tecnologia em mecatrÔnica industrial · maiores refinarias do mundo, e possui técnicas de...
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TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARCOS ALBUQUERQUE MACEDO
Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC
Garça – São Paulo – Brasil
ESTUDO SOBRE A VIABILIDADE E A EFICIÊNCIA DA GERAÇÃO
E USO DO HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL
Garça
2014
______________________________________________________________________
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARCOS ALBUQUERQUE MACEDO
Tecnologia em Mecatrônica Industrial
Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC
Garça – São Paulo – Brasil
ESTUDO SOBRE A VIABILIDADE E A EFICIÊNCIA DA GERAÇÃO
E USO DO HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL
Este Trabalho de Conclusão de curso foi julgado Adequado à obtenção do Título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial e aprovado pelo Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, pela Faculdade de Tecnologia de Garça
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Prof. Dr. José Arnaldo Duarte
FATEC Garça
Garça
2014
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CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
MARCOS ALBUQUERQUE MACEDO
ESTUDO SOBRE A VIABILIDADE E A EFICIÊNCIA DA GERAÇÃO
E USO DO HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL
Este Trabalho de Conclusão de curso foi julgado Adequado à obtenção do Título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial e aprovado pelo Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, pela Faculdade de Tecnologia de Garça
Data de aprovação __/__/_____
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Garça
2014
ESTUDO SOBRE A VIABILIDADE E A EFICIÊNCIA DA GERAÇÃO
E USO DO HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL
Marcos Albuquerque Macedo¹ mecatrô[email protected]
Prof. Dr. José Arnaldo Duarte
RESUMO - Este trabalho é uma pesquisa experimental para verificar a viabilidade e
a eficiência da geração e do uso do hidrogênio, como uma fonte alternativa de
energia limpa, renovável, que pode diminuir a dependência do planeta aos
combustíveis fósseis, como o petróleo, tão presente no nosso dia a dia. Para o
desenvolvimento desse trabalho foi efetuado um aprofundamento teórico sobre a
história do hidrogênio, os métodos para produção por meio da eletrólise, os
componentes químicos e os resíduos do processo, vantagens e desvantagens do
seu uso, sua viabilidade econômica, técnica e uma projeção de como será seu uso
como matriz energética em um futuro próximo. Foi desenvolvido o protótipo de um
gerador de hidrogênio de baixo custo e alta eficiência, que será acoplado a um
motor estacionário para comparar os dados empíricos coletados durante os testes
com aqueles dados obtidos teoricamente por meio da pesquisa efetuada, para
realizar o trabalho de conclusão do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial.
Palavras-chave: hidrogênio, energia limpa, sustentabilidade, gerador.
ABSTRACT -This work is an experimental research to verify the feasibility and
efficiency of the generation and use of hydrogen as an alternative source of clean,
renewable energy that can reduce dependence on the planet for fossil fuels such as
oil, as this in our day to day. For the development of this work was carried out a
theoretical deepening on the history of hydrogen, methods for production through
electrolysis, the chemical components and process residues, advantages and
disadvantages of their use, their economic viability, technical and projection as is its
use as an energy source in the near future. It was developed a prototype hydrogen
generator of low cost and high efficiency, which will be coupled to a stationary engine
to compare the empirical data collected during the tests with those data theoretically
obtained through research carried out, to make the completion of work course of
Technology in Mechatronics Industrial.
Keywords: hydrogen, clean energy, sustainability, generator.
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1 - INTRODUÇÃO
Este texto é o resultado do trabalho de conclusão do curso de Tecnologia
em Mecatrônica Industrial, que tornou possível desenvolver as pesquisas em áreas
multidisciplinares, buscando desenvolver e a interagir técnicas e conceitos
estudados em sala de aula e finalizando o trabalho com a construção de um
protótipo funcional.
A utilização de energia elétrica, térmica, atômica e o uso de combustíveis
fósseis no nosso cotidiano, nos tornaram totalmente dependentes destas formas
finitas de energia e destrutivas para o meio ambiente. Essa dependência aumenta a
destruição do meio ambiente devido ao processo e aos resíduos causados para a
obtenção de cada tipo de energia mencionado anteriormente, veja abaixo a tabela 1,
a quantidade de unidades de produção de energia e a potência instalada no Brasil.
Tabela 1 – Quantidade de unidades geradoras de energia e a potência instalada
Fonte: Site da ANEEL – www.aneel.gov.br em junho de 2014.
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As usinas hidroelétricas são responsáveis pela maior parte da energia
elétrica gerada no Brasil, ver tabela 1. Para ser gerada esta energia é necessário
represar quantidades imensas de agua, pois energia cinética da vazão da agua
represada, faz com que as turbinas entrem em movimento e gere energia elétrica,
mas este processo compromete todo o meio ambiente ao seu redor, destruindo
vastidões de terras que em outrora produziam alimentos, serviam de pastagem para
o gado, eram áreas de florestas e matas fechadas, desfiladeiros ou destruindo obras
da natureza como as 7 quedas no Brasil, destruindo todo um ecossistema e
desequilibrando todo habitat ao seu redor. Em alguns casos povoados e vilas
inteiras simplesmente desapareceram levando consigo todo uma história e cultura
de um povo que ali habitava, perdendo a sua identidade e causando danos
irreparáveis a essas sociedades.
