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UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ Pré-projeto TCC1 HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL, ESPECIFICAÇÃO E MOTORIZAÇÃO. WESLEY DE ABREU DA SILVA Orientador: Prof. Dr. Gentil Oliveira Pires Niterói 2018 i UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ Pré-projeto TCC1 Hidrogênio Combustível, Especificação e Motorização. WESLEY DE ABREU DA SILVA Orientador: Dr Gentil Oliveira Pires Trabalho apresentado por Wesley de Abreu da Silva como Pré projeto TCC1 do periodo academico 2018-2 do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Estácio de Sá, campus Niterói sob a orientação do professor Prof. Dr Gentil Oliveira Pires. Niterói 2018 ii UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ Pré-projeto TCC1 Hidrogênio Combustível, Especificação e Motorização. WESLEY DE ABREU DA SILVA Aprovada em ____/____/_____. BANCA EXAMINADORA _________________________________________________ Prof(a).Dr(a), Me ou prof.(a) Nome do Orientador(a) (Universidade Estácio de Sá) (Orientador) __________________________________________________ Nome Completo Titulação-Instituição __________________________________________________ Nome Completo Titulação-Instituição CONCEITO FINAL: _________________ Niterói 2018 i DEDICATORIA (opcional) AGRADECIMENTOS(opcional) EPIGRAFE (opcional) RESUMO Com a crescente necessidade de buscas por combustíveis alternativos para veículos com o objetivo de mitigar os gases poluentes que prejudicam o meio ambiente e a saúde humana, o hidrogênio voltou a ser um dos focos das pesquisas para ser utilizado em combustíveis e diversas tecnologias têm aparecidos no mundo inteiro. O hidrogênio tem propriedades que nenhum outro gás possui: baixa densidade, é abundante no universo, apresenta elevada quantidade de energia por unidade de massa e pode ser facilmente produzindo a partir da água. Entretanto para ser produzindo a partir da água, através de processos de eletrólise, a Engenharia precisa desenvolver tecnologias para que essa produção seja viável economicamente. Para contribuir com os desenvolvimentos dessa tecnologia, serão efetuados diversos testes laboratoriais e estudos tecnológicos para utilizar o hidrogênio como combustível e efetuar uma especificação para sua motorização, no sentido dos custos, da eficiência energética e da mitigação dos gases poluentes. Palavras-chaves: Hidrogênio combustível, eletrólise, motorização, eficiência energética, Poluição. ABSTRACT With the growing search for alternative fuels for vehicles with the aim of mitigating polluting gases that harm the environment and human health, Hydrogen has once again become a focus of research to be used on fuels and various technologies have appeared worldwide. Hydrogen has properties that no other gas has: has low density, is abundant in the universe, shows high amount of energy per unit mass and can be easily produced from liquid water. However, to obtain hydrogen gas from liquid water through electrolysis processes, Engineering needs to develop technologies to make it viable economically. To contribute to the development of these technologies, several laboratory tests and technological research shall be carried out so as to use hydrogen as a fuel, and to make a specification of its motorization. Considering the costs, energy efficiency and mitigation of polluting gases. Keywords : Hydrogen fuel, electrolysis, motorization, energy efficiency, Pollution. : LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1. Diagrama de uma célula de combustível. Figura 2. Queima do Hidrogênio. Figura 3. Condição da energia química. Figura 4. Variação dos limites de flamabilidade do hidrogênio com a temperatura. Figura 5. Comparativo da faixa de flamabilidade dos combustíveis na temperatura atmosférica. Figura 6. Produção de Hidrogênio. Figura 7. Célula geradora de hidrogênio. Figura 8. Vista lateral da célula geradora de hidrogênio. Figura 9. Conjunto Completo do modelo. Figura 10. Estrutura de um motor de combustão interna. Figura 11. 1º tempo, admissão da mistura de ar com o combustível. Figura 12. 2º tempo, Compressão. Figura 13. 3º Tempo, explosão. Figura 14. 4º tempo, exaustão. Figura 15. Comparação do ciclo Otto real versus o ideal. Figura 16. Emissão de poluentes das diversas tecnologias. LISTA DE TABELAS Tabela 1. Densidade energética do hidrogênio versus de outros condutores de energia. Tabela 2 - Características relevantes para o uso do hidrogênio como combustível em motores de combustão interna. Tabela 3. Comparação da temperatura de autoignição dos combustíveis. LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS (opcional) LISTA DE SÍMBOLOS (opcional) Sumário 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 14 2. JUSTIFICATIVA .................................................................................................. 16 3. OBJETIVOS ........................................................................................................ 16 a. Objetivo geral ........................................................................................................ 16 b. Objetivos específicos .......................................................................................... 16 4. METODOLOGIA ................................................................................................. 17 5. DESENVOLVIMENTO ........................................................................................ 18 5.1. Referencial Teórico ............................................................................................ 18 5.1.1. Hidrogênio ....................................................................................................... 18 5.1.1.1. Historia ......................................................................................................... 