Há essencialmente três fabricantes de automóveis a produzir veículos alimentados por fuel cells, ou células de combustível a hidrogénio que, ao realizar a operação inversa da electrólise da água (que consiste em separar o oxigénio do hidrogénio), produzem a electricidade que vai alimentar o motor eléctrico. É apenas necessário encher um depósito de hidrogénio, uma operação tão rápida quanto atestar de gasolina, uma vez que a fuel cell retira o oxigénio da atmosfera. Entre os três fabricantes que já têm veículos no mercado, a Toyota é quem está mais avançada e vende mais unidades. Ainda assim, apenas cerca de 3.000 por ano.
Que os automóveis do futuro serão eléctricos já ninguém duvida, mesmo os que são mais avessos a esta solução. Os motores a gasolina e a gasóleo vão continuar a existir durante mais umas décadas, mas os veículos eléctricos (EV), que representam hoje menos de 2% das vendas anuais do mercado, serão cerca de 30% dentro de 11 anos. Isto se os fabricantes quiserem evitar multas pesadíssimas por excesso de emissões de CO2. Mas se os EV estão ‘condenados’ a ser populares, há dúvidas em relação à origem da electricidade que alimenta os seus motores.
De momento, especialmente desde que a Tesla provou que os EV podem ser sexy, ou seja, rápidos, com grande autonomia e recarregar em menos de uma hora, as baterias passaram a ser vistas como a melhor solução. Contudo, colocam alguns problemas, uma vez que são pesadas, podem ser recarregadas depressa (mas sempre entre uma hora ou várias), tendendo ainda a aquecer durante o processo. Como se tudo isto não bastasse, o electrólito, dentro qual os iões positivos de lítio (por exemplo) se deslocam entre o ânodo e o cátodo – enquanto os electrões que lhes são retirados geram energia eléctrica -, tende a arder em caso de fugas devido a rupturas, que podem acontecer em caso de impacto, má utilização ou acidentes.
O princípio de funcionamento das “fuel cells”, com o hidrogénio a perder os seus electrões na placa catalítica do ânodo, para depois os protões atravessarem a membrana ao encontro dos átomos de oxigénio para formar água. O movimento dos electrões gera a corrente eléctrica
Outra limitação não menos importante das baterias tem a ver com a necessidade de serem recarregadas, operação que exige uma ligação à rede eléctrica de cada país. Ora se isto não levanta problemas quando se fala num veículo eléctrico, ou de alguns milhares, a situação muda de figura quando se pensa em milhões, o que obviamente obriga os países a construir mais centrais eléctricas, ou gerir os períodos de carga, promovendo a utilização no período da noite, quando a energia na rede é excedentária.
Como funcionam as fuel cells?
Uma fuel cell começa por não ser bem uma célula, mas sim umas centenas ligadas entre si. Tudo acontece dentro de uma caixinha “milagrosa”, com o volume de três caixas de CPU de um computador. É dentro de cada uma delas que existem duas placas (ânodo e cátodo) separadas por uma membrana – complicada de produzir, especialmente em quantidade –, que tem de um lado o hidrogénio extraído do depósito e do outro o ar retirado da atmosfera, rico em oxigénio.
O “truque” da membrana é deixar passar apenas os protões de hidrogénio através dela (uma vez que os seus electrões seguem outro caminho, dado serem incapazes de atravessar a membrana), para se associarem ao oxigénio e produzir água. A diferença de potencial entre os dois lados da membrana gera um movimento de electrões, ou seja, a corrente eléctrica. Cada célula produz uma pequena quantidade de energia (1 a 2 V), mas todas juntas asseguram a quantidade necessária para alimentar o motor. E se pretender montar um motor mais potente, basta criar uma fuel cell maior.
Do processo de gerar energia resulta apenas a água, que é quente (a cerca de 80ºC) e pura, pois não tem sais ou outros elementos, que não sejam o H2O, ou seja, dois átomos de hidrogénio e um de oxigénio. Tanto que até é bebível, idealmente em forma de chá uma vez que está quente, isto se tivermos à mão uma saqueta de ervas deliciosas…
Quais as limitações das fuel cells?
