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40 DOUGLAS FERREIRA PEREIRA HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL JARAGUÁ DO SUL 2018 DOUGLAS FERREIRA PEREIRA HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Anhanguera de Jaraguá do Sul, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Orientador: ANA OLIVEIRA JARAGUÁ DO SUL 2018 nome do(s) autor(es) em ordem alfabética título do trabalho: Subtítulo do Trabalho, se houver HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Anhanguera de Jaraguá do Sul, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenheiro Mecânico. Aprovado em: __/__/____ BANCA EXAMINADORA Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a) Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a) Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a) Dedico este trabalho, a Deus em primeiro lugar, também aos professores que incansavelmente nos ajudam, e a minha família que sempre me apoiou nos mais difíceis momentos. AGRADECIMENTOS A Faculdade Anhanguera de Jaraguá do Sul, ao curso de Engenharia Mecânica, e a todos os Professores envolvidos. Em especial aos professores e tutores que prestaram auxilio e orientações no andamento do presente trabalho. RESUMO O presente estudo consiste na utilização de um Combustível alternativo em motores a combustão, trata-se do Hidrogênio, objetivando a utilização de uma energia limpa, renovável que não agrida ao meio ambiente, visto a capacidade de combustão e geração de energia por ser um elemento químico altamente explosivo, eficiente e de baixo investimento. Neste estudo obtido através da eletrólise, separando as partículas de Hidrogênio e Oxigênio. A partir desse estudo será possível entender como se obter esse combustível, qual a sua disponibilidade, e também as vantagens da utilização do hidrogênio seja como combustível ou fonte de energia. Palavras-chave: Hidrogênio; Como extrai-lo; Armazenamento; Eficiência; Combustível alternativo. ABSTRACT The present study consists of the use of an Alternative Fuel in combustion engines; this is Hydrogen, aiming at the use of a clean, renewable energy that does not harm the environment, since the combustion capacity and the generation of energy as an element highly explosive, efficient and low investment chemical. In this study obtained through the electrolysis, separating the particles of Hydrogen and Oxygen. From this study, it will be possible to understand how to obtain this fuel, what its availability, and also the advantages of using hydrogen as a fuel or source of energy. Keywords: Hydrogen; How to extract it; Storage; Efficiency; Alternative fuel. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Esquema dos processos de produção e utilização do hidrogênio 21 Figura 2 – Imagem ilustrativa da molécula do metano 22 Figura 3 – Sistema empregado para eletrólise da água 23 Figura 4 – Esquema de uma célula a combustível de metanol direto 25 Figura 5 – Esquema de produção de hidrogênio 26 Figura 6 – Hidrogênio como fonte de energia 30 Figura 7 – Primeiro carro com célula a combustível, Honda CFX 32 Figura 8 – Washington, Estados Unidos, posto de abastecimento de hidrogênio 34 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO 15 Tabela 2 – PODER CALORÍFICO DE DIFERENTES COMBUSTÍVEIS 29 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS H2O Água H2 Hidrogênio MME Ministério de Minas e Energia SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 11 1.1 Problema de pesquisa 11 1.2 Objetivos 12 1.2.1 Objetivos GERAL 12 1.2.2 Objetivos ESPECÍFICOS 12 1.3 JUSTIFICATIVA 12 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 14 2.1 Hidrogênio 14 2.1.1 Hidrogênio como elemento químico 14 2.2 Obtenção do hidrogênio 15 2.3 Porque utilizar o hidrogênio 16 2.4 Dificuldades 16 2.5 Sustentabilidade no transporte 17 2.6 Projetos de veículos movidos a H2 no Brasil 18 3. METODOLOGIA 20 3.1 como obter o hidrogênio 20 3.1.1 reforma do gás natural 21 3.1.2 produção do hidrgênio via eletrolise da água 22 3.1.3 eletrolitos 24 3.1.4 celula de combustível de metanol direto 24 3.1.5 outas formas de produzir hidrogênio 25 3.2 formas de armazenamento do hidrogênio 27 3.2.1 armazenamento sob forma de gás comprimido 28 3.2.2 comparação com outros combustíveis 29 3.3 aplicação do hidrogênio 30 3.3.1 ônibus brasileiro com hidrogênio 30 3.3.2 primeiro carro 32 3.3.3 roteiro até 2030 33 3.3.4 toyota mirai 34 4 resultados e discussões 36 4.1.1 caracteristicas energéticas 37 4.1.2 vantagem 37 4.2 vantagem no uso de selulas a combustível 37 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 38 REFERÊNCIAS 39 INTRODUÇÃO Sabe-se da importância dos combustíveis utilizados no mundo todo para a movimentação da frota. A utilização destes combustíveis demanda custos elevados e lentamente está acabando com a camada de ozônio, provocando vários fenômenos prejudiciais à saúde e ao planeta. A necessidade de alternativas para amenizar os problemas existentes e provocados pela utilização de combustíveis poluentes é evidente, assim o combustível hidrogênio vem de encontro às necessidades de alternativas energéticas de menor impacto ambiental. O Hidrogênio pode ser obtido da molécula de água, que tem como elementos o hidrogênio e o oxigênio (H2O). Também é um combustível com grande capacidade de explosão sendo três vezes mais explosivo comparado com a gasolina, devido ao hidrogênio ser altamente explosivo, sua utilização em um sistema de geração de energia ou de motores a combustão, pode gerar alto rendimento, aliado a economia e desempenho. PROBLEMA DE PESQUISA Atualmente a principal fonte de energia para a locomoção de veículos são os derivados de petróleo. A frota veicular brasileira está baseada no consumo de óleo diesel e gasolina, chegando a 76,1% do consumo de combustíveis, tendo apenas 3,2% de participação do gás natural e aproximadamente 17,2% de álcool anidro e hidratado juntos (ROGGIA