Com a escassez das chuvas em alguns períodos do ano ou em época de
estiagem, os baixos níveis dos reservatórios, comprometem o funcionamento das
usinas hidroelétricas forçando a produção de energia elétrica pelas usinas térmicas.
Esta usina por sua vez, gera energia a um preço muito alto e por um processo que
gera muitos resíduos poluentes e nocivos ao meio ambiente. A energia elétrica é
produzida a partir da queima de carvão natural, que deposita na atmosfera uma
quantidade de enorme de partículas nocivas, causando um desequilíbrio natural em
todo o ecossistema e ainda causando doenças principalmente no sistema
respiratório dos seres humanos.
Outra fonte de energia que responde por menos de 1,5% da produção de
energia do país, é a energia atômica. Essa energia é muito cara e muito perigosa.
No Brasil existem no Rio de Janeiro, as usinas angra I e II, geram aproximadamente
1,99 MWatts de energia, no Japão e na Europa a necessidade por este tipo de
energia é maior, vale lembrar das catástrofes nucleares como na década de 80 em
Chernobyl, na Rússia que devastou tudo ao seu redor e deixou o local como uma
cidade fantasma, os níveis de radiação ainda hoje são extremamente altos e
recentemente no Japão, ouve o derramamento de agua contaminada que era usada
para resfriar os reatores, contaminando o mar do Japão e causando consequências
ainda desconhecidas.
No caso da energia nuclear, mesmo sem a ocorrência de acidentes, ainda
existe um outro gravíssimo problema: como descartar corretamente o lixo nuclear,
altamente radioativo e contaminante? Pois o material continua emitindo radiação
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nuclear por muitos anos mesmo após o uso, houveram tentativas de jogar no fundo
do mar mas hoje estão enterrando em minas desativadas a profundidades muito
grandes para tentar diminuir o risco de algum vazamento ou contaminação acidental.
Outro fato que vai contra a energia nuclear é pela proximidade entre usar a
energia atômica para gerar energia e criar uma bomba nuclear, pois o material
nuclear a ser usado precisa ser enriquecido e poucos países no mundo conseguem
realizar com êxito este processo, o Brasil figura entre estes países, citando o Uranio
como exemplo, a forma de se enriquece-lo está ligado diretamente ao seu produto
final, ou seja, o mesmo material usado para se gerar energia pode ser manipulado
para se criar uma bomba nuclear. Exemplos do poder de destruição das bombas
atômicas podem ser vistos em testes nucleares como no Atol de Mururoa ou
Hiroshima e Nagasaki, que terminaram com a segunda guerra mundial.
O petróleo, presente e profundamente difundido em todas as camadas da
sociedade, o petróleo e seus derivados fazem parte do cotidiano de todo mundo. O
petróleo bruto quando drenado em terra firme ou em plataformas petrolíferas nos
oceanos são levados as refinarias. A refinaria nacional, Petrobras, é uma das
maiores refinarias do mundo, e possui técnicas de extração de petróleo únicas no
mundo, como extração do petróleo do pré-sal, uma camada muito profunda no fundo
do oceano, fazendo do Brasil um dos maiores produtores de petróleo do mundo.
O método de exploração e o grau de refinamento do petróleo dá origem a
diferentes tipos de produtos como o gás natural, gasolina, diesel, óleos graxas e
ainda subprodutos como plásticos.
Os problemas do petróleo começam desde a sua extração e transporte, pois
é comum acidentes marítimos com derramamentos de grandes quantidades de óleo
no mar, causando a destruição dos animais e das algas que são essenciais a
oxigenação da atmosfera. Depois de refinado é usado como combustível de motores
à explosão. Um motor a combustão tem uma eficiência muito reduzida pois cerca de
60% de sua energia é perdida com calor e o atrito, ainda expele gazes venenosos e
nocivos à saúde, comprometendo o sistema respiratório, pele e os olhos, bem como
agridem a camada de Ozônio da atmosfera, causando o aquecimento global.
No Brasil, começam a surgirem novas matrizes energéticas de fontes limpas
e que geram menos poluição ao serem utilizadas, mas ainda esbarram nos altos
preços de implantação, como o caso da energia eólica, que representa 2,4% da
energia gerada no Brasil; a energia solar, que representa menos de 1% da energia
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gerada e tem um potencial muito grande de crescimento, especialmente pelo alto
índice de radiação solar durante praticamente todo o ano e o biocombustível e a
biomassa que já são realidade em muitos ramos da indústria.
O efeito estufa, degelo dos polos terrestres, as mudanças climáticas
abruptas com períodos de seca e de chuvas extremas por longo período de tempo
em regiões que não possuíam em seus históricos estes tipos de manifestações
climáticas, estão diretamente ligadas ao descaso com o meio ambiente e mau uso
dos recursos naturais por gerações. Ao mesmo tempo que a população começa a se
conscientizar da necessidade de mudar alguns costumes cotidianos, para diminuir
os desperdícios e administrar de uma forma mais correta o descarte de lixos e
sobras, como exemplo o uso da agua.
