Edição Novembro 2018
A publicação será mensal e vai conter informações técnicas, notícias e novidades do mundo Daimler. O apoio da comunidade é bem vindo e por isso caso tenha alguma informação, sugestão, crónica, notícia técnica que ache que vale a pena partilhar entre em contacto com o Departamento Técnico ou através do e-mail vasco.pinto@soccsantos.pt.
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Tema do Mês:
À descoberta do elemento mais abundante do Universo!
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Está provado cientificamente que o hidrogénio é o elemento mais abundante no universo. Podemos encontrá-lo no sol, e em todas as outras estrelas, numa grande parte da composição de planetas gasosos como Júpiter e no nosso planeta agregado ao elemento oxigénio em forma de água (H2O).
O hidrogénio no seu estado puro é muito raro no nosso planeta mas ao mesmo tempo representa cerca de 75% da massa terrestre quando associado à molécula de água. No entanto, o mesmo pode ser produzido com o aquecimento de gás natural ou pela eletrolise da água.
Este elemento é vastamente usado na industria química que depois o transforma para várias utilizações. Na agricultura é usado amoníaco como fertilizante, na metalomecânica para soldar aço inoxidável (tem se ser misturado com o gás nobre argón), nas refinarias é essencial para transformar crude pesado em combustível refinado e até serve como sistema de alimentação para foguetões, sistemas de suporte de vida e computadores em ambiente espacial. As aplicações são infinitas mas a que nos interessa é a sua aplicação no setor dos transportes (camiões, autocarros, vans e veículos ligeiros).
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Tudo começou quando um cientista britânico (Sir William Robert Grove) teve a simples mas brilhante ideia de fazer reagir o hidrogénio com o oxigénio em condições controladas, a conclusão foi simples, era possível gerar corrente elétrica. Este processo químico é conhecido entre a comunidade cientifica como "combustão fria". Só 120 anos depois da descoberta é que a NASA começou a utilizar a mesma reação nas suas missões espaciais (1963). A tecnologia foi sempre levada de forma séria pois comparativamente a uma bateria era possível armazenar mais energia com menos peso, mesmo tendo de armazenar o oxigénio e o hidrogénio (visto que no espaço só temos vácuo).
A Daimler reconheceu o potencial desta poderosa reação e nos anos 80 começou a adaptar a mesma para a industria automóvel. O pioneiro foi o NECAR 1 em 1994.
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Muitos se seguiram... em 2003, o classe A F-Cell em que uma grande percentagem dos poucos que foram produzidos foram para a Islândia para duas companhias no mercado de energia elétrica. Desde então o Citaro FuelCell Hybrid também já fez mais de 4 milhões de quilómetros em 23 autocarros em 6 cidades europeias em testes. Em 2007, várias unidades do classe A foram entregues à corporação de bombeiros da Califórnia para fazerem patrulha nas florestas.
O ano de 2008, foi um ano de viragem e de alterações que se iriam manter até hoje. O tanque passa a ter uma pressão de 700bar em vez de 350bar aumentando assim a autonomia em 70% (pressões que hoje são um standard).
O classe B F-Cell só nasceu em 2011, para isso foi preciso uma jornada de 125 dias à volta do mundo e 30 000Km percorridos nos mais duros e hostis ambientes. Ao todo foram feitas 200 unidades, estas já realizaram mais de 1 milhão de quilómetros nas mãos dos seus donos e foram abastecidas mais de 36 000 vezes (período de enchimento do depósito de hidrogénio é de 3 minutos, o equivalente ao abastecimento de combustível).
Passados 7 anos, do classe B F-Cell, foi anunciado o novo modelo da marca alemã, o GLC F-Cell plug-in, o primeiro da sua espécie a usar uma bateria de lítio adicional para armazenamento de energia. Vão ser produzidas cerca de 1000 unidades e corre o mito que apenas vão estar disponíveis na Alemanha e no Japão, pelo menos para já!
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Componentes do Sistema
O sistema tem uma estrutura compacta e consiste nos seguintes componentes:
- Célula de combustível;
- Módulo de Ar;
- Módulo do Humidificador;
- Trocador de iões;
- Unidade de controlo da célula de combustível.
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1. Célula de Combustível
Como é de esperar não vamos encontrar pistões nem injetores neste "motor"... O seu funcionamento é muito semelhante a uma bateria, visto ter um ânodo (eletródo com carga negativa, lado do hidrogénio) e um cátodo (eletródo com carga positiva, lado do oxigénio) e uma membrana intermédia (mais conhecida por PEM - Proton Exchanger Membrane). A célula tem a estrutura de uma sandwich, no centro uma fina membrana coberta de ambos os lados por uma camada de catalítico e um eletródo feito de grafite. Na camada mais exterior, temos condutas onde passam os nosso ingredientes principais, o hidrogénio e o oxigénio. O catalítico é responsável por quebrar a ligações do átomo de hidrogénio em eletrões e protões, visto que os protões conseguem passar a membrana mas os eletrões não, é gerada uma corrente elétrica entre os elétrodos e VOILÁ... faz-se energia!
