Motores e Hidrogênio

7/24/2019 Motores e Hidrognio

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APROVEITAMENTO DE

ENERGIA DO

HIDROGNIO EM MQUINASTRMICAS E CLULAS ACOMBUSTVEL

Carlos H. Coimbra-Arajo, Helton Jos Alves eElisandro Pires FrigoUniversidade Federal do Paran, Setor Palotina

Programa de Ps-Graduao em Meio Ambiente eDesenvolvimento - UFPR


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HIDROGNIO

Energia do futuro? Eficiente? Potente?

Limpa? Barata? Fcil de obter? Onde usar?

Mquinas trmicas, clulas a combustvel Fotossntese artificial? Novidade do momento


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CARACTERSTICAS ENERGTICAS

Alto poder calorficoAlta velocidade de chamaAmpla gama de inflamabilidade


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Submetido


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MQUINAS TRMICAS

Mquinas que funcionam a partir do fluxo decalor para a obteno de trabalho mecnico Mquina a vapor (usinas termoeltricas), motor de

combusto interna (carros, nibus, caminhes), motor

a jato, motor de foguete, etc.


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USO DE HIDROGNIO EM MQUINASTRMICAS

Uso direto de H2 puro em motor de combustointerna Aumento na economia de combustvel devido a seu

alto poder calorfico

Ausncia de produo de CO2, continuando produode xidos nitrosos (como esperado) Problema: segurana risco de vazamento

acarreta alto risco de incndio com chama invisvel

Uso do H2 misturado (blend) a algum combustvel

lquido como gasolina, lcool ou diesel ou gasosocomo gs natural ou biogs (ex. Ronn Scorpion) Aumento do poder calorfico do combustvel Diminuio da concentrao de CO2 no escapamento

Uso em motor de foguete


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EXEMPLOS

Combusto de metano (biometano) em um motor:


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EXEMPLOS

Combusto do hidrognio puro em um motor defoguete (tanque de oxignio puro)

Combusto do hidrognio puro em um motor decarro A mesma reao de combusto acima com a presena

de nitrognio nos reagentes e nos produtos No h presena de CO2 Eficincia trmica maior? No necessariamente,

pois em motores do ciclo Otto, p.ex., eficinciatrmica depende da taxa de compresso do motor!

A economia de combustvel maior? Sim, pois o podercalorfico alto!


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USOS HISTRICOS

1807: motor a hidrognio de Franois de Rivaz 1820: On the Application of Hydrogen Gas to

Produce Moving Power in Machinery, CambridgePhilos. Soc. (W. Cecil)

1863: Hippomobile de Lenoir (carro movido a gs

hidrognio) 1870: motores Otto gasolina+H2 1991: Mazda HR-X

Autonomia: 230 km Cmara de combustvel e pisto em locais diferentes

(pisto e virabrequim horizontal) a partir da tecnologiaHydrogen Rotary (HR) Engine (motor do tipo Wankel) 100 HP At 2007 foram lanados outros modelos semelhantes como

HR-X2 (1993), MX-5 (1993), Capella Cargo (1995), RX-8(2003), Premacy (2007)


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CURIOSIDADE: HR DA MAZDA

Motor quatro temposcomum

Motor do tipo Wankel,Com adaptao para aEntrada de H2 na tecnologiaHR da Mazda


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MAZDA RX-8 HRE


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USOS HISTRICOS

2002: BMW 750hl Hbrido gasolina/hidrognio Alimentado com gua tratada Hidrlise da gua realizada via energia solar H2 armazenado em um sistema de liquefao a -253 C

(140l) O hidrognio lquido alimenta um motor hbrido de 12

cilindros; autonomia com H2: 400 km; potncia: 180 HP

Outros da BMW: BMW H2R (2007), BMW Hydrogen 7(301 km/h), BMW VAD.HO (2008)


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USOS HISTRICOS

2006: F-250 Super Chief Pickup (Ford)Motortricombustvel


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E MAIS:

A partir da dcada de 1960 Motor de foguete das misses Apollo, Viking, Voyager H2 lquido como propelente


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EXEMPLOS DE APLICAO ATUAL

Carro Emperorda UFRJ Ainda um prottipo terico Motores nas rodas

Ford Focus Wagon H2 gasoso a alta presso 120 HP

Van da Revolve (H2ICE) 3 tanques de H2 de alta presso Baixa emisso de NOx 70 kW de potncia

Custos de carros a hidrognio (combusto): nosEUA, em torno de US$ 70 mil.


