O evento Systems & Components em Hanover, na Alemanha, oferecerá soluções práticas para motores de combustão movidos a hidrogênio e tecnologias de células de combustível que podem ser usadas juntamente com acionamentos elétricos em várias configurações híbridas para alimentar veículos fora de estrada.
De 12 a 18 de novembro, o mercado B2B que acontecerá como parte da Agritechnica, a principal exposição de máquinas agrícolas do mundo, oferecerá aos desenvolvedores e engenheiros de projeto uma plataforma de informação e discussão sobre os últimos desenvolvimentos e combustíveis alternativos. Lá, os visitantes podem ver como seria um trem de força "ideal" para uma escavadeira ou trator movido a hidrogênio.
Os modernos motores a hidrogênio, como os que serão apresentados na Systems & Components em meados de novembro, são baseados em tecnologia de combustão conhecida e comprovada, adaptada para um futuro sustentável. As vantagens dessa estratégia são evidentes: um motor de combustão a hidrogênio pode ser instalado na mesma máquina que um motor a diesel usando a mesma caixa de câmbio, sistema de refrigeração e sistema hidráulico. O motor pode operar em ambientes empoeirados, é capaz de suportar vibrações severas e está disponível em todos os tamanhos e configurações. Para a mudança para sistemas de transmissão movidos a hidrogênio, os fabricantes de veículos e operadores de frota podem ficar com uma arquitetura familiar na qual um motor a pistão é movido a hidrogênio em vez de diesel, gasolina ou gás natural.
Em contraste com a célula de combustível, o motor de combustão de hidrogênio é uma alternativa barata que pode ser implementada rapidamente usando a atual infraestrutura de fabricação, alcançando mobilidade de carbono zero na agricultura e construção. Embora sua eficiência seja menor que a da célula de combustível em cargas baixas e médias, ela é maior em carga total. Por isso, especialistas, como o Dr. Thomas Pauer, presidente da divisão Bosch Powertrain Solutions, consideram o motor a hidrogênio uma tecnologia de entrada para mercados fora de estrada e um complemento para a tecnologia de células de combustível, que está atingindo rapidamente seus limites no segmento pesado -duty e setores off-road. “Muitas vezes, as máquinas de construção operam em repouso sob altas cargas, e é exatamente onde o motor a hidrogênio se destaca por sua alta eficiência e robustez”, enfatiza Pauer. Um exemplo desse conceito é o TCG 7.8 H2 da Deutz, um motor de seis cilindros, baseado em um sistema de motor modular existente e adequado para uso fora de estrada. Não emite carbono e oferece uma potência de 220 quilowatts. Além de sua aplicação piloto em grupo gerador (combinação de motor e gerador) para produção de eletricidade, o motor demonstrará suas habilidades em um caminhão de 18 toneladas, no âmbito do projeto HyCET. A Deutz já está planejando iniciar a produção em massa do motor em 2024.
“O uso de hidrogênio pode rapidamente tornar diversas aplicações pesadas e off-road neutras em relação ao clima”, confirma o Dr. Peter Wieske, Diretor Corporativo de Engenharia Avançada da Mahle. No entanto, a prevenção de detonação do motor e ignição prematura, mantendo a taxa de compressão, a eficiência do motor e o rendimento de saída, é um desafio. Nisso, a ignição de pré-câmara, desenvolvida pela Mahle Powertrain para a Liebherr Machines Bulle, desempenha um papel crucial. Para obter um funcionamento estável sem detonação, apesar da alta compressão, os motores a hidrogênio devem funcionar com excesso de ar, de forma que uma vela de ignição convencional seja incapaz de inflamar a mistura.
O Mahle Jet Ignition (MJI) resolve esse problema acendendo uma pequena quantidade de uma mistura inflamável em uma pré-câmara do cilindro. O plasma de gás resultante é encaminhado através de pequenas aberturas para a câmara de combustão principal onde, graças ao seu alto teor de energia, inflama rápida e uniformemente a mistura de gás principal. Segundo a empresa, os testes com os motores H966 e H964 da Liebherr mostraram excelentes resultados em termos de velocidade de combustão, rendimento e emissões. A H966 é o elemento central da nova escavadeira sobre esteiras da Liebherr, a R9XX H2. Este usa um motor a hidrogênio que foi desenvolvido para testes de campo e é baseado em injeção de combustível portuária (PFI). Os resultados alcançados com esta tecnologia mostram o potencial da propulsão a hidrogênio para aplicações fora de estrada. A Liebherr também está trabalhando em outras tecnologias de acionamento baseadas em hidrogênio, como injeção direta H2 (DI). O último promete uma densidade de potência mais alta do que a injeção de combustível da porta H2 e, portanto, é adequado para aplicações exigentes de serviço pesado nas indústrias de construção e mineração. A Bosch também está trabalhando em sistemas com injeção direta ou portuária e está envolvida em mais de 100 projetos em todo o mundo. Além da injeção direta de hidrogênio, o novo injetor AFI-LP (alte rnativo injetor de combustível - baixa pressão) também pode usar outros combustíveis como o metanol, garantindo assim a maior flexibilidade possível para os fabricantes de motores.