et al. 2009, p. 4 e 5). Os derivados de petróleo são combustíveis não renováveis e consequentemente um dia irão se esgotar. Sem falar nos danos causados ao meio ambiente pelos gases gerados pela queima do material. Contudo a utilização de outra fonte de energia seria capaz de suprir as mesmas necessidades sem causar danos ao meio ambiente? Existe atualmente um gás combustível com maior capacidade de explosão que o petróleo e que não polui a atmosfera, trata-se do Hidrogênio. Ele por sua vez é uma energia renovável e eficiente e de fácil extração, abundante no Planeta Terra. OBJETIVOS DO TRABALHO Objetivo geral: Apresentar as vantagens e benefícios gerados na utilização do hidrogênio como combustível ou fonte de energia em veículos automotores ou outros equipamentos que necessitem de um combustível de alto rendimento energético, tendo em vista que será detalhado o funcionamento do hidrogênio bem como suas características, para que se tenha um bom desempenho e o correto funcionamento. Objetivos específicos: Demonstrar como se obter o Hidrogênio, e qual sua disponibilidade. . Caracterizar onde e como pode ser utilizado como combustível ou forma de energia. Demonstrar cuidados a serem tomados ao ser armazenado. Disponibilizar acesso às informações para futuras melhorias. JUSTIFICATIVA A necessidade de fontes energéticas limpas é cada vez mais importante no planeta, visto que a quantidade de veículos e a demanda por fontes de combustíveis são muito grandes, também é constante a busca por equipamentos que tenham um maior desempenho e estes por sua vês necessitam de um combustível com alta eficiência ou uma fonte de energia com alta capacidade, assim se busca criar uma maneira ambientalmente correta de meios existentes com combustíveis menos poluentes, e sem agredir ao meio ambiente. Se utilizando de informações já existentes, decorrentesde estudos já realizados sobre o hidrogênio, se busca ampliar os conhecimentos para a aplicação de energias limpas e sustentáveis, que possam estar disponíveis para a população. O hidrogênio é uma fonte de fácil obtenção e em abundancia na face da terra, porém de difícil armazenamento e altamente explosivo. É por este e outros motivos que ele se torna vantajoso utilizar no sistema de combustão de motores, proporcionando também, maior rendimento, potência, economia e o principal é um combustível limpo, não poluente. Com a informação adquirida no decorrer da graduação e na presente pesquisa acadêmica, se tem por finalidade estimular os interessados, servindo de base para que mais pessoas passem a utilizar o hidrogênio como combustível ou fonte de energia, Para que este tipo de energia deixe de ser um mito para muitos, é necessário incentivo governamental para que montadoras de veículos ou de maquinas de grande capacidade tais como os foguetes espaciais invistam em pesquisa para tornar o que hoje são na maior parte, protótipos em veículos fabricados em larga escala, sabe se que isso só não se tornou realidade até hoje devido a interesses de poucos nas reservas de petróleo ainda existentes no mundo. . FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA HIDROGÊNIO O Hidrogênio é um simples elemento de grande abundância no planeta e por sua vez é um elemento de fácil obtenção, porém de difícil armazenamento, possui propriedades altamente explosivas, se tornando um elemento perigoso e atualmente utilizado até no lançamento de foguetes espaciais. (CONELHEIRO e LUCIANO, 2012, p.02) HIDROGÊNIO COMO ELEMENTO QUÍMICO Lavoisier deu o nome de Hidrogênio a este elemento químico por ele produzir água, é encontrado em todos os seres vivos. O hidrogênio em sua forma natural é encontrado em H2O, ou seja; na água, assim ele é obtido através da separação do Oxigênio do Hidrogênio. (CONELHEIRO e LUCIANO, 2012, p.03) O Hidrogênio possui uma das mais simples estruturas atômicas, sendo o primeiro elemento da tabela periódica que contém um próton de carga 1+ e um elétron 1s1. Segundo pesquisas realizadas o universo é formado por 75% de hidrogênio, é um gás de baixa densidade, é incolor, não tem cheiro e praticamente insolúvel na água. O hidrogênio reage com a maioria dos elementos em condições apropriadas, é muito utilizado na produção de amônia, fertilizantes, conversão de óleo líquido em margarina, fabricação de plásticos. (CONELHEIRO e LUCIANO, 2012, p.02) A energia produzida no planeta, 99% é oriunda do Hidrogênio, este elemento foi produzido da reação entre metais e ácidos fortes, sendo que o primeiro dirigível que decolou com hidrogênio foi em 1852, seguido disso foram programados mais alguns voos. Este elemento possui um grande potencial para produzir energia mecânica ou realizar processos químicos e físicos. Também possui várias vantagens, sendo de fácil obtenção, a sua utilização produz apenas água, não poluindo o meio ambiente, é um elemento muito eficiente, por sua vez altamente explosivo. Podemos acompanhar a seguir na tabela 1 as propriedades do H2 (ALVES, 2014, p.01). Tabela 1: Propriedades do Hidrogênio PROPRIEDADES VALORES Fórmula química H2 Massa molecular g/mol Quantidade de energia por unidade de massa 145,0 MJ/Kg Temperatura do estado líquido -253 º C Massa volumétrica 0,08967 Kg/m3 Ponto de ebulição - 252,88 º C Ponto de fusão 259,20 º C Fonte: ALVES (2014) O poder calorífico do H2 é maior que qualquer outro tipo de combustível sendo 145,00 MJ/kg do H2, 28,00MJ/kg do álcool hidratado e 47,00 MJ/kg da gasolina. (ALVES, 2014, p.03). Obtenção do Hidrogênio O Hidrogênio é encontrado em grandes quantidades no planeta, porém em combinações com outros elementos, como por exemplo, na água; a separação dos elementos presentes na água pode ser feito através da eletrólise que é um processo eletrolítico, e ocorre da reação de oxirredução, onde são utilizados dois eletrodos em série mergulhados na água ligados ao reator, empregando uma solução de hidróxido de potássio, como condutor