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FUNCIONAMENTO GERAL DE MOTORESALIMENTADOS A H2 PURO

Tanque: alta compresso (~ 5.000 a 10.000 psigasoso ou sistema resfriamento a -253 C paralquido)


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FUNCIONAMENTO GERAL

A pisto (H2) Wankel

Por comparao, motor a pistodo tipo Otto comum (gasolina)


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DESVANTAGENS E SOLUES DO USO DE H2COMO COMBUSTVEL DE MQUINAS TRMICAS

Segurana Como dito, o H2 tem alta facilidade de inflamao superficial e

baixa energia de ignio Mal-funcionamentos como o backfire (retorno de chama no

escape) pode causar acidentes graves Parcialmente resolvido se utilizadas velas com material

apropriado, cooling apropriado do pisto e da cmara decombusto Problemas com tanque e armazenamento (pequenos

tanques requerem resfriamento e alta compresso) Mistura ar-combustvel tende a ter mais H2 que a mistura

estequiomtrica terica No restringe demasiadamente a potncia do motor, mas geramais NOx que o esperado (maior poder poluente) Tende a gerar menor potncia que motores a gasolina (85%) Por outro lado, para compensar isso e reduzir NOx, aumenta-

se a cmara de combusto, utiliza-se tecnologia turbo eaumenta-se a taxa de compresso (H2 suporta isso!)


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APLICAES ENERGTICAS DE CLULAS AHIDROGNIO

Aproveitamento do hidrognio para gerao deenergia eltrica (mquina eltrica)

Primeiro trabalho publicado sobre o assunto: Alternating H2 and O2 electrodes in a gas battery

W. Grove,Philos. Mag., Ser. 3, 1839, 14, 127


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HISTRICO DAS APLICAES

1955-1959: Clulas de H2 alcalinas de altatemperatura (Grubb, Niedrach e Bacon) Usadas pela NASA no Programa Apollo para alimentar

eletricamente as cpsulas espaciais

Potncia instalada: ~ 5 kWVeculos e outros:

D12Trator 15 kW (1958) Mini submarino (1964) Golf carts a clula de H2 (1965) GM EletroVan (1966) Dcada de 1990: Mazda usa clulas em seus carros (os

mesmos HR-X a H2) para o sistema de ar condicionado Dcadas de 2000 e 2010: uso crescente em veculos,

indstria e gerao de energia


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COMPARANDO EFICINCIAS DE MQUINASTRMICAS VS MQUINAS ELTRICAS


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FSICA DAS CLULAS DE COMBUSTVEL

Converso qumica da energia do H2 emeletricidade atravs de uma reao oxidativa


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TIPOS DE CLULAS E CARACTERSTICAS


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TIPOS


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EXEMPLOS ATUAIS DE UTILIZAO

Gerao de energia (60% eficincia) Co-gerao (at 85% eficincia)Veculos eltricos


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BNFS FC Lokomotiv

(prottipo)

VW Space Up! Blue(prottipo)

Toyota FCHV(prottipo, lanamento 2015)


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Honda FCX Clarity( venda no Japo e EUA)

134 HP, ~ 115 km/kg, tanquecomporta 4 kg de H2Venda sob encomenda

Mercedez Classe B F-Cell(primeiro automvel da histriamovido a F-Cell produzido emsrie, a partir de 2010)134 HP, autonomia de 402 kmComercializao emconcessionrias a partir de 2014


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FIAT PHYLLA (PROTTIPO) -- CARACTERSTICAS

O Phylla, desenvolvido pela Fiat em parceria com diversas outras empresas, como o IED

(Instituto Europeo di Design), da Itlia, tem exatos 2,995 m de comprimento, quatro lugares(2+2, na verdade, com os lugares atrs menores que os da frente) e trao nas quatro rodas. Compotncia mxima de 73 cv (54 kW), o Phylla chega a uma velocidade mxima de 130 km/h. Issoporque seu peso de apenas 750 kg e a relao peso/potncia de 10,2 kg/cv. A recarga total levano mximo quatro horas, mas meia hora de carga pode garantir uma autonomia de at 80% damxima.

Como se poderia esperar de um carro que se pretende limpo, o Phylla inteiramente reciclvel econta com clulas fotoeltricas espalhadas pela carroceria.

Com baterias de ons de ltio, ele percorre at 145 km; com baterias de polmeros de ltio, aautonomia bate em 220 km, distncia suficiente at para pequenas viagens.

Trs tipos de fonte de energia: carregamento externo via rede eltrica + clulas de hidrognio +energia solar.


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NOVIDADE DE LTIMA HORA:FOTOSSNTESE ARTIFICIAL

Daniel Nocera

MIT


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OBRIGADO PELA ATENO!

Contato: Carlos Henrique Coimbra Arajo

([email protected])

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