Como resultantes desta reação química é gerada energia que é usada para o motor elétrico ou para carregar a bateria de alta tensão, água e calor. Para termos a célula de combustível que equipa o GLC F-Cell são necessárias várias destas células em série.
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2. Módulo de Ar
Para conseguir abastecer a célula de combustível com oxigénio, o ar ambiente é sugado, através de um filtro de ar, por um turbo elétrico.
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3. Módulo do Humidificador
Para se obter uma percentagem ótima de humidade, um humidificador antes e depois da célula de combustível é usado para garantir os vapores de água do lado do "escape" são reencaminhados para o lado da "admissão". A pressão, temperatura e humidade do ar fornecido varia consoante o regime de trabalho da célula de combustível e pode ser controlada por uma borboleta do lado da admissão.
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4. Trocador de Iões
Como num motor normal que usa um líquido para arrefecer, a célula de combustível também precisa desse arrefecimento visto que um dos resultantes da reação química é calor. Temos é um pequeno senão… Como a água é um bom condutor de eletricidade e anda muito próximo da célula de combustível, esta tem de ser filtrada para conter a mínima quantidade de iões possível. Isto só é possível devido ao trocador de iões que se localiza abaixo da célula de combustível.
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5. Unidade de controlo da célula de combustível
A monitorização e gestão de todos os processos da célula de combustível são controlados por duas unidades de comando para garantir que toda a informação é processada em tempo real e que a "combustão a frio" seja o mais eficiente possível.
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Modos de Operação
Híbrido - o veículo consegue usufruir de energia de ambas as fontes (célula de combustível e bateria de alta tensão). O picos de potência são suportados pela bateria enquanto a célula de combustível trabalha em função de um regime de operação mais eficiente.
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F-Cell - O estado de carga da bateria de alta tensão é conservado constante pela célula de combustível. A condução é feita quase exclusivamente através de hidrogénio e é o modo ideal caso o utilizador queira conservar a carga da bateria para alguma ocasião especial ou trajeto já definido.
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Bateria - Este modo é perfeito para trajetos curtos em que utilizador pretende poupar o hidrogénio utilizando apenas a energia da bateria. A célula de combustível está desligada neste tipo de operação. No caso de a bateria baixar para um nível critico, este modo deixa de estar disponível passando automaticamente para modo híbrido.
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Carga - O carregamento da bateria de alta tensão é prioridade neste modo de condução. A utilização de hidrogénio aumenta pois é necessário fazer o motor elétrico trabalhar e ao mesmo tempo gerar energia para carregar a bateria. Este modo também pode ser usado estrategicamente para "guardar" energia para um posterior trajeto de subida (montanha) ou para um desempenho mais dinâmico do veiculo (boost).
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Manutenção
Como qualquer outro veículo, o GLC F-Cell tem de fazer manutenção. Acabamos por continuar a ter uma manutenção A e uma B mas agora com valores bem mais em conta, visto que menos pontos de verificação são obrigatórios.
A manutenção é anual ou de 25 em 25 mil Km's o que chegar primeiro. Os pontos de verificação são:
- Substituir o filtro do trocador de iões - em todos os serviços;
- Substituir o filtro do ar - de 75 em 75 mil Km's / 3 anos;
- Verificar os sensores de hidrogénio - de 75 em 75 mil Km's / anulamente;
- Substituir fluido de arrefecimento (circuito principal, circuito de baixa temperatura e circuito da bateria de alta tensão) - de 200 em 200 mil Km's / 10 anos.
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… o sistema célula de combustível do novo GLC F-Cell não só faz andar veículos como também pode ser usado como estação de fornecimento de energia?
- A Daimler e a HP estão com um projeto piloto para explorar esta tecnologia como reserva de energia para alimentar uma central de servidores nos EUA. Quem sabe mais tarde vai puder alimentar outro tipo de infraestruturas.
… o teste de colisão de um veículo a hidrogénio tem mais restrições que um veículo normal?
- Como este tipos de veículos lidam com um gás altamente instável em contacto com o oxigénio, mais segurança tem de ter para cumprir com as normas implementadas. Um dos teste adicionais obrigatórios é uma colisão lateral com um poste a mais de 32Km/h, para garantir que as válvulas de ligação ao tanque não ficam com problemas ou com fugas.
… a densidade de energia do hidrogénio é aproximadamente 13 vezes maior que as modernas baterias de lítio?
- Enquanto a bateria de lítio contém 125Wh/Kg o hidrogénio consegue chegar aos 900Wh/Kg. Isto permite o transporte de mais energia a bordo para maior autonomia.
… os custos de uma central de carregamento e uma Estão se serviço com hidrogénio não estão assim tão dispares?
- Uma consultora alemã fez um estudo e chegou à conclusão que a os custos de construção de ambas as infraestruturas anda muito próximo. Hidrogenio 310 mil € e o posto de carregamento 450 mil €.
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