18 5.1.1.2. Células a Combustível .................................................................................. 19 5.1.1.3. Propriedades ................................................................................................ 20 5.1.1.4. Característica do Hidrogênio como combustível e a imprescindibilidade da precaução .................................................................................................................. 23 5.1.1.5. Produção de Hidrogênio ............................................................................... 28 5.1.1.5.1. Eletrólise .................................................................................................... 28 5.1.1.6. Armazenamento de Hidrogênio .................................................................... 31 5.1.2. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ........................................................ 32 5.1.2.1. Ciclo Otto ...................................................................................................... 33 5.1.3. Impactos ambientais ........................................................................................ 36 6. CONCLUSÃO .....................................................................................................39 7. CRONOGRAMA ................................................................................................. 40 8. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 41 14 1. INTRODUÇÃO Segundo a Associação Nacional de Transporte Público – ANTP (2012), A crescente motorização da mobilidade urbana e os consequentes impactos ambientais têm envolvido cada vez mais pesquisas científicas na busca por compreender a diversidade das transformações urbanas e ambientais. Este fenômeno ganhou relevância dentro da comunidade científica após a assinatura do Protocolo de Quioto em 1997, quando os veículos motorizados foram descritos como um dos principais poluidores da atmosfera, representando entre 80% a 95% do consumo das energias não renováveis, segundo o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas – IPCC, na sigla em inglês. Segundo Rafael Barczak (2009) classificou uma das medidas de mitigação tecnológicas é o desenvolvimento dos combustíveis menos poluentes, motores mais eficientes e energia limpa de artigos publicados em período internacionais na base ISI-Web of Knowledge, entre 1997 a 2010 em análise da produção científica internacional sobre as estratégias de mitigação e compensação relativas aos impactos da mobilidade urbana motorizada. (ANTP, 2012) Segundo a ANTP (2012) conforme citado por Zundt (2009), no contexto energético, o uso de veículos movidos à célula combustível a hidrogênio é apresentado como uma abordagem tecnológica revolucionária para a prestação de serviços de transporte. Trata-se de uma tecnologia que permite emissões muito baixas de carbono no seu processo de produção, quando obtida de outros processos que não a eletrólise, ou nulas quando esse processo é utilizado, bem como a sua eficiência energética é muito superior em conversão de energia quando comparada aos motores de combustão interna que apresentam grande déficit. Trazer para o centro de discursões o desenvolvimento de combustíveis menos poluentes, motores mais eficientes e energia limpa como, por exemplo, o hidrogênio e mostrar com ele pode vir a impactar diretamente indivíduos e empresas na utilização de energia limpa e renovável ajudando a mitigar os gases poluentes do efeito estufa. Discutir e corroborar a célula combustível a hidrogênio a eficiência energética e menos poluentes em relação aos combustíveis fósseis. Assim, as fabricantes de veículos podem vislumbrar um transporte com energia limpa e sustentável, enquanto a sociedade se beneficia da redução dos níveis de poluição e da mitigação dos efeitos estufa. Por outro lado, negar a importância de utilização de um combustível menos poluente é desconsiderar totalmente as discursões e 15 análises sobre energias renováveis, mitigação do efeito estufa, social e ambientalmente pode significar uma aceleração do esgotamento dos recursos e o agravamento de situações que podem comprometer a própria sobrevivência da sociedade. Como a comunidade científica tem como objetivo analisar e descobrir e, posteriormente, produzir transformações, as discursões sobre o hidrogênio combustível e os impactos ambientais da motorização urbana, revestem-se de importância para o meio acadêmico. Nesse contexto, a maior produção de estudos e conteúdos sobre hidrogênio combustível, especificação e motorização pode ser o início de um processo de transformação que começa na academia e estende seus reflexos para realidade social. Para o curso de Engenharia Mecânica e a área de conhecimento que envolve motores e projetos mecânicos, pesquisas e trabalhos sobre o hidrogênio combustível, especificação e motorização são cada vez mais necessários e pertinentes. 16 2. JUSTIFICATIVA A frota de veículos utilizando combustíveis fósseis está crescendo cada vez mais, e com isso gerando mais poluição, agravando o efeito estufa. Com o objetivo de mitigar a poluição do meio ambiente, a pesquisa sobre Hidrogênio combustível, especificação e motorização visa analisar, comparar e corroborar que é possível utilizar a célula combustível à hidrogênio. O hidrogênio é o elemento químico mais abundante no universo, a utilização dele como combustível traz vantagens e benefícios à toda a sociedade, pois as emissões de gases poluentes são baixíssimas afetando diretamente nos centros urbanos, proporcionando um ar mais puro, não prejudicial à saúde e além de ser um combustível de energia renovável, mais limpo, mais eficiente e de menor custo em relação aos outros combustíveis fósseis utilizados. Ignorar estes fatos pode comprometer a sobrevivência da sociedade ambientalmente e socialmente. 