iônico. A eletrólise é um processo muito eficiente, cerca de 80 a 85% da eletricidade empregada encontra-se na energia química do Hidrogênio. (PALETTA et al., 2014, p.21) A eletrólise é relativamente simples e economicamente viável, utilizando a água como matéria prima na obtenção do Hidrogênio, através de energia elétrica para fazer a separação das moléculas. A mais comum é a eletrólise alcalina, que utiliza apenas 1,23 volts de tensão, e obtém grande eficiência. (CONELHEIRO e LUCIANO, 2012, p.03) Existem também muitos processos de produção do Hidrogênio em pesquisa e desenvolvimento, sendo os que seguem os mais promissores; termólise da água, ciclos termoquímicos, bioprodução por bactérias e bioprodução por algas. (PALETTA et al., 2014, p.21). Porque utilizar o Hidrogênio O Hidrogênio possui inúmeras vantagens, conforme menciona ANDRADE e LORENZI (2015)p.03 dentre elas estão: Elemento abundante e pode ser obtidos de várias formas Altamente denso e reativo Muito eficiente na utilização energética Elemento não poluente Dificuldades Altamente explosivo consequentemente difícil de armazenar A energia produzida é menor que a energia total para sua obtenção Não é uma fonte primária de energia Pode gerar poluição ao ser extraído Atualmente não se tem uma estrutura instalada para suprir a utilização desta fonte alternativa de energia, desta forma é sugerido utilizar redes de gasodutos instalados, destinados ao H2, instalar tanques de armazenamento ou vasos pressurizados para armazenar maiores quantidades, utilizar pontos estratégicos de pontos de abastecimento localizados próximos ao ponto de extração. (ARAÚJO, 2009, p.18). O Brasil em relação a alguns países está atrasado diante desta fonte alternativa de energia. Os países mais desenvolvidos já possuem estruturas e apoios governamentais ligados a este meio, proporcionando agilidade e maior desempenho na implantação destes sistemas para ser utilizado em veículos automotores. (ARAÚJO, 2009, p.18). Por este motivo conforme Conelheiro e Luciano (2012), p.01 é conveniente utilizar um sistema a ser implantado nos veículos automotores já existentes sem a necessidade de fazer alterações nos motores. Afinal carros elétricos, híbridos são tecnologias com altos custos que a grande maioria da população ainda não tem acesso. Nos EUA a tecnologia de produção e de utilização do hidrogênio nas células combustíveis é avançada. Os EUA, juntamente com a China e o Japão, lideram as pesquisas de processo de produção de hidrogênio nos últimos 20 anos, com 16%, 16% e 14%, respectivamente, do total de pesquisas (LELLIS et al., 2010 apud RAFFI; MASSUQUETTI; ALVES, 2013, p. 3105). Conforme Bezerra Filho (2008) apud Raffi; Massuquetti; Alves, (2013) p. 3105 e 3106 a Coréia do Sul, que aparece em quarto lugar no ranking (5%), conta com uma das maiores usinas de energia de células a combustível do mundo. Na fabricação automotiva grandes fabricantes de automóveis japoneses são ás que mais investem e utilizaram as células a combustível em alguns modelos de veículos, obtendo bons resultados diante da incorporação de nova tecnologia com o uso de hidrogênio como combustível. Em relação à distribuição percentual das patentes sobre as células a combustível no período 1989-2008, há a representatividade do Japão (67,19%), dos EUA (12,73%), da Alemanha (6,18%), da Coreia do Sul (5,15%) e da China (4,56%). O Brasil aparece com apenas 0,02% no período (LELLIS et al., 2010 apud RAFFI; MASSUQUETTI; ALVES, 2013, p. 3106). Já na Europa, o primeiro grande projeto na área de hidrogênio foi o Clean Urban Transport for Europe (CUTE), que teve por finalidade colocar em circulação 27 ônibus de transporte público abastecidos com célula a combustível. Esse projeto começou a funcionar no ano de 2000 e foram investidos 52 milhões de euros (LABORDE et al., 2010 apud RAFFI; MASSUQUETTI; ALVES, 2013 p. 3106).). Sustentabilidade no transporte O setorde transporte é de fundamental importância em meio à sociedade, permite o desenvolvimento, a integração, criação de polos industriais e comerciais, favorecer o lazer e consequentemente a qualidade de vida. Atualmente o órgão responsável pela legislação ambiental é o Conama. No Brasil é pouco divulgado as tecnologias que possibilitam a redução de poluentes. (REIS; FADIGAS; CARVALHO, 2005) Segundo Reis, Fadigas e Carvalho (2005) o Denatran indicou que em sete anos a frota seria dobrada deixando clara a necessidade da qualidade ambiental. Para tanto algumas cidades já apresentam interesse em tecnologias não poluentes para os grandes centros urbanos onde tem um grande número de veículos em circulação. O álcool é um exemplo de combustível renovável, porém que exige mão de obra para extraí-lo, mas existem pesquisas que indicam a Energia do Hidrogênio provido da separação das moléculas de H2O, proporcionando uma fonte de energia para diversos setores incluindo o sistema de transporte. A célula combustível gera energia através do Hidrogênio e Oxigênio (REIS; FADIGAS; CARVALHO, 2005, p.48) Conforme Paletta et al. (2014) as energias renováveis representam apenas 13% das energias consumidas no mundo, sendo 80% de combustíveis fósseis e 7% energia nuclear. Os combustíveis fósseis trouxeram o desenvolvimento para o mundo todo, mas com ele trouxeram problemas como a poluição e exploração das reservas, por este e outros motivos às energias renováveis serão objetos de estudos para as próximas décadas. Projetos de veículos movidos a H2 no Brasil Devido a fenômenos naturais que vem ocorrendo e mudando as condições ambientais a cada dia que passa, este projeto vem ganhando espaço cada vez maior na sociedade, buscando o desenvolvimento sustentável com energias limpas. Atualmente o Brasil possui uma matriz energética de 45% de energias renováveis com estatística de crescimento para os próximos anos, já no restante do mundo este percentual chega a 14%. O Brasil possui uma matriz