A medida que novas tecnologias surgem, equipamentos razoavelmente
modernos se tornam obsoletos e ultrapassados, o sucateamento destes
equipamentos e maquinas aceleram e nem sempre são descartados de forma
segura e correta. A coleta seletiva ainda não é uma realidade na maioria das
cidades e a falta de conhecimento leva a desprezar este material em aterros
irregulares, contaminando com metais pesados o solo e os lençóis freáticos,
causando sérios problemas de saúde.
A busca por combustíveis limpos e eficientes é uma realidade, hoje existem
novos combustíveis alternativos que diminuem o impacto ambiental, mas ainda
assim interferem direta ou indiretamente no meio ambiente e causam danos e
transtornos, pois o problema é o processo necessário para se obter este
combustível, que de um modo geral deixa resíduos mais nocivos que o próprio
combustível ou tornando o processo muito caro ou simplesmente inviabilizando-o.
1.1 – OBJETIVOS
1.1.1- OBJETIVOS GERAIS
O objetivo deste trabalho é desenvolver um protótipo mecatrônico para testar
a viabilidade do trabalho acadêmico sobre a geração e o uso de hidrogênio, como
uma fonte de energia alternativa, a pesquisa desenvolve o protótipo de um gerador
de hidrogênio eficiente, de baixo custo e que gera pouco ou quase nenhum resíduo
toxico ou poluente.
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1.1.2 – OBJETIVOS ESPECIFICOS
Construção de um gerador de hidrogênio de baixo custo;
Realizar teste no motor estacionário e calcular o consumo de
combustível e rendimento, com gasolina e com gasolina/hidrogênio;
Criar um banco de dados que possibilite gerar gráficos e tabelas;
Verificar a viabilidade técnica e econômica do uso do hidrogênio como
combustível auxiliar em um motor a combustão;
1.2 - RELEVANCIA
Este trabalho é relevante, pois possibilitou fazer uma análise criteriosa da
viabilidade de se produzir hidrogênio e utilizá-lo como combustível, fazendo
comparações com outros combustíveis, como a gasolina ou etanol, levantando
custos operacionais e a eficiência no resultado em relação a mesma proporção de
outro combustível ou mesmo trabalhando juntos em proporções variadas.
Uma nova matriz energética capaz de obter resultados de eficiência maiores
que os combustíveis fosseis, produzindo menos rejeitos tóxicos ou nocivos ao meio
ambiente, bem como tendo uma forma de produção mais barata, simples e tipo “just
in time” ou seja produz apenas o que consome, não armazena. Existem outras
formas de se obter energia com o uso do hidrogênio, como nas células de
combustível, onde o processo gera energia elétrica. Este processo é mais complexo
e muito limpo, pois tem como resultado final do processo apenas agua, mas precisa
de muita energia para pressurizar o hidrogênio e com a tecnologia atual não é muito
interessante financeiramente, não tem apoio do governo e não atrai investidores e
não gera uma produção em série, que poderia derrubar os preços e difundir esta
tecnologia.
1.3 - METODOLOGIA
A metodologia utilizada para o desenvolvimento do trabalho é a pesquisa
experimental, realizando os primeiros testes de forma empírica e catalogando os
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resultados criando um banco de dados para tornar possível fazer uma avaliação
segura e provar a viabilidade do trabalho, embasado no conteúdo teórico das aulas,
em literaturas especificas e pesquisas em sites.
Foi desenvolvido um protótipo de gerador de hidrogênio que irá alimentar um
motor estacionário de 4 tempos que será utilizado para a coleta de dados que serão
utilizados para viabilizar o resultado deste trabalho.
2 - REVISÃO BIBLIOGRAFICA
Este capitulo descreve a história cronológica do hidrogênio, desde os
primeiros relatos, mostrará suas principais características e propriedades, os
métodos para se obter o hidrogênio e uma descrição do protótipo e suas
funcionalidades.
2.1 – HISTÓRIA CRONOLOGICA DO HIDROGÊNIO
Os primeiros relatos histórico do descobrimento do hidrogênio deram-se com
o alquimista suíço Paracelsus, que misturou metais com ácidos e produziu um “ar
explosivo”. Mais de um século depois, o cientista Robert Boyle, autor da Lei de Boyle
para um gás ideal, realizou o mesmo experimento que Paracelsus, e publicou suas
descobertas em um artigo, onde chamou o de “Solução inflamável de Marte”.
Em 1776 o cientista britânico Henry Cavendish, relatou o “ar inflamável” num
documento intitulado “Em factícios Airs”, dez anos depois Martinus Van Marum, faz
as primeiras experiências com eletricidade, e em uma dessas experiências obteve o
gás oxigênio e hidrogênio através do processo de eletrolise e acidentalmente
descobriu que a mistura pode ser inflamada por uma faísca elétrica.