3. OBJETIVOS a. Objetivo geral Avaliar a utilização do hidrogênio como combustível em um motor de ciclo Otto. b. Objetivos específicos Definir os parâmetros para a Especificação e Motorização para utilizar o hidrogênio como combustível. Identificar o melhor processo para obtenção do hidrogênio. Demonstrar a utilização do hidrogênio como combustível alternativo. Investigar dispositivos mecânicos e químicos para melhorar o rendimento das células de hidrogênio. Comparar o hidrogênio combustível com os combustíveis fósseis como a gasolina, álcool, diesel e GNV (Gás Natural Veicular). Esquematizar um sistema eficiente para utilização do hidrogênio como combustível. 17 Avaliar a Especificação e Motorização nos Motores a hidrogênio. 4. METODOLOGIA Os procedimentos para produzir um gerador de hidrogênio por eletrólise, e todo o sistema de geração de hidrogênio, para conseguir ter um hidrogênio mais puro para ser usado em um motor de ciclo Otto. Elaborar um estudo de caso com análise qualitativa junto com a revisão bibliográfica. Serão elaborados em minha residência e nos laboratórios da faculdade. Os instrumentos de coleta serão, instrumentos para realizar as medições e especificações conforme necessários para coleta de dados. 18 5. DESENVOLVIMENTO 5.1. Referencial Teórico 5.1.1. Hidrogênio O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo e quando utilizado como combustível, o produto dessa reação é apenas H2O. Apresenta características que nenhum outro gás possui, como baixa densidade e elevada energia por quantidade de massa. É sabido que através da eletrolise é possível obter um gás combustível composto por oxigênio e hidrogênio, permitindo a utilização do hidrogênio como combustível. [1] A célula de combustível e a “economia do Hidrogênio” parece ser uma das “tecnologias do amanhã”. Entretanto essa história começou antes mesmo da célula de combustível há mais de 500 anos. [2] 5.1.1.1. Historia O alquimista suíço Paracelsus (1493-1591), produziu um gás inflamável misturando metais com ácido, esse foi o primeiro registro histórico. Observa-se que ele não tinha conhecimento de que o gás era o Hidrogênio. [2] Depois de alguns anos, um cientista conhecido com Robert Boyle (1627- 1691), mais conhecido pela Lei de Boyle para um gás ideal. Realizou uma experiência e observou a reação de limalhas de ferro e ácido e detectou que era o mesmo experimento de Paracelsus. Então publicou suas descobertas em um artigo chamando o hidrogênio de “solução inflamável de Marte”. [2] Em 1766, Henry Cavendish (1731-1810), realizou uma investigação sistemática que corroborou o hidrogênio como uma substância única e diferentes de todos os outros gases. Ele observou através da reação de metais com ácidos que o gás era inflamável e produzia água quando queimava na presença de ar. [2] Entretanto foi Lavoisier que deu o nome ao elemento químico que conhecemos hoje “hidrogênio” que na tradução do grego significa formação de água. Porque ele descobriuque as partes constituintes da água eram hidrogênio e 19 oxigênio e também detectou que o hidrogênio quando queimava na presença de oxigênio, havia formação de orvalho. [2] 5.1.1.2. Células a Combustível As células a combustível são dispositivos eletroquímicos que tem o objetivo de possibilitar a transformação direta da energia química contida no combustível em energia elétrica. As células a combustíveis são dispositivos análogos às baterias em alguns aspectos, que fornecem a partir de uma reação química eletricidade em corrente continua. Entretanto, as baterias têm autonomia limitante e necessitam ser recarregadas continuamente, ao contrário das células de combustíveis que precisam apenas de fornecimento de combustível comburente (oxigênio ou ar) para fornecerem energia elétrica. [3] Em 1839, Willian Grove descobriu o principio do funcionamento destas células elétricas diretamente a partir da reação do hidrogênio com o oxigênio utilizando um ânodo e um cátodo de platina imersos em ácido sulfúrico. [3] Em 1960, a General Eletric desenvolveu uma célula de combustível chamada membrana de troca de prótons (Proton Exchange Membrane, PEM) e foi utilizada no programa espacial Gemini V nos EUA. A célula de combustível PEM é semelhante ao Teflon eletrólito que foi introduzido com ácido. Entretanto na década de 1960 foi a época de abundancia e de baixo custo do Petróleo, quando o mundo não estava procurando uma solução para problemas futuros. As primeiras especificações para células de combustível não foram suficientes para permitirem a fabricação de veículos práticos e protótipos de demonstração. [2] Em 1993, a Ballard Power Systems1 fez renascer o interesse em tecnologias de células de combustíveis mostrando melhorias importantes em veículos utilizando uma célula de combustível, ainda ratificou que é possível obter potências mais elevadas, chegou a exibir um ônibus movido à célula de combustível. Com o crescente interesse em energias limpas e ecológicas na última década, o hidrogênio voltou a ser um foco para possíveis dilemas no sentido da segurança energética e das mudanças climáticas. Foi inaugurada em 2003, a primeira estação pública de 1 Uma desenvolvedora e fabricante de produtos de células de combustível membrana de troca de prótons. 