Há, no mínimo, duas dezenas de anos que diversos fabricantes de automóveis tentam produzir fuel cells. Se muitos tentaram, nem todos conseguiram. Os problemas foram vários, desde a dificuldade em produzir a membrana, a fazê-la lidar sem problemas com o ar poluído que se respira das grandes cidades.
A membrana, além de ser uma película mais fina do que o filme extensível que se utiliza em casa para embrulhar alimentos, tem ainda de ambos os lados um revestimento que exerce o papel de catalisador, para retirar os electrões ao hidrogénio. Existindo ainda um difusor para garantir que oxigénio e hidrogénio são distribuídos de forma uniforme pela placa catalítica.
Para Gerald Killmann, vice-presidente da Toyota Motor Europe (TME) e o responsável para as áreas de Investigação e Desenvolvimento, as fuel cells que a Toyota usa no Mirai, que são da primeira geração (estreadas em 2014), não apresentam problemas especiais. Segundo Killmann, “é complexo produzir a extremamente fina membrana sem rugas e o custo total das células ainda é muito elevado devido aos materiais nobres utilizados”. Ou seja, funcionam na perfeição, mas ainda estão fora de preço.
Basta ver que em França, onde a Toyota vendeu a uma empresa de táxis parisiense uma frota de 500 Mirai, estes foram comercializados por 78.000 euros a unidade, valor que se torna ligeiramente mais aceitável se contabilizarmos os 6.000€ das ajudas estatais e outros 5.000€ que a câmara da capital dá aos táxis não poluentes. Mas sem as ajudas, o Mirai está 30% acima do preço de um veículo eléctrico a bateria com a mesma dimensão e autonomia (550 km).
Porquê o interesse no hidrogénio?
O hidrogénio tem várias vantagens, a começar por existir em quantidade e poder ser produzido por todos os países do planeta, terminando com a dependência das regiões produtoras de petróleo ou gás. É possível extrair hidrogénio da gasolina ou do gasóleo, até mesmo do GPL ou do gás natural, o que não faz qualquer sentido, uma vez que isso não diminuiria a poluição provocada na fase de produção.
O ideal é recorrer a fontes de energia alternativas, como a eólica ou a fotovoltaica, para produzir H2 a partir da electrólise da água, especialmente durante a noite, altura em que todos os países têm produção excedentária de energia. Como depois de ser utilizado para produzir electricidade, o hidrogénio regressa à forma original, ou seja, água, nem se pode acusar esta solução de destabilizar o planeta. A Toyota mostra aqui que até de “bullshit” se pode produzir hidrogénio:
https://www.youtube.com/watch?v=9pTluy9KpYU
Uma vez produzido, é depois armazenado à pressão de 700 bar, ainda em estado gasoso, à qual é transferido para os depósitos de automóveis como o Toyota Mirai. O processo é tão rápido (5 kg em 3 minutos) como se tratasse de gasolina ou gasóleo, com o Mirai a alimentar o motor de 155 cv com a energia produzida a bordo, podendo percorrer 550 km (em NEDC) com os 5 kg de hidrogénio que transporta.
As fuel cells são fiáveis? E robustas?
Killmann explica que “todas as dificuldades iniciais foram ultrapassadas, existindo unidades que já percorreram mais de 200.000 kms sem perder eficiência ou revelar o mínimo problema”. Mesmo a funcionar em climas extremos, como no Norte da Suécia durante o Inverno, “as células de combustível funcionam sem problemas, ao contrário das baterias, necessitando apenas de 70 segundos para atingir a temperatura ideal de funcionamento, quando lá fora o termómetro regista -30 ºC”, revela o responsável pelo desenvolvimento das fuel cells do fabricante japonês.
Também não se coloca o problema da perigosidade do hidrogénio, uma vez que até tem vantagens face à gasolina. Em caso de fuga por ruptura do depósito, durante um acidente, por exemplo, o hidrogénio é mais leve, pelo que sobe e dissipa-se na atmosfera, ao contrário da gasolina, que se espalha pelo chão.
