Run on Less with Hydrogen Fuel Cells
- Patrick Molloy
Originalmente publicado no ACT news.
Embora os veículos a pilhas de hidrogênio (FCEVs) existam desde os anos 60, eles surgiram recentemente como uma solução potencial para descarbonizar o transporte pesado. A Nikola Motors acaba de anunciar que arrecadou US$ 1 bilhão em financiamento para sua tecnologia de veículos a hidrogênio, adicionando alguns novos parceiros substanciais, incluindo a CNHI e a Bosch. No início deste ano, a empresa também lançou um audacioso roteiro para 700 estações de abastecimento de combustível em todo o país e conseguiu uma parceria de 800 veículos com a Anheuser-Busch para ajudar a descarbonizar a sua frota de carga. O que faz dos FCEVs uma boa escolha para descarbonizar o transporte pesado? Vamos examinar as semelhanças, vantagens e desafios dos FCEVs em comparação com caminhões convencionais de combustão interna.
É o mesmo, só que melhor
Um dos benefícios dos FCEVs é que o hidrogênio utiliza uma infra-estrutura de abastecimento semelhante aos caminhões convencionais. Isso significa que os FCEVs poderiam ser reabastecidos nas paradas de caminhões existentes em todo o país e a experiência de abastecimento seria semelhante. Um caminhão pode ser abastecido com hidrogênio em menos de 15 minutos e o processo de abastecimento de um FCEV é semelhante ao abastecimento de um caminhão a diesel; o gás hidrogênio é bombeado para o tanque do veículo usando uma bomba de gás e um bico que é semelhante a uma bomba diesel tradicional.
Outra vantagem é a densidade energética do hidrogênio. O diesel tem uma densidade energética de 45,5 megajoules por quilograma (MJ/kg), ligeiramente inferior à da gasolina, que tem uma densidade energética de 45,8 MJ/kg. Em contraste, o hidrogênio tem uma densidade energética de aproximadamente 120 MJ/kg, quase três vezes mais do que o diesel ou a gasolina. Em termos elétricos, a densidade energética do hidrogênio é igual a 33,6 kWh de energia utilizável por kg, em comparação com o diesel, que possui apenas cerca de 12-14 kWh por kg. O que isto realmente significa é que 1 kg de hidrogênio, usado em uma célula de combustível para alimentar um motor elétrico, contém aproximadamente a mesma energia que um galão de diesel. Levando isto em consideração, Nikola afirma que seus veículos podem obter entre 12 e 15 mpg equivalente, bem acima da média nacional para um caminhão a diesel, que é cerca de 6,4 mpg.
Os motores elétricos também são mais eficientes do que os motores de combustão interna. Com um motor de combustão interna, aproximadamente 50% da energia gerada é transferida para o calor; mas os trens de transmissão elétricos perdem apenas 10% da sua energia para o calor. Esta diferença de eficiência mostra o quanto os consumidores estão perdendo com motores de combustão interna menos eficientes.
O preço é outro atributo atraente do hidrogênio. Os preços do diesel estão atualmente pairando perto de US$ 3,00 por galão, e com a recente redução da produção de petróleo da Arábia Saudita, é razoável esperar novos aumentos de preços para o diesel. Mas na frente do hidrogênio, análises recentes da Bloomberg New Energy Finance sugerem que o preço de produção por quilo de hidrogênio poderia ser tão baixo quanto US$ 1,40 por quilo em cerca de uma década.
Quando se trata de transporte pesado, o peso importa. Os FCEVs oferecem o mesmo torque elevado que os veículos elétricos a bateria, mas com menor peso. Um exemplo é a diferença de peso estimada entre a bateria elétrica Lion 8 e a célula combustível de hidrogênio Nikola One; o Lion 8 tem uma bateria de 480-kWh com alcance de 250 milhas, o que equivale a cerca de 2-5 toneladas. Um Nikola One, com um alcance de cerca de 500-750 milhas, é estimado em ter uma bateria de 250-kWh, que provavelmente pesaria cerca de 2,5-3 toneladas.
Tendo esses fatores em consideração, há um caminho claro para o hidrogênio ser um combustível alternativo de baixo carbono, baixo custo e baixo peso para caminhões pesados. Entretanto, os caminhões FCEV não estão sem seus desafios.
Não é fácil ser verde
Embora o gás hidrogênio não tenha cor ou odor, para suportar a descarbonização do transporte pesado, precisaremos de hidrogênio verde e muito dele. O hidrogênio verde, também chamado de hidrogênio renovável, é o hidrogênio que é feito usando apenas energia renovável, tipicamente através do processo de eletrólise. A eletrólise da água utiliza eletricidade para separar água em hidrogênio gasoso (H2) e oxigênio (O2), convertendo energia elétrica em energia química. Ainda há dúvidas sobre a rapidez com que a produção de hidrogênio verde pode escalar; a capacidade de fabricação de eletrolíticos está apenas começando a aumentar significativamente.