20 abastecimento de hidrogênio em Reykjavik, Islândia que atendia aos três ônibus a hidrogênio da cidade. [2] A Figura 1 retrata elementos essenciais de uma célula de combustível, sendo constituído de um eletrodo positivo (ânodo), um eletrodo negativo (cátodo) e um eletrólito. O ânodo é abastecido pelo hidrogênio, ao mesmo tempo que o cátodo é abastecido por oxigênio. O catalisador efetua a divisão dos elétrons dos átomos de hidrogênio, onde o combustível é oxidado eletroquimicamente na superfície do ânodo, com isso temos íons positivos. O eletrólito impede o fluxo dos elétrons, possibilitando apenas a passagem dos íons do ânodo para o cátodo, obrigando a prosseguir pelo circuito elétrico exterior à célula. A formação de água ocorre quando os íons de hidrogênio chegam ao cátodo, pois ocorre a união simultânea dos átomos de oxigênio fornecida pelo cátodo e com os elétrons que retornam do circuito elétrico. [4] Figura 1. Diagrama de uma célula de combustível. Fonte: Hidrogênio como combustível, ALMEIDA, A. T & MOURA, P. S. 5.1.1.3. Propriedades A molécula de Hidrogênio (H2) é uma ligação covalente 2 constituída de dois átomos que possui prótons e elétrons, onde a interação é o compartilhamento de 2 Caracteriza-se pelo compartilhamento de um ou mais pares de elétrons dos átomos, por causa de uma interação mútua entre eles, mantendo as moléculas resultantes unidas. Para ficarem eletricamente estável os átomos compartilham elétrons da sua camada de valência externa para o preenchimento das mesmas. Possuindo uma força intermolecular maior do que da ligação iónica. Ligações covalentes acontecem frequentemente com átomos eletronegatividade semelhantes (normalmente entre não metais), porque remover um elétron requer muita energia. 21 elétrons, cujo símbolo químico é o H, divergindo de outro elemento qualquer. Por possuir essa composição química não corresponde a qualquer grupo da tabela periódica. Frequentemente é posicionado no topo do grupo I (metais alcalinos), pois sua característica é eletropositiva, entretanto em alguns casos se equipara com os halogéneos, recebendo um elétron, transformando-se num íon mono negativo. [1] O hidrogênio em seu estado natural é um gás inodoro, incolor, insípido e é bastante leve em comparação com o ar. O hidrogênio compõe aproximadamente 70% da atmosfera do planeta Terra. A massa visível do universo é composta de aproximadamente 75% de hidrogênio e 90% das moléculas como a água (H2O) e as proteínas dos seres vivos contêm hidrogênio. No estado líquido, ocupa um volume 700 vezes menor do que ocuparia estuando no estado gasoso. Entretanto, para liquefazer necessita estar em uma temperatura de -253 ºC, em sistema de armazenagem conhecidos como criogênicos. Acima dessa temperatura se encontra em forma de gás e pode ser armazenado em cilindros de alta pressão. [5] A energia conhecida é de 120,7 [KJ/g] (energia por unidade de massa), e 141,9 [mJ/kg] (energia por unidade de peso), sendo distintos dos outros combustíveis. 1 Kg de H equivale à 2,8 Kg de gasolina. Possui uma massa especifica de 0,08967 kg/m3, ou seja, o hidrogênio é 14,4 vezes menos denso que o ar (ρar = 1,2928 kg/m 3). Temperatura de ebulição é de -252,88ºC e de fusão é de -259,20ºC. Quando submetidas a pressões altas, suas moléculas se comportam de maneira diferente, transformando o hidrogênio em um líquido metálico. Entretanto quando submetido a pressão muito baixa, encontra-se na forma de átomos individuais. [1] O hidrogênio possui aproximadamente 2,62 vezes mais energia que a gasolina e 2,4 vezes mais energia que o gás natural, por unidade de massa. Na tabela 1 encontram-se as comparações do hidrogênio com outros combustíveis e eletricidade [4]. 22 Tabela 1. Densidade energética do hidrogênio versus de outros condutores de energia. Portador de energia Forma de armazenamento Densidade de energia por massa [kWh/kg] Densidade de energia por volume [kWh/l] Hidrogênio Gás (200 atm) 33,3 0,53 Gás (300 atm) 33,3 0,75 Gás (800 atm) 33,3 2,92 Líquido (-253ºC) 33,3 2,36 Hidretos metálicos 0,58 3,18 Gás natural Gás (200 atm) 13,9 2,58 Gás (300 atm) 13,9 3,38 Líquido (-162ºC) 13,9 5,8 GLP Líquido 12,9 7,5 Metanol Líquido 5,6 4,42 Gasolina Líquido 12,7 8,76 Gasóleo Líquido 11,6 9,7 Eletricidade Bateria ácido- chumbo 0,05 0,1 Bateria iões de lítio 0,25 0,05 Fonte: Hidrogênio como combustível, ALMEIDA, A. T & MOURA, P. S. Dependendo da concentração da mistura de hidrogênio e oxigênio, são inflamáveis, em alguns casos até explosivos. Quando queimado com oxigênio puro, os únicos subprodutos são água e calor (figura 1). Alguns óxidos de nitrogênio (NOX) são formados quando queimados com o ar, sendo constituído de 68% de nitrogênio e 21% de oxigênio. Entretanto ainda assim, é menos poluente que os combustíveis fósseis. [5] 23 Figura 2. Queima do Hidrogênio. Fonte: CONELHEIRO; ARQUIMEDES (2012, p.3) 5.1.1.4. Característica do Hidrogênio como combustível e a imprescindibilidade da precaução O Hidrogênio possui uma chama que não é possível enxergar à luz do dia porque sua emissividade é muito baixa – 17 a 25% - radiando uma luz quase invisível, mais baixa dos outros combustíveis fosseis, como por exemplo, o propano, butano e a gasolina – 34 a 43%. O hidrogênio se torna menos perigoso em caso de acidentes por causa dessa característica,sua radiação transmitida é menor. Entretanto sua existência não é percebida facilmente. Além da chama ser muito quente, tendo uma densidade energética de 38 [KWh/kg] enquanto que da gasolina é de 14 [KWh/kg]. Uma mistura de hidrogênio necessita de uma energia para ignição de apenas 0,04 [mJ] de ar, já a dos hidrocarbonetos de 0,25 [mJ]. Sendo extremamente inflamável no ar, com o risco de ocorrer auto inflamação por causa da baixa energia necessária para inflama-lo. [1] A capacidade de difusão do hidrogênio é extremamente alta através de outros gases devido à baixa densidade que possui, em materiais a difusão é mais relacionada com temperaturas elevadas. Além de ser mais volátil do que o butano, gasolina e propano, isso permite rapidamente dispersa-lo. [1] O hidrogênio é mais seguro que o gás de cozinha (GLP) e os combustíveis líquidos (Etanol, Gasolina e Diesel), por ser menos denso que o ar, com isso escapa mais facilmente. Em caso de vazamento, não se acumula e por essa razão evita explosões e grandes incêndios. [5] A energia fornecida pela alta reatividade3 dos combustíveis químicos produz um trabalho útil como, por exemplo, nos motores de combustão interna onde a energia é liberada explosivamente como calor ou em uma reação eletroquímica onde a energia é liberada através de um potencial elétrico e calor podendo ser uma bateria ou uma célula de combustível. Uma mistura de hidrogênio e oxigênio precisa apenas de uma pequena quantidade de energia para ativar a reação, basta uma 3 Reatividade é a característica de todo combustível química, onde ocorre uma reação química das moléculas interagindo com o oxigênio (do ar) para que as reações finais estejam um estado de energia mais baixo do que das moléculas iniciais que não reagiram. 