atuais protótipos de células a combustível armazenam apenas de 2,5 kg a 3,5 kg. "Ninguém sabe como armazenar o dobro num volume razoável", diz Dennis Campbell, executivo-chefe da Ballard Power Systems, do Canadá, empresa líder no setor de fabricação de módulos de células a combustível.
Em geral, o hidrogênio é armazenado, à temperatura ambiente, em tanques de pressão como gás extremamente comprimido. Muitos engenheiros estão tentando dobrar a atual pressão suportada pelos tanques - 5.000 psi (libras por polegada quadrada). Sistemas de hidrogênio líquido que armazenam combustível a temperaturas abaixo de -253oC foram testados com sucesso, mas gastam muita energia para refrigeração. E mesmo com vedação cuidadosa, esses sistemas perdem diariamente, com vazamentos, cerca de 5% do total armazenado.

Tecnologias alternativas estão em desenvolvimento, mas ainda não surgiram avanços significativos. "Existe uma distância relativamente grande entre o que pode ser comprovado no laboratório e um sistema de armazenamento plenamente funcional que seja barato, duradouro e compacto", diz Lawrence Burns, vice-presidente de P&D da GM.

Os principais candidatos à tecnologia de armazenamento são sistemas de hidretos de metais, nos quais diversos metais e ligas mantêm o hidrogênio em suas superfícies até que o calor o libere para ser usado. "É como uma esponja para hidrogênio", explica Robert Stempel, presidente da ECD Ovonic, empresa líder nessa área. O gás hidrogênio é injetado sob pressão no tanque de armazenamento e prende-se quimicamente à retícula de cristal do metal por meio de uma reação que absorve calor. Os compostos resultantes são denominados hidretos de metais. O calor residual gerado pelo módulo é usado para reverter a reação e liberar o combustível. Em janeiro, a GM e os Laboratórios Nacionais de Sandia, no Novo México, lançaram um programa de quatro anos, com um orçamento de US$ 10 milhões, para desenvolver sistemas de armazenamento usando hidreto de sódio-alumínio.

Em virtude de os sistemas de armazenagem de hidretos de metais tenderem a ser pesados (em torno de 300 kg), pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, desenvolveram uma maneira de armazenar hidrogênio em gelo de água - na forma de hidrato de hidrogênio, que é aprisionado no gelo em cavidades com tamanho de moléculas. A água é bem mais leve do que ligas de metal. Essa abordagem foi uma surpresa, porque hidratos de hidrogênio são difíceis de produzir, pois exigem temperaturas baixíssimas e pressões elevadas (até 36.000 psi). Trabalhando com cientistas da Escola de Minas do Colorado, a equipe de Delft descobriu uma molécula "promotora" - tetrahidrofurano - que estabiliza os hidratos gasosos sob pressões bem menores (cerca de 1.450 psi). Teoricamente, com 120 litros (120 kg) de água deve ser possível armazenar 6 kg de hidrogênio.

Módulo Gelado
Numa fria manhã de novembro do ano passado, centenas de pessoas reuniram-se na sede do Congresso do estado de Nova York, em Albany, para ver o governador George E. Pataki receber dois automóveis Honda FCX movidos por célula a combustível. O que tornou o evento notável foi a temperatura do ar. As demonstrações anteriores de veículos com células a combustível haviam ocorrido sob climas amenos, para garantir que os módulos não congelassem. Em projetos anteriores, abaixo de 0oC, toda a água líquida virava cristais de gelo capazes de perfurar as membranas e romper os dutos d'água. Mas no começo de 2004 a Honda mostrou unidades de células a combustível que suportavam invernos rigorosos.
Depois do discurso, Ben Knight, vice-presidente de P&D da Honda americana, explicou que os novos modelos FCX 2005 resistentes ao congelamento podem dar partida repetidas vezes com o motor a -20oC. Outras montadoras, entre elas a DaimlerChrysler e a GM, também afirmam ter obtido sucesso na partida a frio em testes de laboratório .

Além de sua capacidade de dar partida em invernos congelantes, o Honda FCX 2005 com célula a combustível - um hatchback compacto para quatro passageiros - exibe diversos outros avanços em relação ao modelo lançado dois anos antes. Ele emprega um ultracapacitor - um dispositivo que armazena energia nos campos elétricos entre placas de eletrodos carregadas - para emitir breves pulsos de potência adicional necessários em manobras de ultrapassagens e subidas íngremes. A maior parte dos fabricantes usa baterias para essa finalidade.