Em 1875, Julio Verne escreveu em seu livro A ilha misteriosa, o seguinte:
"Água decomposto em seus elementos primitivos, e decomposta pela eletricidade,
que terá, então, tornar-se uma poderosa e gerenciável força. Sim, meus amigos,
acredito que a água vai ser um dia empregada como combustível".
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Em 1918, o Sr. Charles H. Frazer, patenteou o primeiro "Hidrogênio Booster"
sistema de motores de combustão Patent. No.1.262.034 E.U.A. Ele afirmou que
sua invenção:
1 - Aumenta a eficiência dos motores de combustão;
2 - Completa a combustão de hidrocarbonetos;
3 - Motor vai ficar mais limpo;
4 – Menor quantidade do combustível pode ser usado com desempenho
igual, devida a sua associação gás hidrogênio, não havendo perda de potência
Durante o período da segunda guerra mundial, em virtude da grave escassez
de combustível convencional, no final da segunda guerra mundial, o exército
britânico usou geradores de gases de oxy-hidrogenio em seus tanques, barcos e
outros veículos para obter uma melhor milhagem e de evitar um sobreaquecimento
do motor de seus veículos utilizados na África.
A NASA já utilizava o hidrogênio em seus foguetes devido a sua eficiente
transmissão de energia e ao peso muito reduzido do combustível. Na década de 70,
a NASA, realizou uma série de ensaios com um grande motor V8. Eles estavam
interessados no que o Hidrogênio tinha efeitos sobre o funcionamento do motor. Os
resultados foram impressionantes, mostrando um excelente rendimento do motor.
Documento da NASA: TN D-8478 C.1 datado de maio 1977.
Em 2006 na Flórida, E.U.A. o Sr. Dennis J. Klein tem uma patente para um
"Instrumento e método para a conversão da água em uma nova forma de gases
poluentes e de combustíveis e do gás combustível formado por ela." Patent No. E.U.
2006/0075683 A1. Produzem gases que eles chamam de HHO.
Em 2008 nos E.U.A. o mercado de geradores HHO e poupadores de
combustível parece estar crescendo. Vários fabricantes e distribuidores destes
produtos apareceram. A qualidade dos geradores varia muito. Provou-se que os
motores de combustão interna, que são impulsionados com o hidrogênio rodam mais
suave que os que utilizam combustíveis convencionais e poluem menos o ar.
Em Abril de 2009, no Brasil um dos primeiros experimentos práticos do uso do
hidrogênio como célula de combustível, foi um projeto de dez ônibus elétricos no
Grande ABC (Figura 2), trata-se de veículos que não emitem nenhum tipo de ruído
ou emissão de gases tóxicos.
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Figura 2 – Ônibus elétrico movido a célula de hidrogênio
FONTE: EMTU-SP (Empresa Metropolitana de Transporte Urbano de São Paulo)
O ônibus padrão, possui 12 metros de comprimento, ar condicionado, piso
baixo e transporta até 63 passageiros. Tem autonomia de viagem de 300 km e a
tração elétrica do ônibus é alimentada de forma híbrida, usando tanto a energia de
baterias recarregáveis, quanto a eletricidade provinda das células a combustível, só
emite água, em consequentemente possui emissão zero de poluentes.
2.2 – HIDROGÊNIO
O hidrogénio é o elemento mais abundante no universo (cerca de 75% do
universo é constituído por hidrogénio) e também o terceiro elemento mais presente
na Terra. É incolor e inodoro. Ocupa a primeira casa da tabela periódica dos
elementos, geralmente não é encontrado no seu estado puro, mas na forma
combinada ele é encontrado em numerosos compostos, o mais comum é a água.
Este elemento tem excelentes propriedades tanto como combustível (um
quilo de hidrogénio possui aproximadamente a mesma energia que 3,5 litros de
petróleo ou 2,1 quilos de gás natural ou 2,8 quilos de gasolina) quanto como
transmissor de energia.
Pode ser obtido por múltiplas formas bastante eficazes: por eletrólise da
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água; por reforma de álcool e hidrocarbonetos (metanol, etanol, metano, gás natural
e outros).
É considerado por muitos como “combustível ideal’’, quando combinado com
uma célula de combustível, o hidrogénio oferece uma produção de eletricidade
silenciosa e de alta eficácia, gerando como resíduo do processo apenas agua. Mais
significativo é que se poderia abrir o caminho para uma energia sem emissões em
toda parte, desde casas até carros, uma vez que nenhuma tecnologia isolada
oferece oportunidades tão amplas. O problema deste tipo de processo é o custo e a
energia envolvida para se pressurizar e trabalhar o hidrogênio, ainda o torna inviável
para sua utilização em larga escala.
Desenvolver uma tecnologia de produção por fontes de energia renováveis,
como a solar, por exemplo, a utilização do hidrogénio através de células de
combustível, seria totalmente limpa, formando apenas como produtos da reação
água e calor, não havendo quaisquer emissões de partículas, monóxido de carbono,
dióxido de carbono (CO2), óxidos de azoto (NOx) e óxidos de enxofre (SOx), que são
responsáveis por problemas ambientais tais como chuvas ácidas, problemas
respiratórios e pelo aquecimento global do planeta.