diversificada de fontes renováveis, ponto positivo para introduzir o H2 e ficarmos independentes de combustíveis fósseis. O projeto Ônibus brasileiro a H2 é um passo importante para o inicio da utilização desta fonte de energia, impulsionando o desenvolvimento do país e demonstrando a viabilidade técnica da sua utilização. (MME, 2015, p.07). A estação de abastecimento de H2 está instalada em São Bernardo do Campo onde é realizada a separação das moléculas de H2O por meio de eletrólise utilizando eletricidade. Na separação das moléculas o Oxigênio é liberado para a atmosfera e o Hidrogênio é comprimido e armazenado para o abastecimento dos ônibus. (MME, 2015, p.08). O novo projeto é de responsabilidade do governo de SP que vem trazendo benefícios para a sociedade, o primeiro protótipo foi colocado em operação em 2010 e trouxe resultados positivos. Atualmente são três ônibus movidos a H2, esta tecnologia proporciona anular a emissão de poluentes formando apenas vapor d´água, além disso, estes ônibus são capazes de transportar o mesmo número de pessoas. Esta ideia foi desenvolvida pelas empresas; Ballard Power Systems, Inc., Hidrogenics Corporation, Marcopollo S.A., Petrobras Distribuidora S.A e Tutto Ind. de Veículos e Impl. Rod. Ltda, sendo que a EMTU/SP é a coordenadora do projeto. (MME, 2015, p.08) METODOLOGIA Em busca de informação e técnicas para aplicação do hidrogênio, serão demonstrados dados gráficos e comparações, mostrando o pros e contras em relação ao uso do hidrogênio como combustível ou fonte de energia. Experimentais objetivando justificar aquilo que está descrito no presente trabalho, demonstrado a eficiência do H2, a emissão de poluentes dentre outros fatores que vão decorrer no andamento. Os resultados serão passíveis de melhorias para que no futuro possa ter viabilidade. Como obter o hidrogênio Existem diversas formas de fazer a separação da molécula de H2, para tanto se utilizou nos experimentos a eletrólise, maneira que é simplificada para a utilização nos motores a combustão. Existem fabricantes no mercado que disponibilizam diferentes tipos e modelos de células de H2 e demais componentes a ser instalados têm como exemplo nas figuras a seguir conforme (FABRICANTE ENERGIA H2O, 2016, P.01) define: A revolução industrial e a utilização intensiva dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) estão associadas ao elevado nível de vida das sociedades ocidentais. Contudo, as reservas de combustível fóssil não são ilimitadas e a sua utilização tem impactos ambientais consideráveis como, por exemplo, o aumento do efeito estufa e as consequentes alterações do clima (Longo et al 2008). Atualmente, enfrentamos um novo desafio em termos energéticos, que se traduz por uma transição para fontes de energia renováveis e menos poluentes. Neste contexto, o hidrogênio (H2) surge como uma alternativa válida dado que é o elemento mais abundante no universo e a sua combustão direta produz uma quantidade significativa de energia, e libera apenas água. Nos últimos anos, as várias técnicas de produção de hidrogênio têm gerado grande interesse da comunidade científica e da indústria de combustíveis e de transportes. A sua obtenção é bastante flexível, sendo esta uma de suas características mais interessantes. Pode ser obtido a partir de energia elétrica (via eletrolise da agua), pelas fontes: hidroelétricas, geotérmicas; eólica e solar fotovoltaica, todas geológicas e também da eletricidade de usinas nucleares. Pode ainda ser obtido da energia da biomassa (via reforma catalítica ou gaseificação, seguido de purificação), como: etanol, lixo e rejeitos da agricultura (Saliba-Silva e Linardi, 2009). As fontes de hidrogênio mais viáveis economicamente são, entretanto, os combustíveis fosseis (via reforma catalítica ou gaseificação, seguido de purificação), como: petróleo, carvão e principalmente o gás natural. Figura 1: Esquema dos processos de produção e utilização do hidrogênio. Esta Figura é proveniente de um encarte do Centro Nacional de Referência em Energia do Hidrogênio (CENEH). 3.1.1 Reforma do gás natural: A reforma do gás natural é um dos processos mais eficientes de produção de hidrogênio, pois gera um considerável aproveitamento de 70 a 80% de conversão (Longo et al 2008). A reforma a vapor do gás natural utiliza energia térmica para separar os átomos de hidrogênio do átomo de carbono no metano, e envolve a reação do gás natural com vapor d’água a alta temperatura em superfícies catalíticas – platina ou níquel. O processo extrai os átomos de hidrogênio, deixando o dióxido de carbono como subproduto. O primeiro passo da reação decompõe o combustível em água e monóxido de carbono. Uma reação posterior transforma o monóxido de carbono e a água em dióxido de carbono e hidrogênio. A desvantagem deste processo é a liberação de dióxido de carbono à atmosfera, contribuindo com a poluição do planeta. Figura 2: Imagem ilustrativa da molécula do metano. Disponível em: www.collin.edu/biopage 3.1.2 Produção de Hidrogênio via eletrólise da água A eletrólise da água consiste na quebra de sua molécula em hidrogênio e oxigênio de acordo com a seguinte equação: 2 H2O eletricidade 2 H2 + O2 A eletrólise da água ocorre quando passamos uma corrente contínua por ela, desde que a tornemos condutora, pois a água pura não conduz corrente elétrica. Dessa forma, a adição de um eletrólito torna o meio condutor e possibilita a realização do processo. A carga elétrica quebra a ligação química entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio e separa os componentes atômicos, criando partículas carregadas (íons). Os íons se formam em dois polos: o ânodo, polarizado positivamente, e o cátodo, polarizado negativamente. O hidrogênio se concentra no cátodo e o ânodo atrai o oxigênio. Uma voltagem de 1,24V é necessária para separar os átomos de oxigênio e de hidrogênio em água pura a uma temperatura de 25ºC e uma pressão de 1,03kg/cm2. Esta tensão varia conforme a pressão ou a temperatura são alteradas (Longo etal 2008). Figura 3: Sistema empregado para eletrólise da água. Extraído de Longo et al 2008. pág. 8 Segundo Botton (2007) o processo para a produção de hidrogênio via eletrólise da água é um processo simples, que não precisa passar por muitas etapas, no entanto possui a desvantagem de ser um sistema de alto custo. Neste contexto, ainda segundo Botton (2008), novos materiais e condições de operações de eletrólise da água estão sendo pesquisados para que sua utilização seja economicamente viável. 