24 faísca como pode exemplo uma vela de ignição, as moléculas reagem com bastante potência liberam uma quantidade bem significativa de calor, sendo a água como produto final dessa reação química. [6] Figura 3. Condição da energia química. Fonte: Hydrogen properties, college of the desert, 2001. Desta forma, a água pode ser convertida de um estado de baixa energia, em hidrogênio e oxigênio em um estado de energia mais alta, apenas adicionando uma maior energia de ativação maior do que a anterior, este é o principio da produção de hidrogênio através da eletrólise. [6] Na tabela 2 é possível identificar características de externa importância para serem avaliadas em um combustível, como, por exemplo, a gasolina e o GNV precisam de 12 e 14 vezes mais energia de ativação respectivamente, a mais do hidrogênio. [7] Tabela 2 - Características relevantes para o uso do hidrogênio como combustível em motores de combustão interna. Propriedades Gasolina GNV Hidrogênio Efeito Limite de flamabilidade 0,7 a 4 0,4 a 1,6 0,1 a 7,1 Grande extensão de flamabilidade*** Velocidade laminar de chama (m/s) * 0,37 a 0,43 0,38 1,85 Alta velocidade de chama (boa estabilidade)*** 25 Número de octano pesquisado 87 a 99 140 >120 Altas taxas de compressão Temp. de chama adiabática (k) * 2580 2214 2480 Mínima energia de ignição * 0,24 0,28 0,02 Propenso a pré- ignição** Temperatura de autoignição (k) * 550 723 858 Distância de extinção de chama (mm) * 2 2,1 0,64 Valor calorifico inferior (MJ/kg) * 44,79 45,8 119,7 Calor de combustão (MJ/kg) * 2,83 2,9 3,37 *Mistura estequiométrica **Desfavorável ***Favorável Fonte: Advanced Hydrogen-Fueled Engines: Potential end Challenges, WHITE, C. A combustão depende de três fatores: a flamabilidade dos combustíveis, oxigênio e uma fonte de ignição. A mistura de hidrogênio e oxigênio do ar em proporções adequadas, precisando apenas de uma faísca, uma chama ou um calor elevado que é a fonte de ignição. [6] Os combustíveis necessitam estar em estado de vapor ou gases para efetuar a queima, por isso é necessário saber o ponto de fulgor4 e o ponto de inflamação5 (flashpoint). Se uma temperatura estiver inferior ao ponto de inflamação, a queima não poderá se realizar. Não devemos confundir o ponto de fulgor com o de auto-inflamação que é a temperatura na qual o combustível explode em chamas. Para o hidrogênio, o ponto de fulgor é pouco relevante, pois em temperatura ambiente é encontrado totalmente vaporizado, já para os combustíveis líquidos como a gasolina o ponto de inflamação atua como um limite inferior de temperatura de flamabilidade. [6] 4 Ponto de fulgor é a característica que descreve a facilidade de combustíveis poderem ser convertidas em vapor. 5 Ponto de inflamação é definido como a temperatura na qual o combustível produz vapores suficientes para formar uma mistura inflamável. 26 Definimos o intervalo inflamável nas proporções adequadas para combustão pelos limites inferior de Flamabilidade (Lower Flammability Limit LFL) e superior de Flamabilidade (Upper Flammability Limit UFL), onde LFL, não há combustível suficiente para a combustão, e UFL, não há oxigênio suficiente para a combustão, sendo uma mistura muito pobre e muito rica respectivamente. Torna-se mais perigoso a liberação de hidrogênio em local fechado do que liberar diretamente no ar, pelo fato de uma explosão ser diferente de um incêndio. Para uma explosão acontecer, a combustão deve ser contida, possibilitando a elevação da temperatura e pressão para destruir a contenção com extrema violência. Em temperaturas atmosféricas padrão, o hidrogênio é inflamável e explosivo em uma alta faixa de concentração (4 – 75%) e (15 – 59%) respectivamente. Pequenos vazamentos de hidrogênio em local fechado têm alto risco de explosão ou incêndios pela ampla faixa de flamabilidade ou explosão. [6] Figura 4. Variação dos limites de flamabilidade do hidrogênio com a temperatura. Fonte: Hydrogen properties, college of the desert, 2001. 27 Figura 5. Comparativo da faixa de flamabilidade dos combustíveis na temperatura atmosférica. Fonte: Hydrogen properties, college of the desert, 2001. O hidrogênio possui uma temperatura de autoignição de 585ºC, sendo uma temperatura mínima para começar uma combustão autossustentada em uma mistura de combustível na falta de uma fonte de ignição [6]. Por causa desse motivo, o hidrogênio deve ser usado apenas em motores de ciclo Otto, pois possuem uma fonte de ignição ao contrario do ciclo Diesel. Tabela 3 – Comparação da temperatura de autoignição dos combustíveis. Combustível Temperatura de autoignição Hidrogênio 585ºC (1085ºF) Gasolina 230 a 480ºC (450 a 900ºF) Diesel 210ºC (410ºF) Metano 540ºC (1003ºF) 28 Propano 490ºC (914ºF) Metanol 385ºC (725ºF) Fonte: Adaptado de Hydrogen properties, college of the desert, 2001. 