Sendo assim, o hidrogénio tem um grande potencial ambiental, fazendo
parte de um ciclo de vida mais limpo, tornando-se um sério candidato a substituir o
atual modelo energético.
2.3 – OBTENÇÃO DO HIDROGÉNIO
Será utilizado o processo de eletrólise para a obtenção do hidrogênio neste
projeto. A eletrólise é um processo não espontâneo, que consiste na passagem da
corrente elétrica produzida por pilhas ou baterias, por eletrodos através de um
liquido, no qual existam íons, que pode ser uma mistura de agua com bicarbonato de
sódio, soda caustica ou hidróxido de potássio e produzindo reações químicas.
Existe um recipiente onde será realizada a eletrolise, que contem um líquido
eletrolítico (H2O + Hidróxido de sódio), placas de aço inox 303 como eletrodos, a
corrente será gerada por um fonte de PC de 12V e 10A, ao lado existe outro
recipiente com agua denominado borbulhador, onde será filtrada o hidrogênio e daí
ele sai para o filtro de ar que alimenta o carburador do motor.
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Durante o processo de eletrólise, o anodo (+) atrai os átomos de oxigênio e
o catodo (-) atrai os átomos do hidrogênio, quebrando assim a molécula de agua em
H, H e O, 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigênio, este processo libera calor
que varia de acordo com o composto químico utilizado e a corrente empregada no
processo.
2.4 – PROPRIEDADES DO HIDROGÊNIO
O hidrogénio tem a mais alta energia por unidade de peso se comparado com
qualquer outro combustível, uma vez que o hidrogénio é o elemento mais leve e não
tem os pesados átomos do carbono, por esta razão que o hidrogénio tem sido usado
Frequentemente nos programas espaciais onde o peso é um fator crucial.
A quantidade de energia libertada durante a reação do hidrogénio é cerca de
2,5 vezes do poder de combustão de um combustível a base de hidrocarbonetos
como a gasolina, metano ou propano.
Para suprir o consumo energético, a massa de hidrogénio necessária é
apenas aproximadamente uma terça parte da massa de um hidrocarboneto (ver
Figura 3). A alta energia contida no hidrogénio também implica que a energia de
explosão do gás hidrogénio seja aproximadamente 2,5 vezes a dos hidrocarbonetos
normais, ou seja, para a mesma massa as explosões do gás hidrogénio são mais
destrutivas e mais rápidas.
Figura 3 – Tabela do Poder calorífico dos combustíveis
Fonte: Educação, ciência e tecnologia, p.253 – (Dos Santos, 2004)
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Quanto a octanagem, o hidrogênio possui 130 octanas, enquanto o metano
possui 125 octanas, o propano possui 105 octanas, a gasolina possui em média 90
octanas e o metanol aproximadamente 30 octanas.
2.5 - O PROTÓTIPO
O projeto nasceu da ideia de se criar um gerador de combustível ideal, uma
energia limpa e infinita que não destrua o meio ambiente ou que interfira o mínimo
possível nele, utilizando equipamentos e técnicas ecologicamente corretas.
Hoje existem no mercado diversos Kits denominados “geradores HHO” que
prometem ganhos de 15% à 90% de potência do motor, ver abaixo na figura 4, mas
em todos os casos sem exceção eles associam o bom desempenho a necessidade
de se utilizar um liquido eletrólito que é vendido junto com o gerador, sendo este
eletrólito um produto químico de formula secreta e que não pode ser substituído por
nenhum outro elemento, causando a perda de garantia do mesmo.
Figura 4 – Célula automotiva tipo DRY CELL
Fonte: site www.hydrogens.com
Para o projeto será utilizado um motor estacionário de 4 tempos á gasolina,
marca Montgomery de 3,5 HP que foi reformado e para obter o hidrogênio utilizado
no processo de eletrólise. Neste projeto ainda existe a presença de um liquido
eletrólito, que consiste em uma porção de 50g soda cáustica dissolvida em água e
os eletrólitos serão placas de aço Inox 303. O líquido eletrólito pode ser conseguido
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com bicarbonato de sódio no lugar da soda caustica, mas seus resultados são
menos eficientes.
Como fonte de energia serão utilizados fontes de 12V, respectivamente 3,5A
(fonte estabilizada), 10A (fonte de PC) e 60A (bateria automotiva). O ideal seria o
uso de placas solares para gerarem a energia mas o alto custo das placas dificultam
o seu uso, a bateria automotiva possui metais pesados e apresenta problemas com
o seu descarte por ser altamente poluente, mas por fazer parte da alimentação do
sistema elétrico automotivo, ainda é uma opção mais viável e eficiente.
3 – PROJETO DO PROTOTIPO
Antes de iniciar os testes foram realizadas pesquisas sobre o tipo de motor e
o processo mais adequado para a obtenção de hidrogênio ao projeto. Ficou definido
que seria utilizado um motor estacionário a gasolina e o processo seria o de
eletrólise.