3.1.3 Eletrólitos: Eletrólito é uma substância que, quando dissolvida em um dado solvente, produz uma solução com uma condutividade elétrica maior que a condutividade do solvente. Considerando como solvente a água, servem de exemplos como eletrólitos: sais (cloreto de sódio), ácidos (ácido sulfúrico) e bases (hidróxido de sódio). Outras substâncias que conduzem eletricidade utilizado para eletrólise da água são os chamados líquidos iônicos. Botton (2007) demonstrou a eficiência destes líquidos em sua tese de doutorado em Ciências dos Materiais, defendida em 2007 pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, e ressaltou ainda como possuindo maior eficiência, frente a teste com diferentes eletro catalisadores. 3.1.4 Célula a combustível de metanol direto: Utilização nas células. Vários combustíveis podem, em princípio, ser oxidados no anodo, mas o metanol é atualmente pode ser produzido a partir de gás natural ou de recursos renováveis, como a biomassa, e porque se considera que é possível adaptar a infraestrutura existente para os combustíveis derivados do petróleo para armazenar e distribuir o metanol. A denominada célula a combustível de metanol direto, ou DMFC (direct methanol fuel cell), constitui uma exceção à classificação das células baseada no eletrólito que utilizam. Nesse caso, a denominação da célula deve se ao fato de que o combustível utilizado é metanol, que é introduzido diretamente no anodo. A Figura 4 apresenta um esquema de uma célula a combustível de metanol direto. As células a combustível de metanol direto são células baseadas na tecnologia das PEFC, ou seja, o eletrólito que usam é uma membrana, e operam a temperaturas baixas, entre 60 °C e 120 °C. A Tabela 2 resume as características dos diferentes tipos de células a combustível. A natureza dos materiais que constituem os eletrodos das células a combustível é um detalhe importante, porque é na superfície dos eletrodos que as reações eletroquímicas ocorrem. Portanto esses materiais devem apresentar uma alta Atividade eletrocatalítica, ou seja, devem favorecer a cinética das reações eletroquímicas parciais. Também é necessário que sejam estáveis nas condições práticas de operação. Os materiais utilizados dependem do tipo de célula. Na atualidade, as células a combustível que operam a baixas temperaturas geralmente utilizam anodos e catodos nos quais o material ativo é na forma de nano partículas ancoradas sobre carbono. As células a combustível de óxidos sólidos usam atualmente anodos de NiO e catodos de LaSrMnO3, enquanto que nas células a combustível de carbonatos fundidos utilizam-se ligas de Ni (Ni-Al ou Ni-Cr) como anodos e NiO como catodo. Figura 4: Esquema de uma célula a combustível de metanol direto. 3.1.5 Outros formas de produzir o hidrogénio Na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência (American Association for the Advancement of Science) em Fevereiro de 2000 foi anunciado que tinha sido descoberto um tipo de algas que pode produzir hidrogénio sob condições cuidadosamente controladas. Um litro da cultura de algas poderá fornecer aproximadamente 3 cm3 de hidrogénio por hora. A equipa de investigação espera poder vir a aumentar este rendimento para umas 10 vezes. O Hidrogénio pode ser obtido pela reação de metais muito reativos (como cálcio ou sódio) com água, ou, como já mencionado acima, pela ação de ácidos sulfúrico ou clorídrico com metais moderadamente reativos como o ferro ou zinco. Algum do hidrogénio que é produzido na indústria usa o processo de Haber quando se fabrica a amónia. Outros métodos incluem processos durante a refinação, durante a fabricação da margarina e do metanol. O Hidrogénio ganha de dia para dia importância como “o combustível do futuro”, quer para a produção de energia eléctrica, quer para o transporte e no aquecimento da casa. Cada vez mais hidrogénio será usado para estes propósitos. As células a combustível funcionam como uma bateria ou uma pilha. Transformam energia química em energia elétrica, quebrando as moléculas de hidrogênio (H2). Raro na natureza, ele precisa ser extraído de outras fontes. As mais promissoras são a água, o etanol e o gás natural. Na eletrólise, o hidrogênio segue puro para a célula. De outros combustíveis, é preciso extraí-lo por meio de um reformador. Ele pode ser estocado em cilindros, no caso dos automóveis, ou produzido ao lado da célula. Na célula, o hidrogênio entra pelo lado anodo, é quebrado em íons (H+), que passam pelo eletrólito, enquanto os elétrons (e-) são barrados e levados a produzir eletricidade. Os íons que passam encontram o oxigênio do ar no outro lado e formam a água. Figura 5: Esquema de produção de hidrogênio, PESQUISA FAPESP, p 68 Formas de armazenamento do hidrogénio Em qualquer veículo em que não é fornecida a potência através de baterias ou por uma provisão externa de energia eléctrica, a energia é armazenada a bordo na forma de combustível que pode ser consumido e convertido em outras formas de energia. Aspectos importantes como a segurança, o espaço necessário para armazenar o combustível suficiente, para assegurar um bom abastecimento, e as condições que são precisas para o armazenamento devem ser tidos em consideração. Relativamente aos aspectos da segurança há uma percepção pública difundida que o hidrogénio é perigoso. Mas