Hidrogênio como combustível para motores de combustão interna

...

Nota: (1) Em 2014 – para todos os novos lançamentos;

A partir de 2015 – para todos os veículos comercializados;

(2) Aplicável somente a veículos movidos a GNV;

(3) Aplicável somente a veículos movidos a gasolina ou etanol;

(4) Aplicável somente a veículos movidos a óleo diesel;

(5) Aplicável aos ensaios realizados em câmera selada de volume variável;

(6) Aplicável a todos os veículos a partir de 1º/1/2012.

As crises energéticas e questões ambientais fizeram com que os estudos em busca de fontes que tenham capacidade de suprir a demanda energética mundial com menor grau de poluição ganhassem intensidade. Neste sentido, o hidrogênio (H2) é amplamente considerado como um combustível alternativo aos empregados atualmente, e atraente para os motores de combustão interna, nos quais pode ser utilizado sem grandes alterações em sua concepção, possibilitando uma queima mais eficiente e, consequentemente, reduzindo a emissão de gases poluentes como CO2 e CH4, potenciais gases do efeito estufa.

O hidrogênio como combustível

O hidrogênio é apontado como um grande vetor energético, porém Sodré et al., (2013) afirmam a existência de muitos gargalos a serem tratados, em diversas linhas de produção e aplicação deste insumo. A injeção de hidrogênio em motores de combustão interna surge como uma oportunidade de aplicação imediata para este combustível. O hidrogênio torna-se favorável ao uso como combustível devido às suas propriedades, Lanz et al., (2001) cita-as: Alta inflamabilidade; Baixa energia de ignição; Alta temperatura de auto-ignição; Alta velocidade de chama; Alta difusividade e Baixa densidade.

Na Tabela 2 tem-se a comparação entre as propriedades fundamentais relevantes do hidrogênio e da gasolina referente à combustão interna.

Tabela 2 - Propriedades do hidrogênio combustível em comparação com a gasolina

Unidade

Gasolina

Hidrogênio

Poder calorífico inferior

MJ/kg

44.4

120

Índice de octanos

RON

95

130

Energia mínima de ignição

MJ

0.25

0.02

Temperatura da chama adiabática

K

2270

2384

Velocidade da chama laminar

m/s

0.3

1.9

Relação ar/combustível (estequiométrico)

----

14.5

34.3

Limites de inflamabilidade (relação ar/combustível)

----

25 - 4

345 - 5

Temperatura de auto-ignição

K

858

501 – 744

Fonte: Adaptado de GNÖRICH, (2008).

Possuindo alta inflamabilidade em comparação com os outros combustíveis e baixa energia de ignição, o hidrogênio torna possível a sua queima em motores de combustão interna ao longo de uma ampla faixa de misturas combustível/ar, possibilitando inflamar uma mistura pobre de combustível (quando a quantidade de combustível é menor do que a quantidade teórica, estequiometricamente ideal para a combustão com uma dada quantidade de ar) obtendo economia de combustível e reduzindo a emissão de gases poluentes provenientes deste (ANDREA et al., 2004; GANESHB et al., 2008).

Algumas características do hidrogênio necessitam maior atenção. A baixa energia de ignição significa que pontos quentes do motor podem ocasionar ignição prematura (ANDREA et al., 2004; GANESHB et al., 2008), mas Lanz et al., (2001) garantem que esse problema pode ser controlado usando-se técnicas de diluição térmica, como a recirculação dos gases de escape ou injeção de água, que contribuirá também para a redução do pico de temperatura, consequentemente diminuindo a emissão de NOx (óxidos de nitrogênio), proveniente da combinação de nitrogênio com o oxigênio presentes no ar, que ocorre em condições de elevadas temperaturas.

O hidrogênio possui coeficiente de difusão (0.61 cm2/s) cerca de quatro vezes maior do que o coeficiente da gasolina (0.16 cm2/s), o que melhora o processo de mistura do combustível e ar, possibilitando uma mistura mais homogênea (WANG et al., 2008). Esta característica é favorável também no caso de vazamento, no qual o hidrogênio se dispersará rapidamente no ar (CEVIZ et al., 2012).

A velocidade da chama de hidrogênio é cinco vezes maior que a da gasolina em proporções estequiométricas, possibilitando que motores alimentados com hidrogênio possam ter uma variação cíclica reduzida em comparação com o uso da gasolina, significando que estes motores podem trabalhar mais próximos do ciclo termodinamicamente ideal (HUANG et al., 2009; WANG et al., 2008).

A elevada temperatura de auto-ignição do hidrogênio têm implicações importantes na taxa de compressão da mistura ar/combustível, uma vez que a maior compressão influencia no aumento de temperatura. Esta característica e a alta octanagem do hidrogênio, possibilita que maiores taxas de compressão possam ser aplicadas no motor, aumentando consequentemente a eficiência termodinâmica do sistema. No entanto, se a temperatura alcançada na compressão for