5.1.1.5. Produção de Hidrogênio O hidrogênio é quimicamente muito ativo, dificilmente é encontrado sozinho (H2), frequentemente é agrupado com outros elementos, combinado com o oxigênio na água, carbono no cloro e na maioria dos compostos orgânicos, sendo relacionado com água, gás natural, petróleo, carvão, metano, proteínas, hidratos de carbonos em todo tido de vegetação. Em consequência desse fato, precisamos efetuar o desagrupamento das moléculas de hidrogênio das outras substâncias das quais estão unidas. [1] A produção de hidrogênio através da eletrólise é bem fascinante, econômica e bem compreendida, porque a matéria prima é a água, bastando energia elétrica com uma tensão aplicada maior de 1,23 volts (um pilha comum tem 1,5 volts) para a separação das moléculas de água (H2O) em Hidrogênio (H2) e oxigênio (O). O método mais famoso é conhecido como “eletrólise alcalina”. Aconselha-se esse método de eletrólise apenas para grandes produções de hidrogênio. [5] Figura6. Produção de Hidrogênio. Fonte: CONELHEIRO; ARQUIMEDES (2012, p.3) 5.1.1.5.1. Eletrólise A eletrólise é um método eletroquímico de oxirredução em uma solução condutora, onde íons positivos ou negativos são desassociados das substâncias pela passagem de corrente elétrica e são alteradas em elementos não carregados eletricamente. [8] 29 Existem duas maneiras de efetuar a eletrólise: eletrólise aquosa e ígnea. A eletrólise ígnea, ocorre com a passagem da corrente elétrica em uma solução liquefeita, ou seja, fundida. Na eletrólise aquosa a molécula da água sofre uma separação em hidrogênio e oxigênio. Para que isso venha a acontecer, a corrente elétrica precisa passar em uma solução dissolvida na água [8]. Frequentemente, conforme a substancia a ser eletrolisada e do meio em que ocorre, podem-se formar novos compostos. A designação da solução eletrolítica é caracterizada para determinar qualquer solução aquosa condutora de eletricidade, originada desse processo [9]. William Nicholson6 e Anthony Carlisle, descobriram que quando a corrente elétrica flui pela água, ela se torna condutora pela adição de gotas de ácidos, então bolhas de hidrogênio aparecem no cátodo e a metade desse volume, de oxigênio, aparece no ânodo [1]. Conforme a lei de Faraday7 a massa de qualquer substancia liberada na hidrólise, é diretamente proporcional à quantidade de corrente elétrica que flui através da solução, sendo totalmente proporcionais aos seus pesos equivalentes. Os eletrólitos mais usuais dissolvidos são: óxidos, hidróxidos, bases ácidas, soluções de sal num solvente adequado como a água. [1] Arquimedes8 e Conelheiro9 fabricaram um modelo de uma célula (Figuras 7, 8 e 9), eles utilizaram 2 reservatórios de água destilada, sendo um reservatório com hidróxido de potássio, onde serviu para expansão dos gases, e o outro reservatório tinha a função de um borbulhador para tentar evitar a passagem de partículas pesadas que iam juntas com os gases. A eletrólise acontecia em outra parte, onde foi fabricada com acrílico e aço inox 316, pois o aço inox é mais resistente à corrosão. Esse experimento trabalhou 720h sem nenhuma degradação. O gás hidrogênio depois de passar pelo borbulhador seguia para o filtro de combustível para filtrar a umidade. Este modelo teve um consumo de corrente de 20A e trabalhou com uma média de temperatura de 2ºC acima da temperatura ambiente. Depois de 6 William Nicholson foi um renomado físico e químico inglês, famoso por inventar o medidor de vazão, e ainda descobriu a eletrólise com o físico inglês Anthony Carlisle. 7 Michal Faraday – é considerado uns dos físicos mais influentes de todos os tempos. 8 Orientador e Professor do Curso de Engenharia Mecatrônica do Centro Universitário de Maringá – Cesumar, Maringá – Paraná. Arquimedes 9 Acadêmico do Curso de Engenharia Mecatrônica do Centro Universitário de Maringá – Cesumar, Maringá – Paraná. Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento tecnológico e Inovação (PIBITI/CNPq-CESUMAR). 30 30 segundos, que é o tempo de inicio da hidrolise, encheu uma seringa de 20 ml em 4 segundos. O bom funcionamento desse conjunto foi devido ao bom dimensionamento da célula, pois as aletas do aço inox ficaram para fora sendo resfriado pelo ambiente, e também da boa proporção da solução de água destilada com hidróxido de potássio, que obteve custo/produção relativamente boa. [5] Figura 7. Célula geradora de hidrogênio. Fonte: CONELHEIRO; ARQUIMEDES (2012, p.7). Figura 8. Vista lateral da célula geradora de hidrogênio. Fonte: CONELHEIRO; ARQUIMEDES (2012, p.7). 31 Figura 9. Conjunto Completo do modelo. Fonte: CONELHEIRO; ARQUIMEDES (2012, p.8). 5.1.1.6. Armazenamento de Hidrogênio O hidrogênio para ser utilizado em larga escala vai precisar ser armazenado de maneira segura, e para isso será preciso evoluir bastante para poder ser utilizadas em automóveis. O Armazenado no estado líquido não é viável, pois se gastaria muita energia para armazena-lo, o mais viável é no estado gasoso [1]. O hidrogênio para ser armazenado no estado gasoso precisa ser pressurizado, também pode ser armazenado em cavernas e minas. Para poder ser utilizado em larga escala, pode ser encanado como o GNV. O processo potencialmente mais eficiente é na forma de hidretos10. Algumas ligas metálicas 10 Hidretos – compostos químicos formados por hidrogênio num metal. 32 como o magnésio-níquel, magnésio-cobre e ferro-titânio, absorvem o hidrogênio e quando são aquecidas os liberam. Entretanto os hidretos armazenam pouca energia por unidade de massa. As pesquisas atualmente procuram um composto que tenham a capacidade de armazenar uma grande quantidade de hidrogênio com uma grande densidade energética, liberar o hidrogênio combustível, poder reagir rapidamente e possuir um custo acessível [1]. 5.1.2. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA A maioria dos veículos atualmente no Brasil utilizam motores de combustão interna de 4 ciclos (tempos) com fonte de ignição (faísca) com vela de ignição. Os combustíveis podem ser gasolina, etanol e GNV, eles convertem a energia de explosão em movimento. Essa configuração de motor, conforme o ciclo termodinâmico, recebeu o nome de ciclo Otto, em homenagem a Nikolaus Otto que o inventou em 1867. Além de serem máquinas térmicas, transformando energia térmica em energia mecânica, os motores de 4 tempos, com admissão, compressão, explosão e escape, apenas realizam trabalho no 3º tempo (explosão), sendo os outros movimentos passivos. Os motores possuem Ponto Morto Superior (PMS) e Ponto Motor Inferior (PMI), sendo o PMS o ponto mais alto que o pistão alcança e o PMI o ponto mais baixo, e esse intervalo é o percurso do pistão. Na década de 80, esses motores eram fabricados de aço e ferro fundido. Entretanto, hoje em dia esses mesmo motores são fabricados com aço e alumínio, por motivo de economia e durabilidade por serem ligas mais leves e de difícil oxidação [10]. 