durante quase um século e meio, muitas cidades foram iluminadas por gás de carvão, e durante mais de um século foi usado por milhões de pessoas para cozinharem. Tipicamente, 50% do volume de gás de carvão era hidrogénio. Vários estudos aprofundados, inclusive um recente pela Agência Nacional Norte-Americana de Padrões (U.S. National Bureau of Standards), estabeleceram que os perigos de usar hidrogénio como um combustível são diferentes do petróleo/gasolina ou gasóleo, mas nenhum é maior do que o destes. O hidrogénio é certamente inflamável e explosivo no ar, tendo valores comparáveis ou melhores que os combustíveis. Qualquer fuga de hidrogénio dispersar-se-á rapidamente subindo no ar por causa da sua baixa densidade, bem como, uma chama de hidrogénio também subirá em lugar de espalhar horizontalmente. Quanto à questão do espaço este depende do método de armazenamento que seja usado. O processamento dos hidrocarbonetos ou metanol poderá ser bem uma fase intermédia para a transição para uma economia do hidrogénio em larga escala. Se a combustão é eficiente a 100%, a energia libertada num dm3 de petróleo é aproximadamente igual àquela que a combustão de 30 dm3 de hidrogénio liberta à pressão de 100 atmosferas. Onde existe mais espaço disponível o hidrogénio pode ser armazenado na forma gasosa, sendo comprimido. Este método de armazenamento é usado por exemplo nos tetos dos autocarros com pilhas de células de combustível PEMFC das frotas de Chicago e Vancouver (que têm uma autonomia de cerca de 550 km), e em unidades de pilha de células de combustível usadas nas habitações. As condições de armazenamento têm a ver com certas formas de armazenamento que requerem condições específicas, sendo o caso do armazenamento do hidrogénio no estado líquido. O hidrogénio líquido tem a desvantagem de ter que estar a uma temperatura muito baixa, pois evapora-se a -253ºC, de forma que quando está debaixo de pressão, precisa de muita energia para se liquefazer e manter frio, o que torna o processo bastante caro, e menos eficiente energeticamente. O armazenamento por absorção em um metal ou por formação de um hidreto demetal é muito caro, e depois do seu armazenamento é preciso aquecimento a 300ºC antes do hidrogénio ser libertado. Postos estes aspectos em consideração resta pois fazer uma breve descrição de cada um dos métodos possíveis para o armazenamento do combustível hidrogénio. 3.2.1 Armazenamento do hidrogénio sob a forma de gás comprimido Esta tecnologia está atualmente disponível nomeadamente sob a forma de cilindros (botijas) ou tanques sobre pressão, sendo um método de armazenamento direto amplamente usado quando são necessárias pequenas quantidades de gás. O hidrogénio armazenado deste modo pode ser fornecido à indústria, estabelecimentos de investigação e de ensino podendo estes cilindros (botijas) ou tanques serem facilmente obtidos em vários tamanhos, logo também para pequenos equipamentos com pequenas pilhas de células de combustível. Pode ser usada a mesma tecnologia que é desenvolvida para armazenamento de gás natural para o hidrogénio, podendo ser os cilindros (botijas) ou tanques de variados materiais, nomeadamente: aço, alumínio ou plástico. Este método é bom para utilizações onde o espaço disponível não é problema, podendo o hidrogénio ser comprimido em tanques ou outro tipo de recipiente próprio. A pressão de compressão do hidrogénio pode andar entre 200 e 250 bar para tanques de armazenamento de 50 litros, normalmente de alumínio ou carbono (grafite), podendo ser usados em pequenos projetos industriais ou nos transportes. Se for comprimido o hidrogénio para utilização em larga escala as pressões podem atingir os 500-600 bar, aumentando a densidade do armazenamento à medida que a pressão aumenta. Relativamente ao custo da compressão do hidrogénio para uma pressão de 350 bar poderá ser exigida uma energia de aproximadamente 5% do valor energético total do hidrogénio a comprimir, variando este valor com a capacidade do fluxo e a eficiência dos compressores usados. As vantagens principais de se armazenar o hidrogénio como gás comprimido são: simplicidade e a inexistência de perdas energéticas com o passar do tempo (após a compressão do H2). Este método de armazenamento é amplamente usado em aplicações onde a solicitação de hidrogénio é variável e não é muito alta, nomeadamente em unidades de pilha de células de combustível, nos autocarros, automóveis, em habitações, em estabelecimentos comerciais e industriais. 3.2.2 Comparação com outros combustíveis Tabela 2: Poder calorífico de diferentes combustíveis Combustível: Valor do Poder Calorífico Superior (a 25ºC e 1 atm) Valor do Poder Calorífico Inferior (a 25ºC e 1 atm) Hidrogénio 141,86 KJ/g 119,93 KJ/g Metano 55,53 KJ/g 50,02 KJ/g Propano 50,36 KJ/g 45,6 KJ/g Gasolina 47,5 KJ/g 44,5 KJ/g Gasóleo 44,8 KJ/g 42,5 KJ/g Metanol 19,96 KJ/g 18,05 KJ/g Aplicação do hidrogênio Figura 6: Hidrogênio como fonte de energia. Fonte: MARCOS DE OLIVEIRA. Ônibus brasileiro com hidrogênio No final de 2007 um ônibus movido a hidrogênio deverá circular na linha que liga os bairros paulistanos de São Mateus e Jabaquara, um trajeto de 33 quilômetros que também passa pelos municípios de Diadema, São Bernardo do Campo, Mauá e Santo André. O ônibus será montado no Brasil por um consórcio de empresas nacionais e estrangeiras e deverá ser anunciado neste mês de agosto. Sob a coordenação da Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos (EMTU), da Secretaria Estadual de Transportes, o projeto vai contar com financiamento do Global Environment Facility (GEF), do Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (Pnud), no valor de US$ 12,5 milhões. A contraparte brasileira e a organização do consórcio são do Ministério de Minas e Energia (MME), dos e Projetos (Finep), vai investir mais US$ 3,5 milhões. A primeira versão desse projeto era para ser implementada em 2002 