3.1 - MOTOR
Foi adquirido um motor de 6HP da marca Montgomery, de 4 tempos, movido
a gasolina. Primeiramente foi necessário fazer uma revisão geral do motor e no
carburador, estava parado a muito tempo. O motor estava mal conservado e com
pouca compressão, foi desmontado e durante a revisão, o motor não apresentava
faísca. Devido aos problemas apresentados no primeiro motor testado, houve a
substituição do mesmo, por não compensar a reforma e pelo tempo disponível.
O novo motor, um pouco menor de 3,5HP e 4 tempos, mas em melhores
condições mecânicas, foi desmontado e revisado, desta vez sem nenhuma surpresa
e com o motor funcionando normalmente á gasolina, iniciaram-se os testes para se
obter o hidrogênio.
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3.2 – PROCESSO DE ELETRÓLISE
A eletrólise é muito utilizada na indústria, pois por meio dela é possível isolar
algumas substâncias fundamentais para muitos processos de produção, como o
alumínio, o cloro, o hidróxido de sódio entre outros. Além disso, também é um
processo que purifica e protege (revestimento) vários metais.
A eletrólise se dá apenas com fornecimento de energia por meio de um
gerador. Para entender como ela acontece, observe o esquema a seguir:
Figura 5 - Processo de eletrólise
Fonte: site http://www.mundoeducacao.com/quimica/eletrolise.htm em agosto/2014
O gerador atrai os elétrons do polo positivo (ânodo) da cuba eletrolítica e
os transfere para o polo negativo (cátodo). Isso é mostrado pelas semi-reações:
1ª Semi-reação: o gerador atrai os ânions A- para o polo positivo e os força a
perder elétrons: A- A0 + elétron
2ª Semi-reação: o gerador faz com que os cátions C+ recebam os elétrons:
C+ + elétron C0
Existem dois tipos principais de eletrólise: a eletrólise ígnea e a eletrólise
aquosa. Entenda a diferença entre elas a seguir:
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Eletrólise Ígnea: ocorre quando a passagem de corrente elétrica se dá em
uma substância iônica liquefeita, isto é, fundida. Daí a origem do nome “ígnea”, uma
palavra que vem do latim, ígneus, que significa inflamado, ardente.
Esse tipo de reação é muito utilizado na indústria, principalmente para a
produção de metais. Veja o exemplo de eletrólise do NaCl (cloreto de sódio – sal de
cozinha), com produção do sódio metálico e do gás cloro:
Semi-reação no cátodo: Na+ + e- → Na. (2)
Semi-reação no ânodo: 2 Cl- → Cl2 + 2e-____
Reação global: 2 Na+ + 2 Cl- → 2 Na + Cl2
Eletrólise Aquosa: nesse caso, fazem parte os íons da substância dissolvida
(soluto) e da água. Na eletrólise do cloreto de sódio em meio aquoso são
produzidos a soda cáustica (NaOH), o gás hidrogênio (H2) e o gás cloro (Cl2). Note
como se dá:
Dissociação do NaCl: 2 NaCl- → 2 Na+ + 2 Cl-
Autoionização da água: 2 H2O → 2 H+ + 2 OH-
Semirreação no cátodo: 2 H+ + 2e- → H2
Semi-reação no ânodo: 2 Cl- → Cl2 + 2e-____________________
Reação global: 2 NaCl- + 2 H2O → 2 Na++ 2 OH- + H2 + Cl2
Solução cátodo ânodo
Foram formados dois cátions (Na+ e H+) e dois ânions (Cl- e OH-). Porém,
apenas um cátion (H+) e um ânion (Cl-) sofreram as descargas do eletrodo, os outros
íons foram apenas espectadores nessa eletrólise.
Isso ocorre em todas as eletrólises em meio aquoso: apenas um dos cátions
e um dos ânions são participantes. Para determinarmos quais serão os participantes
e quais serão os espectadores, existe uma ordem de matérias com facilidade de
descarga, conforme mostrado na figura 6:
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Figura 6 – Materiais utilizados no processo de eletrolise
Fonte: http://www.mundoeducacao.com/quimica/eletrolise.htm em agosto/2014
Desse modo, consultando os materiais, vemos que o cátion H+ tem mais
facilidade de descarga que o Na+ que é um metal alcalino. E, com respeito aos
ânions, o Cl- é um ânion não oxigenado e mais reativo que OH-.
Em um primeiro teste foi utilizando agua + bicarbonato de sódio, numa
proporção de 500ml de agua e 25g de bicarbonato foi utilizada uma fonte de 12v por
3,5 A e como eletrodos 2 fios de arame de composições diferentes e dobrados em
forma de espiral, porem os resultados obtidos foram insatisfatórios, houve muito
pouca produção de gases na câmara de eletrólise e não chegou sequer a sair no
borbulhador, também não houve mudança na temperatura do eletrólito.
