Produção e aplicação do hidrogênio como combustível em veículo automotor: um estudo de caso.

ISBN 978-85-85905-15-6

Área

FEPROQUIM - Feira de Projetos de Química

Autores

Texeira, H.S.C. (COL. MUN. CASTRO ALVES) ; Andrade, A.O. (COL. MUN. CASTRO ALVES) ; Carvalho, A. (COL. MUN. CASTRO ALVES) ; Lima, T.W.F. (COL. MUN. CASTRO ALVES) ; Cesar, M.E. (COL. MUN. CASTRO ALVES) ; Fernandes, I.L. (IF GOIANO)

Resumo

O projeto foi uma tentativa, bem sucedida, de produzir e aplicar hidrogênio como combustível, em substituição à utilização dos combustíveis fósseis. Justificou-se pelo fato da combustão de hidrogênio não gerar poluentes. Suportou-se também na ideia de incentivar o uso de tecnologias mais sustentáveis. A produção de hidrogênio ocorreu-se pelo processo de eletrólise, utilizando uma bateria 12V em um solução de NaOH. Dessa forma, foi possível conduzir corrente até a solução e realizar a quebra da molécula de água produzindo hidrogênio (H2) e oxigênio (O2). O hidrogênio foi introduzido na câmara de combustão de uma moto Dafra 125 CC. Observou-se que o motor funcionou normalmente. Conclui-se que o H2 substituiu o atual combustível no veículo teste e proporcionou um correto funcionamento.

Palavras chaves

Eletrólise; Combustão; Sustentável

Introdução

A excessiva e constate extração de combustíveis fósseis, produz quantidades significativas de CO2 que contribuem com o aquecimento da Terra. Em adição, a extração de petróleo no solo produz uma inevitável contaminação por derramamento (SPIRO e STIGLIAN, 2009). Alternativas de combustíveis sustentáveis, renováveis e limpos, atuam como fator remediador frente às negativas alterações climáticas e a constante emissão de poluentes e particulados no ar. Embasado no princípio da combustão da gasolina e do etanol, acredita-se que os atuais motores no Brasil possam funcionar com o uso de hidrogênio com pequenas alterações. Similar às adaptações realizadas com o uso de GNV. O hidrogênio pode ser obtido a partir da eletrólise, processo usado para forçar uma reação na direção não espontânea com auxílio de uma corrente elétrica. Para que isso ocorra, a fonte externa deve gerar uma diferença de potencial maior que a diferença de potencial que seria produzida pela reação inversa. Assim, 2 H2O(l) --> 2H2(g) + O2(g) possui potencial de – 1,23 V em pH=7, sendo assim não espontânea. Para tornar a reação espontânea devemos usar menos de – 1,23 V para superar a tendência natural da reação (ATKINS e LORETTA, 2012). Durante a combustão completa de um combustível, baseado em cadeias carbônicas, todo o carbono é convertido em CO2 e o oxigênio em H2O, tendo ambos, grandes entalpias de formação negativas. Na combustão do H2, não ocorre formação de CO2, visto que não há fontes de carbono, então a reação se processa de modo inverso à reação de eletrólise acima. Esse trabalho objetivou produzir o gás hidrogênio, a partir da eletrólise, e canalizá-lo à câmara de combustão de uma moto Dafra 125 CC com intuito de observar o funcionamento da moto.

Material e métodos

O projeto de produzir e consumir um combustível limpo foi realizado de maneira simples. A princípio, foi aperfeiçoado algumas vezes com estudos mais profundos para se tornar seguro e eficaz. Dispondo de uma tecnologia de fácil acesso, um regulador de tensão PWM específico para hidrogênio, conseguiu-se regular a tensão e a corrente do sistema. Além disso, usou-se materiais comuns: bateria automotiva (12 V e 17 A), cabos para bateria, parafusos inox com porcas e arruelas, manta isolante, mangueiras transparentes para fluxo do gás, braçadeiras de aço, fusível 15 A, refil para purificador de água, cola araldite. No cabo positivo que liga o regulador de tensão ate a célula onde é produzido o gás colocou-se um fusível de 15 A para impedir que esquente ou de curto (dispositivo de segurança). Com os cabos ligados ao regulador e a célula, conseguiu-se regular a tensão para a célula limitando a quantidade de gás que produzido. Feito isso, o próximo passo foi montar um borbulhador, um segundo recipiente pelo qual o gás passaria por debaixo da água e sairia por outra mangueira, assim, evitou-se o risco de explosão do primeiro recipiente, em caso de uma faísca voltar da câmara de combustão. Em síntese, pode escrever que o sistema segue um arranjo linear: bateria, cabos até os eletrodos, célula eletrolítica com escape de gases fechado; borbulhado; tubulações; recipiente de armazenamento; despejo na câmara de combustão da moto.