com ônibus que viriam da Europa. "Agora nós vamos montar o ônibus e toda a infra- estrutura para produzir hidrogênio via eletrólise da água, além de adquirir conhecimento na montagem, custo, operação, manutenção e segurança desse tipo de veículo", diz Márcio Schettino, gerente de desenvolvimento da EMTU. "A idéia é montar o primeiro, e, em 2008, montar mais quatro ônibus." No Rio de Janeiro, outro ônibus a hidrogênio está em construção. O projeto é uma iniciativa da Coordenação dos Programas de Pós-graduação de Engenharia (Coppe), da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Petrobras e Finep. "Será um ônibus híbrido que vai funcionar somente cor célula a combustível ou com um motor elétrico por meio de um conjunto de baterias recarregadas pela célula", explica o professor Paulo Emílio de Miranda, coordenador do projeto. O hidrogênio será obtido a partir do gás natural da Petrobras. O projeto conta também com a empresa de carrocerias Buscar, da cidade de Joinville, em Santa Catarina, e da Eletra, empresa de São Bernardo do Campo, que produz ônibus com tração elétrica. Experimentos semelhantes já foram realizados na Europa e nos Estados Unidos. "O europeu durou dois anos e terminou neste ano com 30 ônibus em dez cidades europeias. E os resultados foram muito bons, sem nenhum problema em termos operacionais e de segurança", diz Schettino. Primeiro carro Honda FCX, primeiro veículo com célula a combustível aprovado nos Estados Unidos e Japão. Por enquanto, a fábrica só aluga. Ele atinge 150 km/h e tem autonomia de 430 quilômetros. Figura 7: Primeiro carro com célula a combustível, Honda CFX, Fonte: MARCOS DE OLIVEIRA. Com um gerador de célula a combustível do tamanho, hoje, de uma máquina de lavar roupa. Assim os reformadores estão na pauta de desenvolvimento de outros grupos de pesquisa no Brasil, como dois da Coordenação dos Programas de Pós-graduação de Engenharia (Coppe), da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). "Nós desenvolvemos um processo capaz de melhorar e tornar mais eficiente a reforma do gás natural e do etanol", diz Paulo Emílio de Miranda, coordenador do Laboratório de Hidrogênio da Coppe. O grupo desenvolveu e depositou patente de um reator usado em reformadores que funcionam à base da pirólise a plasma, um sistema que não usa vapor d'água nem catalisadores (substâncias que aceleram a reação química), como nos métodos tradicionais, e sim um gás ionizado, onde coexistem íons positivos e elétrons. A temperatura elevada dissocia as moléculas do combustível usado. "Nesse sistema não se produzem os gases C02 nem o monóxido de carbono (CO). O carbono existente nesses combustíveis se transforma num resíduo sólido chamado negro-de-fumo, que é uma das matérias-primas do pneu", diz Miranda. Também na Coppe, o professor Martin Schmal e seu grupo desenvolveram catalisadores e reatores para reformadores de gás natural e de etanol. "Nossa intenção é produzir o máximo de hidrogênio com o mínimo possível de C02 e de CO", diz Schmal. "Já depositamos patentes de catalisadores que são bem eficientes e hoje são objeto de desejo de países como a China." Para Schmal, os reformadores para células a combustível ainda não têm uma solução pronta em nível mundial. Várias pesquisas estão sendo realizadas para se encontrar um caminho mais eficiente e menos custoso. Roteiro até 2030 Em 2010 o Brasil iniciou a geração comercial de hidrogênio a partir da reforma de gás natural e em 2020 será a vez do etanol. Essas estão presentes na versão beta (ainda não definitiva) do "Roteiro para a estruturação da economia do hidrogênio no Brasil", que recebeu a colaboração de 115 profissionais, entre pesquisadores de instituições científicas e tecnológicas e de empresas. A coordenação geral do roteiro é do Ministério de Minas e Energia (MME) e a integração técnica do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT). Esse roteiro levou em 2007, a um programa nacional de produção e uso do hidrogênio. "Estamos definindo as rotas que interessam ao Brasil e que possam gerar benefícios sociais e econômicos, além de estudar as tecnologias relacionadas", diz MaurícioPereira Cantão, pesquisador do Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (Lactec), de Curitiba, Paraná, e consultor do roteiro. "É provável que em 2030 o hidrogênio tenha uma boa participação na matriz energética do país", diz Adriano Duarte Filho, coordenador-geral de tecnologias setoriais do MCT. "Nossa intenção agora é gerar fontes de conhecimento, fazer patentes e não apenas importar modelos prontos", diz Duarte Filho. O MCT, desde 2002, mantém o Programa Brasileiro de Sistemas Células a Combustível. Recentemente ele sofreu modificações. Figura 8: Em Washington, Estados Unidos, posto de abastecimento de hidrogênio Fonte: MARCOS DE OLIVEIRA. 3.3.4 Toyota mirai bate recorde de autonomia em carros comercializados com zero emissões O Toyota Mirai, um veículo elétrico movido através da pilha de combustível estabeleceu um novo recorde de autonomia registando 502 quilómetros; a maior distância percorrida (com um depósito/carga) entre os veículos com zero emissões presentes no mercado. O Toyota Mirai, o primeiro carro a hidrogénio a ser produzido em série, percorreu 502 quilómetros com um único depósito de hidrogénio. Brevemente disponível nos concessionários Toyota da Califórnia, o anúncio da ampla autonomia foi realizado por Jim Lentz, Diretor Executivo da Toyota na América do Norte o qual comentou, “A Toyota percebeu no início dos anos 90 que a eletrificação era a chave para o futuro dos automóveis. Tal como há cerca de 20 anos atrás com o Toyota Prius, o primeiro carro híbrido produzido em série, introduziu a eletricidade na mobilidade sendo hoje uma tecnologia presente em mais de 7 milhoes de viaturas… hoje, o Toyota Mirai está agora prestes a proporcionar uma nova era de eficiência e uma mobilidade assente no hidrogénio.”