Posteriormente com a mesma quantidade de agua e bicarbonato de sódio
usou-se um fonte de PC de 12V por 10 A, com os mesmos eletrodos do outro testes
o processo ficou otimizado, mas ainda não foi possível a obtenção de Hidrogênio na
saída do borbulhador para se fazer um teste. Detalhe deste segundo teste, a água
se aqueceu um pouco mais.
O primeiro resultado positivo apareceu quando foram trocados os eletrólitos
de arame por duas pequenas placas de inox, pela primeira vez o borbulhador
começou a produzir bolhas de hidrogênio e foi obtida a primeira “explosão” e a
temperatura do eletrólito subiu um poucos graus mais que das outras vezes.
Foram adquiridas cerca de 20 placas de INOX 303 com a medida de 110 X
100 mm com 2 mm de espessura, um termômetro digital e algumas ferramentas
como furadeira e brocas, dando assim um grande impulso ao projeto (Figura 7).
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Com mais recursos em mãos e buscando um resultado mais eficiente, foi
trocado o bicarbonato de sódio por soda caustica e as mudanças foram perceptíveis.
Na mesma proporção usada com o bicarbonato de sódio, a soda caustica
gerou resultados animadores, a produção passou a ser quase instantânea e
constante, resultando em grandes bolhas de hidrogênio na saída do borbulhador, o
que garantia combustível de qualidade para a experiência, mas também apresentou
um sério problema de aquecimento, a temperatura do eletrólito passou de 21º C
para 40º C, em questão de segundos.
Figura 7 – Materiais utilizados, o processo de obtenção e explosão do hidrogênio
Fonte: Fotos produzidas pelo autor
Foram realizadas tentativas de obtenção de hidrogênio por meio de uma
reação química de agua, soda caustica e papel alumínio, figura acima, com
resultados insatisfatórios, pois o inicio da reação é demorado, quando inicia a
produção é muito intensa e muito rápida, gerando muito hidrogênio e dissipando
muito calor, chegando quase a 50º C e cessa de repente cortando a produção
imediatamente. O ideal é que a diferença de temperatura não variasse mais de 10º
C, e nesse caso o grande variação térmica poderia causar danos ao equipamento e
o risco de acidente aumenta muito.
Como é muito difícil armazenar o hidrogênio produzido, o método de reação
química foi abandonado e o método de eletrólise passou a ser melhor estudado pois
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ele produz de forma constante e confiável e se mostrou a forma mais segura de se
alimentar o motor estacionário.
Outra forma de energia para o processo de eletrólise, é a utilização de
placas solares ao invés de utilizar baterias ou fonte de PC.
A maior eficiência na produção do hidrogênio se deu com o uso de soda
cáustica como eletrólito e como fonte de energia uma bateria de carro de 60A,
chegou a produzir 1,5 litros por minuto, porem a temperatura na câmara de eletrolise
superou os 55º C e causou um superaquecimento nos fios, chegando a danificá-los.
Com o hidrogênio sendo gerado em abundancia o problema todo se
concentrou na manutenção mecânica do motor, pois depois de conseguir vedar os
muitos vazamentos e conseguir regulagem para a gasolina pura, nunca funcionou
perfeitamente com hidrogênio, ficando difícil a partida e o motor funcionou fora da
sincronia normal, até que danificou o carburador impedindo a conclusão dos testes.
A produção do Hidrogênio mostrou ser um processo de bom resultado e fácil
acesso, porem o uso de sensores no controle da vazão e para monitorar algum
vazamento é viável e a implementação de um controle eletrônico, aumentara a
segurança do gerador e sem dúvida dará continuidade e qualidade ao projeto.
3.3 – PROJETOS SEMELHANTES
Pesquisando na Internet e em sites específicos como no Mercado Livre e
OLX, pode se encontrar uma infinidade de geradores a vendas, com promessas
absurdas de economia além da imaginação e em alguns casos visivelmente
impossíveis, mas existem sites de empresas idôneas e confiáveis que estão
comercializando já este tipo de material, como a HYDROGENS e a HYDROCELL.
A empresa apresenta a maior variedade de geradores desde um gerador
simples de cinco células para motos até equipamentos para se instalar em um
caminhão, prometendo realizar o mesmo trabalho com economia considerável.
O conteúdo do site é muito completo e traz várias informações desde a
história do Hidrogênio como combustível, até dados técnicos e manuais de
instalação bastante completos e ricos em detalhes.
Os valores destes Kits variam de R$ 500,00 a R$ 25.000,00, um
equipamento similar ao desenvolvido neste trabalho custa cerca de R$ 1.000,00 e
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pode ser usado em um veículo de porte médio, enquanto o descrito neste trabalho
custou menos da metade deste valor.
3.4 – A ECONOMIA DO HIDROGÊNIO
Segundo o renomado autor Jeremy Rifkin, do Livro - A Economia do
Hidrogênio, ele prevê o surgimento de uma nova economia sustentada pelo
Hidrogênio, a qual mudará fundamentalmente nossas instituições econômicas,
políticas e sociais, apontando o hidrogênio como o mais eficiente substituto ao
petróleo, ele acredita que essa nova economia, será mais democrática, mais
acessível pelo fato de ser uma fonte praticamente inesgotável e conseguiria
inclusive mudar os aspectos econômicos, religiosos e políticos, como no Oriente
Médio que é totalmente dependente e detentor de grande parte do petróleo
produzido no mundo. Esta nova economia, trará grandes mudanças, a exemplo do
que fizeram o carvão e a máquina a vapor no início da era Industrial.