Resultado e discussão

Incialmente pode-se observar que, uma experiência de garagem e os sonhos de jovens apaixonados por carro, com as devidas orientações, tornaram-se um projeto apresentado na Feira do Conhecimento do ano de 2015 do Colégio Municipal Castro Alves de Posse/GO (Figuras 1 e 2). Verificou-se a eficaz produção de hidrogênio a partir do borbulhamento do gás em água com detergente, onde as bolhas produzidas foram submetidas à queima com isqueiro. A produção do H2(g) é explicada a partir da reação no cátado: 2 H2O (l) + 2e´--> H2(g) + 2 OH-(aq), que possui potencial padrão de redução de – 0,83 V. Já no ânado infere-se a ocorrência das reações: 2 H2O (l) --> O2(g) + 4H+(aq) + 4e´ com E=+1,23 V e 4 OH-(aq) --> O2(g) + 2 H2O(l) + 4e´ com E=+0,40 V (BROWN et al., 2005). A queima do combustível hidrogênio no motor da moto, que fora retirado o combustível antigo e o tanque flex, apresentou funcionamento normal. Essa experiência foi testada anteriormente duas vezes e apresentou o mesmo resultado. O correto funcionamento da moto surpreendeu aos demais participantes e convidados. Com a supervisão de um mecânico e de alguns curiosos duvidosos, a moto continuou funcionando com hidrogênio mesmo depois de sucessivos afogamentos e novas partidas. Esse funcionamento pode ser explicado pelas características dos combustíveis. A entalpia é uma propriedade de estado que mede o calor transferido nas reações, aplicado aos combustíveis, fala-se em entalpia especifica, ou entalpia de combustão por grama, de modo comparativo pode-se escrever os valores de entalpia específica (em kJ/g) hidrogênio: 142, gasolina: 48; etanol: 29,7 (BROWN et al., 2005 e ATKINS e LORETTA, 2012). Diante dos valores, verifica-se que o ganho energético com a utilização de hidrogênio é superior.

À esquerda, bateria automotiva, fonte de corrente e um pote usado como célula eletrolítica. Ao fundo da imagem central, o borbulhador.


Veículo teste. Detalhes para a moto sem tanque e sem banco.

Conclusões

Com a referida experiência pode-se verificar que os conteúdos teóricos aprendidos em sala de aula, possuem relação íntima com o cotidiano, quando analisados a partir do instinto curioso e investigativo. Pode-se concluir nesse estudo de caso: a produção de H2 foi evidenciada a partir da eletrólise em solução de NaOH; o H2 produzido funcionou como combustível automotivo na moto teste. A partir dessa experiência, a próxima etapa será utilizar um carro. Por fim, espera que experiências como essa, de futuros profissionais, possam ser apoiadas com o intuito viabilizar o uso de combustíveis limpos.

Agradecimentos

Aos nossos pais e amigos, apoiadores incansáveis, à Escola Municipal Castro Alves; aos professores de Química, Maria Elda e Ítalo Fernandes; e ao IF Goiano - Posse.

Referências

ATKINS, Peter; JONES, Loretta. Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 2012
BROWN, TL.; LEMAY JÚNIOR, H.E.; BURSTEN, B.E.; BURGE, J.R. Química: a ciência central. São Paulo: Prentice Hall, 2005.
SPIRO, T.G.; STIGLIAN, W.M. Química Ambiental. 2. ed., São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.