Killmann esclarece ainda que, para arrancar e numa fase em que a fuel cell ainda não está a funcionar, o Mirai monta uma bateria. Mas a sua capacidade é mínima (1,6 kWh), sendo a mesma que equipa os Prius híbridos da Toyota.
Então qual é o problema?
Face à tecnologia actual, a fuel cell necessária para alimentar um motor de 155 cv tem ainda algum volume e um número elevado de células, todas elas com platina como catalisador. “Nós usados a platina num suporte de titânio, mas há quem prefira o aço, mas aí o revestimento tem de ser ouro”, confessa Killmann. “É tudo uma questão de eficiência e custos e nós estamos contentes com os nossos, apesar de pretendermos reduzi-los nas próximas gerações”, admite o técnico. Veja aqui como tudo funciona:
Para se perceber o fácil que é reduzir os custos em novas tecnologias, basta recordar a produção do Prius, modelo híbrido cuja primeira geração a Toyota fabricou entre 1997 e 2003, perdendo dinheiro em cada unidade que vendia. Na segunda geração, a marca cortou os custos da tecnologia para 50% e na terceira geração reduziu-os a cerca de 25% do valor inicial. Hoje o Prius é um dos veículos mais lucrativos da marca nipónica.
Outra limitação habitualmente atribuída ao hidrogénio não tem a bem a ver com a sua produção (se realizada pela electrólise da água com energias renováveis, em períodos em que são excedentárias), mas sim com com o seu transporte e distribuição. Contudo, a indústria automóvel está mais ou menos de acordo com o facto de a solução passar pela produção de hidrogénio no local onde é fornecido aos clientes, eliminando assim o transporte.
Como e quando se pode reduzir o preço?
A Toyota já anunciou que tem limitado a produção de fuel cells a 3.000 unidades por ano, fabricando outros tantos Mirai. Mas em 2020 vai elevar o ritmo de produção para 30.000/ano, um salto brutal que Gerard Killmann explica com a introdução da segunda geração. As novas fuel cells serão mais eficientes, o que significa que necessitarão de menos materiais nobres (e caros) para gerar a mesma quantidade de energia, o que reduzirá consideravelmente o preço da tecnologia.
Eléctricos sem limitações. Hidrogénio (finalmente) em Portugal
Mas Killmann vai mais longe ao admitir que há algum tempo que a segunda geração de fuel cells não o preocupa, pois está já concentrado na terceira geração, com Isotta Cerri, outra técnica dedicada ao desenvolvimento desta solução, a adiantar que há uma equipa já a trabalhar na quarta geração, procurando sempre produzir células mais pequenas e mais baratas, pelo ganho em eficiência.
Quando vão as fuel cells competir com as baterias?
Apesar de se recusarem a avançar com uma data, Cerri e Killmmann não têm dúvidas que as fuel cells vão rapidamente tornar-se numa alternativa. Provavelmente já na segunda geração, mas certamente na terceira e seguintes. Surgem constantemente novos materiais e a tecnologia não pára de evoluir, um pouco à semelhança do que aconteceu com as baterias, que não param de incrementar a sua densidade energética, tornando-se continuamente mais leves e com maior capacidade.
Para veículos pesados, sejam camiões ou autocarros, para automóveis destinados a percorrer maiores distâncias ou até mesmo para o veículo único de uma família, os automóveis eléctricos alimentados por electricidade produzida a bordo por uma fuel cell perfilam-se como a solução ideal. Para os outros, mais pequenos, mais urbanos, vocacionados sobretudo para condutores que tenham capacidade de os recarregar em casa ou no escritório, os eléctricos alimentados por bateria continuarão a ser uma solução válida.
Resta pois aguardar pela apresentação da segunda geração das células de combustível da Toyota para avaliar os ganhos conseguidos, recordando que a marca japonesa já tornou públicas toda a tecnologia e patentes a que recorreu para a primeira geração, visando facilitar a divulgação do hidrogénio como fonte de energia para locomover veículos. E em Portugal poderemos acompanhar de perto esta evolução, pois em breve chegarão ao nosso país as células de combustível que vão ser utilizadas nos autocarros eléctricos a produzir pela Salvador Caetano, destinados ao nosso mercado e à exportação.