Questão de Infra-estrutura
Depois, naquele mesmo dia de novembro, um grande número de pessoas reuniu-se para a segunda parte das cerimônias planejadas na sede da Plug Power, empresa de Latham, no estado de Nova York, fabricante de unidades estacionárias de células a combustível de hidrogênio para aplicação em sistemas de backup de energia. As pessoas comemoravam a inauguração de um posto de abastecimento de hidrogênio desenvolvido em conjunto com a Honda. O Home Energy Station II contém uma indústria química em miniatura - um reformador de vapor - que extrai combustível hidrogênio do gás natural, que chega através de canalizações, empregando um processo à base de vapor. "Além de reabastecer os veículos, o sistema alimenta um módulo de células a combustível com parte do hidrogênio, para fornecer eletricidade a nosso edifício-sede" diz Roger Saillant, executivo-chefe da Plug Power. "O prédio é aquecido, em parte, pelo calor liberado pela unidade."

Com pompa, um dos FCX rodou até a bomba de combustível - uma caixa de metal do tamanho de um fogão de cozinha de luxo instalada no estacionamento da empresa. Primeiro, um funcionário da estatal conectou um fio-terra ao veículo. Então, puxou a mangueira de combustível da bomba até a conexão de reabastecimento do FCX, inseriu o injetor e travou-o em posição. O tanque do carro estava cheio após cinco ou seis minutos. Knight explicou que a bomba produz, por dia, hidrogênio purificado suficiente para reabastecer um único veículo com célula a combustível.

Depois, Knight discutiu os problemas do desenvolvimento de uma infra-estrutura de hidrogênio. "É o clássico dilema do ovo e da galinha. Não há demanda para carros e caminhões em virtude da limitada disponibilidade de recursos para abastecimento, mas ninguém quer fazer um grande investimento para criar uma rede de postos, a menos que haja frotas rodando. Assim, a questão é: como criar demanda?" (ver "Hidrogênio em jogo", Matthew L. Wald; SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, junho de 2004).

Um estudo realizado pela GM estimou que de US$ 10 bilhões a US$ 15 bilhões seriam suficientes para pagar a construção de 11.700 novos postos de abastecimento de hidrogênio - o suficiente para que um motorista sempre estivesse a no máximo 3,2 km de um nas grandes áreas urbanas e dispusesse de postos a cada 40 km ao longo das principais rodovias. Essa concentração, principalmente em áreas urbanas, atenderia as necessidades de aproximadamente um milhão de veículos com células a combustível, segundo o estudo. "Doze bilhões de dólares são pouco, em comparação com os US$ 85 bilhões que as companhias operadoras de cabos estão gastando na instalação de fibras ópticas", diz Campbell, da Ballard.

O posto de Latham - juntamente com dezenas de outros espalhados na Europa, Califórnia e Japão - é um dos primeiros passos na construção de uma infra-estrutura. Em breve, diz Campbell, cerca de 70 postos de hidrogênio existirão no mundo. O programa Hydrogen Highway, na Califórnia, tem como meta a construção de 200 postos no estado.
Uma comissão da Academia Nacional de Ciências dos EUA estimou que a transição para a "economia do hidrogênio" provavelmente levará décadas, porque os desafios mais duros persistem: produção, armazenamento e distribuição de hidrogênio em quantidades suficientes, a um custo razoável, sem liberar gases que agravem o efeito-estufa. Infelizmente, a extração de hidrogênio do metano gera dióxido de carbono, um gás-estufa. Se a energia para a eletrólise (a separação de água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade) for obtida pela queima de combustíveis fósseis, isso também emitiria dióxido de carbono. Além disso, o hidrogênio tem grande tendência a vazamentos, e se isso ocorrer nos carros e nas usinas de produção, poderia desencadear reações químicas que produzem gases-estufa. Por último, usar combustíveis fósseis para produzir hidrogênio requer mais energia do que a contida no produto resultante.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Ambiental e de Engenharia de Idaho, em conjunto com uma equipe da Cerametec, de Salt Lake, desenvolveram um modo de realizar a eletrólise da água e produzir hidrogênio puro com muito menos energia do que outros métodos. O trabalho experimental abre caminho para a mais elevada taxa de produção de hidrogênio conhecida, mediante eletrólise de alta temperatura. O método consiste em fazer passar eletricidade através de água aquecida a aproximadamente 1.000ºC. À medida que as moléculas de água se rompem, um filtro de cerâmica separa o oxigênio do hidrogênio. O hidrogênio resultante tem aproximadamente metade do valor energético investido no processo, uma taxa superior à dos concorrentes.

O resto ta no site Scientific American Brasil
da edição 35, de Abril - 2005

:: Por PaTrO | 9:27 PM | Comentários ::

Domingo, Maio 01, 2005

Humanidade é a ciência que estuda a natureza humana cada qual com seus gêneros. Cada ser humano tem seu estilo de vida, modo de vestir, andar, de se comunicar, religião, etc. Esse tal modo de viver que as pessoas têm, nem sempre é satisfatório em geral, causando algumas controvérsias. Das quais o mundo hoje vem sentindo o reflexo, como conflitos étnicos entre judeus e árabes por territórios, preconceito racial, financeiro, corrupção, etc.

:: Por PaTrO | 2:39 PM | Comentários ::