A Liebherr pretende iniciar a produção em massa de seus motores a hidrogênio até 2025. Assim como a Bosch, a empresa de tecnologia também está realizando pesquisas sobre soluções de injeção para otimizar ainda mais a combustão e a densidade de potência. “O conhecimento especializado de nossa equipe de engenharia sobre combustíveis alternativos é de importância central neste desenvolvimento”, explica Bouzid Seba, chefe de desenvolvimento avançado da Liebherr Machines Bulle. Sua declaração ressalta a abordagem de tecnologia aberta que a Liebherr está adotando ao lidar com várias tecnologias e os combustíveis adequados para elas. Além dos motores movidos a hidrogênio, vários projetos de pesquisa estão sendo conduzidos em combustíveis alternativos. Um exemplo disso é um motor bicombustível que pode funcionar com hidrogênio e HVO (óleo vegetal hidrotratado) ou apenas com HVO. Muitos dos motores a diesel exibidos na Systems & Components agora são totalmente compatíveis com combustíveis HVO renováveis, o que já os aproxima da meta de carbono zero.
Essas atividades mostram que os combustíveis alternativos exigem motores otimizados, projetados para compatibilidade desde o início, e a Cummins está trabalhando nessas novas plataformas de motores. “O objetivo é obter um motor mais eficiente com maior densidade de potência, implementando sistemas flexíveis de comando de válvulas no cabeçote, resfriamento aprimorado e fricção reduzida. Também desenvolvemos uma câmara de combustão avançada e otimizada para a mistura de combustível”, diz Srikanth Padmanabhan, presidente do setor de motores da Cummings. O objetivo aqui também é evitar limitações de produção e outros compromissos relacionados à mudança dos atuais motores a diesel ou gás natural para o hidrogênio.
Um dos problemas ainda não resolvidos é a capacidade do tanque, já que o hidrogênio ocupa um volume significativamente maior do que o diesel para o mesmo conteúdo de energia - cerca de cinco a oito vezes o volume do tanque. Vasos de pressão de fibra de carbono estáveis são uma abordagem possível para fornecer volumes maiores de hidrogênio para uma célula de combustível ou um motor de combustão. No entanto, soluções pragmáticas também estão sendo desenvolvidas, como uma unidade móvel de reabastecimento da JCB. A fabricante britânica de máquinas para construção e agricultura investiu mais de 100 milhões de libras no desenvolvimento de motores a hidrogênio altamente eficientes e já apresentou protótipos funcionais de uma escavadeira e uma carregadeira telescópica. Estes estão agora a ser complementados por uma estação de abastecimento móvel, que permite que as máquinas sejam reabastecidas de forma rápida e fácil no local através de um bocal. O processo é o mesmo usado em canteiros de obras, onde máquinas convencionais são abastecidas com óleo diesel de um caminhão-tanque.
O potencial tecnológico do hidrogênio na agricultura e silvicultura também estará em discussão na SYSTEMS & COMPONENTS. Enquanto os veículos elétricos estão conquistando as estradas, a capacidade dos veículos movidos a bateria, exceto para algumas máquinas compactas com potência inferior a 50 quilowatts, muitas vezes é insuficiente para uso em campo. Walter Wagner, Diretor de Pesquisa e Desenvolvimento da AGCO/Fendt, afirma “Em comparação com as fontes de energia convencionais, a eletromobilidade não é uma opção para máquinas de alto rendimento. Estamos realizando pesquisas em soluções alternativas, como o uso de hidrogênio.” Em tais aplicações, a pilha de células de combustível entra em foco como uma variante de acionamento adicional. Ele converte energia química de hidrogênio e oxigênio diretamente em energia elétrica, que é então usada para acionar os motores ou armazenada em baterias intermediárias. As células de combustível devem ser controladas e monitoradas com precisão. O volume, umidade e limpeza do ar de entrada são tão importantes quanto a temperatura do hidrogênio fornecido. Os expositores da Systems & Components oferecerão todos os componentes necessários para controlar e monitorar as células de combustível e continuar a desenvolvê-las.
Pesquisando infraestrutura de hidrogênio para uso agrícola, o projeto piloto colaborativo H2Agrar, do qual a Fendt participa, recebeu o 'DLG Agrifuture Concept Award' em 2022. Pela primeira vez, serão empregados protótipos de tratores, movidos por uma célula de combustível de hidrogênio, entregues pela Fendt a fazendas em Haren, na região de Emsland, na Baixa Saxônia, na Alemanha, no início de abril. Estes serão operados em condições reais durante todo o período do projeto. Paralelamente, estão sendo realizadas pesquisas sobre os requisitos técnicos para uma infraestrutura adequada de hidrogênio para o setor agrícola. Olhando para os Sistemas e Componentes deste ano, muitas abordagens para alcançar um trem de força neutro para o clima serão exibidas de 12 a 18 de novembro no recinto da feira em Hanover. A busca por soluções de alto desempenho para a descarbonização de máquinas móveis está bem encaminhada, incluindo o desenvolvimento de motores de combustão neutros em carbono, usando hidrogênio ou combustíveis sintéticos, como bem como trens de acionamento elétrico.
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