33 Figura 10. Estrutura de um motor de combustão interna. Fonte: Uol educação, Física do automóvel, adaptado. 5.1.2.1. Ciclo Otto Os ciclos que acontecem nos motores a gasolina, álcool ou flex de 4 tempos são exibidos a seguir, por meio de diagramas de pressão por volume, que representam o ciclo de um motor de combustão interna: ciclo Otto (figuras 11, 12, 13, 14) [10] 1º tempo (ciclo). Admissão – São abertas as válvulas de admissão, sendo a velocidade de avanço da mistura dos fluidos equivalente à velocidade do pistão. Em consequência, a pressão fica constante e o volume aumenta: processo isobárico, (A→B), conforme a figura 11 [10]. 34 Figura 11. 1º tempo, admissão da mistura de ar com o combustível. Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, adaptados. 2º tempo (ciclo). Compressão – nesse ciclo o trabalho do pistão é totalmente convertido em energia interna tendo pressão e temperatura elevada. Sendo uma compressão adiabática porque a etapa é muito rápida e quase não há transferência de calor. A pressão e temperatura aumentam conforme o volume diminui, (B→C) [10]. Com as válvulas fechadas, o pistão sobe e comprime a mistura ar-combustível (figura 12). Figura 12. 2 tempo, Compressão. Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, adaptados. 3º tempo (ciclo). Explosão – nesse ciclo existem duas etapas, na primeira onde ocorre a explosão da mistura não existe variação de volume, pois a reação é bem ligeira (portanto não há movimento do pistão), apenas há aumento de 35 temperatura e de pressão, (C→D) (figura 13). Na segunda etapa da explosão (D→E), o pistão desce extremamente rápido, não havendo transferência de calor. Emconsequência, o processo é adiabático [10]. Quando o pistão atinge o ponto de compressão máxima, uma faísca elétrica provocada pela vela detona a explosão do combustível (figura 13). Figura 13. 3º Tempo, explosão. Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, adaptados. 4º tempo (ciclo). Escape – esse ciclo também se divide em duas partes, sendo a primeira parte com a abertura da válvula de escape (E→B), ocorre a variação da pressão e da massa da mistura, não existindo mudando no curso do pistão, portanto não há variação de volume, sendo essa descompressão considerada isométrica (figura 14). Na segunda parte ocorre a exaustão dos gases (B→A). A massa do gás e o volume dentro do cilindro diminuem praticamente igualmente, sendo o processo isobárico (figura 14). [10] Figura 14. 4º tempo, exaustão. Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, adaptados. 36 Os processos acima são representados de forma conjunta nos diagramas PV, conforme a figura 15, sendo o comparativo do ciclo Otto real versus o ideal. Figura 15. Comparação do ciclo Otto real versus o ideal. Fonte: Uol Educação, Física do automóvel e GREF, adaptados. O processo real é bem próximo do ideal, existem apenas poucas diferenças. Na admissão o processo não é perfeitamente um isobárico (pressão constante), porque o volume da mistura ar-combustível não acompanha o movimento do pistão, com isso há perda de pressão. Na explosão, é praticamente isovolumétrico, porque não acontece imediatamente e ocorre com certa velocidade. A exaustão isométrica no ciclo ideal não acontece no real porque o cilindro investe bruscamente a sua velocidade e empurra a mistura da queima para fora. A exaustão, de fato, não é isobárica porque a velocidade do pistão é menor que a velocidade de escape. [10] 5.1.3. Impactos ambientais Segundo a Associação Nacional de Transporte Público – ANTP (2012), “a crescente motorização da mobilidade urbana e os consequentes impactos ambientais têm envolvido cada vez mais pesquisas científicas na busca por compreender a diversidade das transformações urbanas e ambientais. Este fenômeno ganhou relevância dentro da comunidade científica após a assinatura do Protocolo de Quioto em 1997, quando os veículos motorizados foram descritos como um dos principais poluidores da atmosfera, representando entre 80% a 95% do consumo das energias não renováveis, segundo o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas – IPCC, na sigla em inglês” [11]. Real Ideal 37 Segundo Rafael Barczak11 (2009) classificou, uma das medidas de mitigação tecnológicas é o desenvolvimento dos combustíveis menos poluentes, motores mais eficientes e energia limpa, como constam em artigos publicados em períodicos internacionais na base ISI - Web of Knowledge, entre 1997 a 2010, em análise da produção científica internacional sobre as estratégias de mitigação e compensação relativas aos impactos da mobilidade urbana motorizada. Segundo a ANTP (2012), conforme citado por Zundt12 (2009), no contexto energético, o uso de veículos movidos a célula combustível, o hidrogênio é apresentado como uma abordagem tecnológica revolucionária para a prestação de serviços de transporte. Trata-se de uma tecnologia que permite emissões muito baixas de carbono no seu processo de produção, quando obtidas de outros processos que não a eletrólise, ou nulas quando esse ultimo processo é utilizado, bem como a sua eficiência energética muito superior em conversão de energia quando comparada aos motores de combustão interna usuais que apresentam grande déficit [11]. Uma grande quantidade da poluição vem dos veículos que liberam poluentes na atmosfera, como o monóxido de carbono, dióxido de azoto, partículas ultrafinas e compostos orgânicos voláteis que podem prejudicar não apenas o meio ambiente, mas também a saúde humana. É uma melhor alternativa nesse quesito a troca dos combustíveis fósseis por um mais limpo como, por exemplo, o hidrogênio, que seria um combustível excelente se fosse aproveitado. [5] Quando se utiliza hidrogênio com oxigênio do ar em uma célula de combustível, o resultado desse processo é apenas energia elétrica, calor e água, não existindo qualquer outro poluente (figura 16). Quando o hidrogênio é obtido por eletrólise, com recurso a fonte de energias renováveis, não vai existir emissões. Entretanto se for obtido pelos combustíveis fósseis, então vai ter vantagens ambientais [4]. 