. O Toyota Mirai possui uma carroçaria Sedan, com 4 portas, amplo espaço interior, capacidade para 4 passageiros e bagageira. A sua tecnologia a pilha de combustível compete diretamente com os motores tradicionais de combustão interna, mas, com a vantagem de não gastar gasolina ou diesel. Em vez disso, o Mirai gera eletricidade usando hidrogénio, oxigénio e uma célula de combustível gerando apenas vapor de água. O Toyota Mirai é o único carro elétrico atualmente no mercado que ultrapassa a barreira da distância das 300 milhas de autonomia (502 quilómetros). resultados e discussões Viabilidade e infraestrutura Pesquisas de desenvolvimento em relação ao Hidrogênio estão sendo realizadas em todo o mundo por empresas de energia, montadoras de automóveis, fabricantes de equipamentos eletrônicos, universidades e centros de pesquisa especializados em energia alternativa, com o objetivo de diminuir principalmente os custos de sua produção, armazenamento, transporte, segurança e infraestrutura. No contexto internacional, verifica-se a adoção de ações visando ampliar o aproveitamento de energias renováveis com uma progressiva redução no uso dos combustíveis fósseis, reestruturando a produção, a distribuição, o uso da energia e incorporando novas tecnologias. A maior parte do hidrogênio produzido em todo o mundo ainda é utilizado como matéria-prima na fabricação de produtos como os fertilizantes, na conversão de óleo líquido em margarina, no processo de fabricação de plásticos e no resfriamento de geradores e motores. Entretanto, as pesquisas sobre o hidrogênio estão rapidamente sendo concentradas na geração de energia elétrica, térmica e de água pura através das “Células a Combustível”. O que chama a atenção principalmente, é que o hidrogênio é o elemento químico mais básico e abundante na natureza, e que sua combustão é totalmente limpa. Existe um movimento em favor de uma economia baseada no hidrogênio, e não mais no petróleo. Uma nova infraestrutura de produção, armazenamento, distribuição e transporte e uso da energia deverá surgir como forma de distanciar o mundo de um regime energético baseado em combustíveis fósseis, limitando as emissões de CO2 a apenas duas vezes o nível pré-industrial, minimizando os efeitos do aquecimento global em todo o Planeta e gerando energia de uma forma mais limpa, segura e eficiente. Portanto, a tecnologia baseada no hidrogênio é sem dúvida muito promissora e o hidrogênio será o vetor energético do futuro, não apenas no setor energético, mas também sendo um importante alicerce socioambiental. 4.1.1 Características energéticas Alto poder calorífico Alta velocidade de chama Ampla gama de inflamabilidade 4.1.2 Vantagens Pode ser obtido de diversas fontes (fosseis ou renováveis) Sua conversão produz apenas água (menor poluição local) Forma vários processos mais eficientes (dependendo das etapas) Alta densidade de energia por massa (vantagem no uso aeroespacial) Vantagens do uso das células de combustível As células a combustível são sistemas de conversão de energia química em energia elétrica que podem contribuir de maneira muito significativa com a geração de energia. As células a combustível têm vantagens em comparação com outros dispositivos de geração de energia porque são mais eficientes e porque os produtos gerados pelo funcionamento das células que operam com hidrogênio são água e calor, ou seja, são dispositivos essencialmente não contaminantes. Além disso, proporcionam flexibilidade e diversas opções para inúmeras aplicações estacionárias, para a propulsão de veículos e para aplicações portáteis. Em todos os casos, deve-se lembrar que um sistema gerador de energia é mais do que um simples conjunto de células a combustível. Para cada aplicação específica, é necessário considerar diversos aspectos relacionados com a segurança e o conforto do usuário, a potência adequada, tempo de resposta, tamanho etc. CONSIDERAÇÕES FINAIS Através da pesquisa realizada foi identificado no estudo apresentado que existem diversas formas de obter o Hidrogênio, que por sua vez foi o elemento chave de estudo. A aplicação do mesmo está se popularizando a cada dia que passa, por ser um elemento renovável, de diversas aplicações e altamente eficiente. A ideia é conscientizar as pessoas a passarem a utilizar o Hidrogênio em veículos como combustível, ou como fonte de energia, diminuindo assim a emissão gás carbônico e hidrocarbonetos que prejudicam tanto o planeta, além de proporcionar redução de custos e colaborando para preservação do meio ambiente. Os combustíveis fósseis são um bem escasso, na posse de apenas alguns países, que cada vez se vão tornando mais caros e cuja utilização liberta poluentes. Neste contexto, procura-se uma forma alternativa e competitiva de produzir energia que possa vir a substituir os combustíveis fósseis. Esta pode estar nos combustíveis hidrogenados. Uma possibilidade que se põe atualmente e é tecnicamente possível, é a substituição das infraestruturas de armazenamento dos combustíveis fósseis por hidrogénio, ou até mesmo através de metanol (processamento a bordo do equipamento), o que significaria custos volumosos a conversão das estações de abastecimento. Entretanto, políticas públicas, projetos, pesquisas e, incentivos aos consumidores devem ser estudados por parte dos governantes e das montadoras de veículos, a fim de propiciar o financiamento, implantação, operação e monitoramento de combustível menos poluente nos veículos. No meio acadêmico e científico estudos complementares devem dar continuidade aos levantamentos iniciais realizados no presente estudo, a fim de desenvolver a produção e consumo consciente do hidrogênio. REFERÊNCIAS ALVES H. J. Tecnologias de Produção de Hidrogênio. Programa de Pós-Graduação em Bioenergia, UFPR, Palotina PR 2014. Disponível em: http://www.unicentro.br. Acesso em: 29/03/2016. 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