Das formas estudadas para o uso do hidrogênio e mais eficiente é a célula de
combustível, pois ela gera eletricidade a partir de um processo limpo e sem resíduos
nocivos ao meio ambiente, ver figura 8. Um veículo equipado com uma célula de
combustível pode se tornar uma pequena usina de energia.
Com o uso das células, não só os veículos, mas as residências produziram a
sua própria energia elétrica e junto com a energia solar e eólica poderiam transferir a
eletricidade para a rede e tornar um bairro inteiro autossustentável.
Figura 8 – Funcionamento de uma célula de combustível e um carro movido a hidrogênio
Fonte: www.infoescola.com em agosto 2014
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4 – CONCLUSÃO
Durante os testes realizados com o gerador de hidrogênio, pode se concluir
que o hidrogênio é muito promissor, mas não é a solução de problemas de uma
fonte real de energia na atualidade. Apresenta durante o processo facilidade na sua
geração e a dificuldade no seu armazenamento e manuseio.
Como pontos positivos dos testes, vale lembrar que foi obtido hidrogênio
com métodos diferentes e com graus de sucesso variáveis, o hidrogênio gerado é
altamente explosivo, e a sua produção está ligada diretamente a fatores como a
tensão e a corrente empregada, materiais utilizados como eletrodos e o tipo de
eletrólito usado no processo. Com uma bateria automotiva, de 60A a produção
chegou a ser maior que 1,5 litro por minuto e constante.
Pontos negativos referentes ao gerador, um dos maiores problemas foi o
excesso de temperatura e os constantes vazamentos que representam um perigo
iminente de explosão, lembrando que o hidrogênio é incolor e inodoro. Neste tipo de
processo o hidrogênio não é armazenado, ou seja, toda a produção tem que ser
consumida. Outro problema crítico apresentado foi a necessidade constante de
manutenção no motor, temperatura externa e clima influenciaram o resultado da
produção e mecanicamente existe a necessidade de várias mudanças e adaptações
para que o hidrogênio funcione de forma positiva. A curto prazo são modificações
caras e requer manutenção constante.
Não vejo a curto prazo vantagens econômicas ou técnicas na utilização do
hidrogênio como combustível principal ou auxiliar em motores de combustão interna,
mas com os novos adventos tecnológicos para armazenamento e transporte, o uso
do hidrogênio em células de combustível mostra sem dúvidas ser o processo mais
limpo e eficiente, pois gera energia elétrica e agua limpa como resultado final.
Existem as células de combustíveis a hidrogênio, que são muito eficientes,
inclusive já equipam alguns ônibus de teste em São Paulo, porem o custo e a
energia gasta no processo, ainda torna o produto final pouco atrativo
financeiramente para os investidores e a necessidade de um desenvolvimento
tecnológico em várias áreas como segurança, produção, distribuição, utilização e
armazenamento, ainda são obstáculos a serem vencidos, pois somente assim será
competitivo e plenamente viável seu uso. A chave do futuro será evoluir sem poluir.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
BORGNAKKE, Claus; SONNTAG, Richard E., Fundamentos da
Termodinâmica; tradução da 7ª edição americana São Paulo: Blucher, 2009
HARPER, Gavin D. J. Fuel cell projects for the Evil Genius. New York:
McGraw-Hill, 2008.
NETO, Emilio H. G. Hidrogênio Evoluir Sem Poluir: A era do hidrogênio,
das energias renováveis e das células de combustível. 1ª. ed. Curitiba:
Brasil H2 Fuel Cell Energy, 2005.
RIFKIN, Jeremy. A economia do hidrogênio. Mbooks do Brasil Editora Ltda,
São Paulo, 2003.
SERWAY, Raymond A.; JEWETT, John W. Princípios da Física – Volume 1
Mecânica Clássica – Cengage Learning – 2011
TELES, Dirceu D`Alkimin; NETO, João Mongelli, Física com aplicações
tecnológicas – Oscilações, ondas, fluidos e termodinâmica – Vol. 2:
Blucher 2013
THOMAZINI, Daniel; ALBUQUERQUE, Braga; URBANO, Pedro. Sensores
Industriais: Fundamentos e Aplicações – 7ª Ed. São Paulo: Érica, 2010.
http://carros.hsw.uol.com.br/bmw-h2r1.htm acessado em 04/2014.
http://super.abril.com.br/blogs/planeta/carro-movido-a-hidrogenio-uma-
alternativa-promissora/ acessado em 04/2014
http://www.hydrogens.com.br/ acessado entre os meses 04 e 05/2014
http://www.hydrogens.com.br/produtos_4.html acessado em 04/2014
http://www.infoescola.com.br acessada em 08/2014