11 Arquiteto e urbanista, Mestre em Gestão Urbana pela PUCPR, foi chefe da Divisão de Transporte em São José dos Pinhais, PR. Dissertação em Gestão Urbana. 12 Gerente de planejamento da Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos (EMTU), ligada à Secretaria de Transportes Urbanos do Estado de São Paulo, instituição que ficou responsável pelo desenvolvimento e gerenciamento do projeto do ônibus a hidrogênio, no lançamento do primeiro ônibus movido à célula de hidrogênio no Brasil. 38 Figura 16. Emissão de poluentes das diversas tecnologias. Fonte: Hidrogênio como combustível, ALMEIDA, A. T & MOURA, P. S. 39 6. CONCLUSÃO Concluir que é possível produzir hidrogênio através da eletrólise, utilizando à água como matéria prima. O hidrogênio tem propriedades combustíveis bastantes interessantes, pois tem alto poder calorifico, e além de praticamente não emite gases poluentes, entretanto depende do meio que é obtido o hidrogênio. Podendo ser muito bom para o meio ambiente e para a saúde humana. Iremos produzir os equipamentos necessários para poder utilizar o hidrogênio nos combustíveis de ciclo Otto, coletando os dados para o estudo e analisando a viabilidade do hidrogênio combustível e ver se é possível utilizar apenas hidrogênio como combustível. Entretanto devemos ter bastante cuidado com o manuseio do hidrogênio, pois é bastante inflamável e explosivo, a fim de evitar acidentes. 40 7. CRONOGRAMA Atividades Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Pesquisa do tema X X Definição do tema X Pesquisa bibliográfica X X Coleta de Dados X Apresentação e discussão dos dados X Elaboração do projeto X Entrega do projeto X 41 8. REFERÊNCIAS [1] ESTÊVÃO, T. E. R. O Hidrogénio como combustível. Dissertação (Dissertação do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Porto, 2008. Disponível em: <https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/58102/1/000129289.pdf>. Acesso em 02 out. 2018. [2] HARPER, GAVIN D. J. Fuel cell projects for the Evil Genius. New York: McGraw-Hill, 2008. 208 p. Disponível em: < https://epdf.tips/fuel-cell-projects- for-the-evil-genius.html>. Acesso em 08 de nov. 2018. [3] FERREIRA, P. F. P. Infra-estrutura para Uso Energético do Hidrogênio: Estações de Abastecimento para Veículos com Células a Combustível. Tese (Doutorado em Planejamento de Sistemas Energéticos) – Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Mecânica. Campinas, São Paulo, 2007. Disponível em: <http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/264247>. Acesso em 08 nov. 2018. [4] ALMEIDA, A. T. & MOURA, P. S. Hidrogénio como combustível. Coimbra: Faculdade de Ciência e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2005. https://epdf.tips/fuel-cell-projects-for-the-evil-genius.html https://epdf.tips/fuel-cell-projects-for-the-evil-genius.html http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/264247 42 [5] CONELHEIRO, L. T. P; ARQUIMEDES, L. Desenvolvimento de um sistema gerador de hidrogêniogasoso para utilização como combustível alternativo em veículos automotores. ln: VI MOSTRA INTERNA DE TRABALHOS DE INICIAÇÃO CIENTIFICA. Outubro de 2012, Maringá (PR). Anais Eletrônicos... Maringá: Centro Universitário de Maringá - CESUMAR, 2012. Disponível em: <http://www.cesumar.br/prppge/pesquisa/mostras/vi_mostra/luis_thiago_pana ge_conelheiro.pdf>. Acesso em 02 de out. de 2018. [6] Hydrogen Properties, College of the Desert, December 2001. Disponível em: <https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/tech_validation/pdfs/fcm 01r0.pdf> . Acesso em 10 de nov. de 2018. [7] WHITE, C. Advanced Hydrogen-Fueled Engines: Potential and Challenges. ln: ERC SYMPOSIUM: FUELS FOR FUTURE INTERNAL COMBUSTION ENGINES, 2007, Madison (EUA), University of Wisconsin Madison, June 6, 2007. [8] BILMAIA, L. N. L. Potencial da utilização do hidrogênio como combustível em motores de combustão interna de ciclo otto: 2017. 40p. Trabalho de Conclusão de Curso Graduação em Engenharia Mecânica – Faculdade Pitágoras, Londrina, 2017. [9] WOLLMANN, F. L. Estudo da utilização de gás hidrogênio em veículos automotores: 2013. 74p. Trabalho de Conclusão de Curso Graduação em Engenharia Mecânica – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ. Panambi, 2013. [10] NASCIMENTO, J. H. S. Estudo dos processos físicos envolvidos nos motores que utilizam como combustível álcool e gasolina (ciclo Otto): 2008. 67p. Trabalho de Conclusão de Curso Graduação em Licenciatura em Física – Universidade Católica de Brasília, Brasília, 2008. http://www.cesumar.br/prppge/pesquisa/mostras/vi_mostra/luis_thiago_panage_conelheiro.pdf http://www.cesumar.br/prppge/pesquisa/mostras/vi_mostra/luis_thiago_panage_conelheiro.pdf 43 [11] MEDEIROS, W. & SILVA, F. D. A. Impactos ambientais da mobilidade urbana: o que discutem as revistas científicas Brasileiras? Revista dos Transportes Públicos, 3º quadrimestre. Associação Nacional de Transportes Públicos - ANTP, 2012, p. 107-122. Disponível em: <http://files- server.antp.org.br/_5dotSystem/download/dcmDocument/2013/01/10/D20E20 FB-3422-440B-8E13-E8044A4E8AE8.pdf>. Acesso em 02 out. 2018. http://files-server.antp.org.br/_5dotSystem/download/dcmDocument/2013/01/10/D20E20FB-3422-440B-8E13-E8044A4E8AE8.pdf http://files-server.antp.org.br/_5dotSystem/download/dcmDocument/2013/01/10/D20E20FB-3422-440B-8E13-E8044A4E8AE8.pdf http://files-server.antp.org.br/_5dotSystem/download/dcmDocument/2013/01/10/D20E20FB-3422-440B-8E13-E8044A4E8AE8.pdf
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