Os principais desafios com hidrogênio se resumem ao transporte e armazenamento. O hidrogênio é produzido na forma gasosa, e precisa ser armazenado sob pressão ou liquefeito diretamente. Ambos os processos requerem energia adicional, que pode ou não ser de fontes renováveis. Existem métodos emergentes que utilizam ligações químicas (normalmente referidas como portadores de hidrogénio orgânico líquido) ou amoníaco para transportar o hidrogénio num estado estável. Esses métodos não requerem pressão ou liquefação criogênica, e portanto requerem menos energia para transportar e armazenar o hidrogênio. Entretanto, a tecnologia ainda está em um estágio relativamente inicial de desenvolvimento e não está pronta para adoção em larga escala.
Uma outra solução para os desafios de transporte e armazenamento tem sido focar na produção localizada. Nikola fez uma parceria com a Nel e a Bosch para fornecer uma rede de estações locais de produção de hidrogénio que utilizam fontes de energia renováveis e electrolisadores, cortando assim a cadeia logística do abastecimento convencional de gasóleo e gasolina. No futuro, poderemos também utilizar potencialmente a infra-estrutura de gás natural para transportar hidrogénio, reduzindo a necessidade de desenvolvimento de grandes infra-estruturas. Isto também poderia oferecer um meio de fornecer hidrogênio a partir de centros de produção central em vez de construções localizadas.
Uma outra desvantagem do hidrogênio é a gama. De acordo com Nikola, o alcance de um caminhão a célula de combustível é de 500-750 milhas, dependendo da carga e do terreno; os caminhões Toyota Kenworth FCEV têm um alcance de cerca de 300 milhas. Este valor é muito inferior ao dos caminhões a diesel, que podem percorrer mais de 1.000 milhas sem reabastecimento. Entretanto, com motoristas limitados a 500 milhas por dia, este fator pode não causar uma interrupção significativa na prática padrão.
Como está em breve?
Pois há desafios, o tempo para o hidrogênio é agora, e aqui está a razão:
Estamos vendo o aumento da pressão regulatória e da demanda da indústria. A União Europeia comprometeu-se a remover os veículos a gasolina e diesel até 2030. Ao mesmo tempo, os padrões de combustível limpo e os investimentos associados na Califórnia e no Canadá estão criando a base política para a mudança. A Hyundai está planejando a produção de até 700.000 FCEVs por ano até 2030, e o Japão está visando 800.000 FCEVs até 2030. E, com os custos de tecnologia que se prevê atingir o break-even com caminhões a diesel em vários mercados, há um impulso e investimento significativos em hidrogênio.
Quanto mais projetos que utilizam cada vez mais tecnologias de células de combustível, maior o potencial de redução de custos e investimento na tecnologia. O compromisso da China em colocar 1 milhão de veículos a célula de combustível nas estradas até 2030 (com US$ 7,6 bilhões sendo investidos em caminhões pesados) oferece enorme potencial para avanços significativos na eficiência e pontos de custo para veículos a célula de combustível.
Hidrogênio já viu falsas madrugadas antes, mas esta alternativa de baixo carbono está sendo impulsionada por algumas das maiores empresas do planeta em múltiplos setores. A Toyota Kenworth tem um longo histórico de desenvolvimento de caminhões utilizando tecnologia de célula de combustível e em 2019 acrescentou 10 T680 para serem usados no Porto de Los Angeles e em todo o Sul da Califórnia. Recentemente, a Shell investiu fortemente em eletrolíticos de hidrogênio em larga escala, que oferecem uma opção zero de carbono para a produção de hidrogênio. No início deste mês, a Cummins adquiriu uma empresa líder no mercado de eletrolíticos e fabricação de células combustíveis, a Hydrogenics, por US$290 milhões. Todos estes são sinais de um sério compromisso por parte dos líderes do setor para avançar no espaço de hidrogênio e células a combustível.
Rocky Mountain Institute (RMI) está trabalhando para identificar as oportunidades de hidrogênio verde para acelerar a descarbonização em setores que têm lutado para progredir, e só agora estamos começando a ver o papel e a posição que esta tecnologia pode ter na descarbonização do setor de fretes. Esperamos que você se junte ao RMI e ao Conselho Norte-Americano de Eficiência de Carga (NACFE) para um painel de discussão sobre hidrogênio em caminhões em 8.
