Que importância têm os gases para a I&D de novos combustíveis para a mobilidade

Para tal, são utilizados analisadores em várias fases da I&D, na cadeia de processo e em determinadas  fases de qualificação em bancos de ensaio.
Os analisadores podem utilizar diferentes gases de instrumentação, gases vetores e, em especial, misturas de gases específicas para a sua calibração.

Estão a surgir três tipos de combustíveis para a mobilidade:

1. o E-fuel
2. o hidrogénio
3. o amoníaco

Atendendo aos novos combustíveis, são necessários novos critérios de análise e os respetivos gases puros e misturas.

1. E-fuel

Os E-fuels, ou combustíveis sintéticos, são uma nova família de combustíveis. Estão ainda na fase de desenvolimento.
Os E-fuels são combustíveis sintéticos, ou seja, são produzidos por um processo que consiste em recombinar uma mistura de monóxido de carbono (CO) e hidrogénio (H₂) para formar moléculas de hidrocarbonetos (sem o processo de destilação de hidrocarbonetos pesados).

No caso dos E-fuels, o monóxido de carbono não provém da biomassa, mas sim de uma molécula de CO₂ capturada da atmosfera ou de resíduos industriais. O hidrogénio é obtido por eletrólise da água, que transforma a água (H₂O) em oxigénio (O₂) e hidrogénio (H₂).
É necessária energia para realizar a transformação da molécula de CO₂ com H₂ para produzir o E-fuel. Esta energia deve ser de baixo carbono.
Para o controlo da qualidade do combustível sintético: a análise do combustível está a tornar-se uma necessidade para controlar a natureza e a qualidade do produto, evitando a danificação dos motores ou os sistemas de injeção.
A análise da combustão num banco de ensaio de motores ou em estrada será necessária para validar este novo combustível no que se refere aos limiares das emissões de poluentes.

Em função do conteúdo de impurezas detetadas, as tecnologias de análise podem utilizar gases de processo (azoto, hidrogénio, ar zero, etc.), gases vetores (hélio, hidrogénio, etc.) e misturas específicas de calibração para os níveis de impureza pretendidos.

2. Hidrogénio

A recuperação de energia para mobilidade a partir do hidrogénio (H₂) renovável ou de baixa concentração de carbono previamente armazenado pode fazer-se de duas formas:

• Ou sob a forma de energia através da sua combustão direta com o oxigénio (O₂) nos motores de combustão.
• Ou sob a forma de eletricidade através de uma célula de combustível (Fuel Cell - reação de hidrogénio e oxigénio) para alimentar motores elétricos.

Combustão de hidrogénio: 
Produz essencialmente água e calor e emite óxidos de azoto (NOx) e vestígios de compostos de carbono provenientes da combustão dos lubrificantes do motor.
Para obter uma eficiência muito elevada e emissões reduzidas de NOx, é necessário explorar várias propriedades do hidrogénio, como a sua capacidade de queimar rapidamente numa mistura muito pobre.

A análise e a quantificação dos óxidos de azoto e dos compostos de carbono são essenciais. Para garantir a medição destas impurezas, devem ser utilizadas misturas de gases específicas com diferentes concentrações de NOx, CnHm, etc.

Hidrogénio para produzir eletricidade:
O hidrogénio é utilizado para alimentar uma célula de combustível na presença de oxigénio contido no ar. A célula converte a energia química do hidrogénio e do oxigénio em energia elétrica.
Esta produção de eletricidade permite alimentar o motor elétrico que propulsiona o veículo.

A produção elétrica da célula emite vapor de água. No âmbito dos testes funcionais e de desempenho, podem ser efetuadas análises complementares adicionais com limiares ou níveis de impurezas residuais muito reduzidos. Também neste caso, as tecnologias de análise requerem misturas de gases específicas em função das concentrações pretendidas. 

Qualidade do hidrogénio para as células de combustível:
As normas de qualidade para o hidrogénio utilizado nas células de combustível são definidas por entidades reguladoras como a International Organization for Standardization (ISO) e a American Society of Mechanical Engineers (ASME).
Na Europa, a qualidade do hidrogénio deve estar em conformidade com a norma ISO 14687-2 / EN 17124. 
Empresas de serviços especializados podem monitorizar as 14 impurezas no hidrogénio, com limites máximos de concentração por impureza.
As amostras devem ser recolhidas utilizando um kit de amostragem de hidrogénio na pistola da estação (ver quadro).
 

A soma das impurezas não deve exceder um total de 300 ppm mol e a pureza do hidrogénio deve ser de, pelo menos, 99,97 (N37).
Para tal, é importante equipar os laboratórios de controlo da qualidade do hidrogénio com analisadores e misturas de gases para a calibração.

Foram desenvolvidos vários métodos analíticos para otimizar a qualidade da análise do hidrogénio. As técnicas espectroscópicas (GC-MS) e cromatográficas com vários detectores (FID, TCD, DID) abrangem a maior parte das impurezas. No entanto, alguns compostos não podem ser analisados por espectroscopia: o azoto, o árgon e o hélio. Deve ter-se em conta que, embora a mesma técnica possa efetuar a análise, podem ser necessárias várias configurações ou equipamentos diferentes para obter esses resultados.
Outro inconveniente é o facto da análise de hidrocarbonetos, enxofre e compostos halogenados ser parcial, o que significa que apenas são detetados alguns compostos destas famílias.

3. Amoníaco

O amoníaco, cuja molécula é composta por azoto e hidrogénio (NH3), é um dos vetores energéticos mais promissores.
Molécula sem carbono (NH₃), a sua utilização como combustível permite, tal como o hidrogénio, evitar as emissões de CO₂ e de CO e eliminar ou reduzir o volume de partículas de fuligem.

Para tornar os motores de combustão interna mais limpos, estão a proliferar protótipos de motores que funcionam com amoníaco.

O amoníaco tem um alto índice de corrosividade, pelo que, para uma utilização em segurança num motor a gasolina ou a gasóleo, têm de ser removidos todos os componentes de cobre, níquel e borracha para evitar problemas de fiabilidade.

A análise da combustão num banco de ensaio de motores ou em estrada será necessária para validar este novo combustível no que se refere aos limiares de impurezas rejeitadas.

Em função dessas impurezas detetadas, as tecnologias de análise podem utilizar gases de processo (azoto, hidrogénio, ar zero, etc.), gases vetores (hélio, hidrogénio, etc.) e misturas de gases específicas de calibração para os níveis de impureza pretendidos. 

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