Hidrogênio: de primeiros a fruição

Cummins Hydrogen Firsts

O seguinte foi de autoria de Amy Adams, vice-presidente-Fuel Cell & hidrogênio Technologies da Cummins Inc.

Desde 1919, a Cummins transformou desafios em oportunidades. Estamos sempre em busca de novas soluções para impulsionar um mundo mais próspero, mas o mundo mudou muito desde que a Cummins foi inaugurada pela primeira vez para negócios. É por isso que estamos vivendo nossa promessa de inovação e confiabilidade da marca ao expandir para novas fontes de energia.

Assim como a Cummins transformou o diesel em uma fonte de alimentação confiável e cotidiana há 100 anos, agora reconhecemos o potencial do hidrogênio para transformar a mobilidade e abastecer a infraestrutura para tornar as células de combustível acessíveis em grande escala. Estamos entusiasmados por ter recebido recentemente uma célula de combustível e líder de produção de hidrogênio Hidrogénicos como a mais nova adição à Cummins.

Os talentos, a experiência e o histórico de hidrogenics de fornecer soluções inovadoras de célula de combustível a hidrogênio e geração de hidrogênio os fizeram se destacar de outras empresas no espaço. E como há tantas semelhanças entre Hidrogenics e Cummins, sabíamos que poderíamos formar a equipe perfeita.

A equipe de hidrogenia possui o mesmo espírito empreendedor e a abordagem de roll-up-your-Sleeves que vive no cerne de como a Cummins realiza negócios. Nós dois também nos orgulhamos de várias "inovações" que ajudaram nossos clientes e setores a alcançarem novos Marcos.

Para a Cummins, esses Marcos formam uma história colorida que começou com a construção de carros de corrida para várias corridas de 500 milhas de Indianápolis, incluindo o primeiro carro movido a diesel para concluir a corrida sem parar em 1931. Para Hidrogenics, as primeiras firstas monumentais vão desde o primeiro trem público movido a hidrogênio até o primeiro sistema de geração de energia de célula de combustível PEM de 1MW instalado na Coréia para potência crítica. Explore mais inovações de hidrogênio abaixo.

Cummins Hydrogen First - Infographic
Clique na imagem para explorar várias inovações em hidrogênio no nosso infográfico de primeiros-socorros a hidrogênio.

No futuro, a Cummins continuará a desenvolver o legado dos Hidrogenicos por meio de produtos de célula de combustível e de geração de hidrogênio verde. Ao aplicar nossa mais recente tecnologia em ambientes do mundo real, realizaremos ainda mais "estreias" e alguns "segundos" e "terços" à medida que progredimos na economia do hidrogênio.
 

Amy Adams - Cummins Inc.

Amy Adams (Amy)

Amy Adams é vice-presidente-Fuel Cell & hidrogênio Technologies da Cummins, líder mundial em energia. Ela está na vanguarda do avanço da visão da Cummins para trazer um portfólio diversificado de soluções de energia para os clientes, trabalhando em toda a cadeia de valor para construir e crescer a célula de combustível da empresa e o portfólio de tecnologias de produção de hidrogênio globalmente. Como parte disso, Amy supervisiona os investimentos e parcerias de hidrogênio da empresa, incluindo o negócio de hidrogenia recentemente adquirido.

O que é uma célula de combustível?

Fuel cells are a key technology to unlocking our carbon-neutral future

Fuel cells aren’t new. In fact, the first reference to hydrogen fuel cells appears in 1838 in the December issue of The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science. Almost 200 years later, the world is recognizing fuel cells as a key technology to unlocking a carbon-neutral future.

Here is what they are, how they work and two fuel cell types that Cummins is investing in.

What is a fuel cell in simple terms?

Like batteries, fuel cells are energy converters - they use an electrochemical reaction to take the chemical energy stored in a fuel source and convert it to electricity. Unlike batteries, which contain a fixed supply of energy, fuel cells do not require recharging. As long as fuel is continuously supplied to the fuel cell, electricity, water and heat will be produced.

How does a fuel cell work?

A fuel cell is comprised of two electrodes and an electrolyte membrane. The electrodes are called a cathode and an anode, and they sandwich the electrolyte membrane between them. Within that system, a series of chemical reactions occur to separate the electrons from the fuel molecules to create energy.

The fuel, typically hydrogen, is fed into the anode on one side while oxygen is fed into the cathode on the other. At the anode, the hydrogen fuel molecules are separated into protons and electrons that will travel different paths toward the cathode. The electrons go through the electrical circuit, creating the flow of electricity. The protons travel through the electrolyte to the cathode. Once at the cathode, oxygen molecules react with the electrons and with the protons to create water molecules.

A fuel cell is a clean energy source with the only byproducts being electricity (power), heat and water. A single fuel cell alone only produces a few watts of power; therefore, several fuel cells can be stacked together to create a fuel cell stack. When combined in stacks, the fuel cells' output can vary greatly, from just a few kilowatts of power to multi-megawatt installations.

What fuels can be used in fuel cells?

Fuel cells offer flexibility in the fuel type that can be used. While hydrogen is the most common fuel source for fuel cells (hence the common name, hydrogen fuel cells), hydrogen-rich fuels such as natural gas and ammonia are also viable fuel sources.

Hydrogen: When produced using renewable electricity – like solar, wind and hydropower – hydrogen is completely decarbonized and produces zero emissions. Hydrogen fuel cells (i.e. fuel cells that are fueled by hydrogen) produce power, heat and water and release no carbon dioxide or other pollutants into the air.

Natural gas: As widespread production of green hydrogen is still in progress, natural gas is currently the most-used fuel to power fuel cells. In this case the fuel cells are not completely emission-free, but they do offer significantly lower emissions than other fuels, like oil and coal.

Ammonia: Ammonia is most used in agriculture as fertilizer. However, in recent years, several companies have been working to develop green ammonia. Green ammonia is made with hydrogen that comes from water electrolysis powered by alternative energy, making it another option for a low-carbon fuel.

What types of fuel cells is Cummins investing in?

There are six types of fuel cells that are under development, each primarily classified by the kind of electrolyte they employ. Each type of fuel cell has its own advantages, limitations and potential applications. Out of the six, Cummins has recognized the potential in two types of fuel cells – proton exchange membrane fuel cells and solid oxide fuel cells - and has invested in the advancement of their technologies and their application.

Proton exchange membrane (PEM) fuel cells: Also referred to as polymer electrolyte membrane fuel cells, this type of fuel cell uses a polymer electrolyte and operates at lower temperatures of around 80 degrees Celsius. PEM fuel cells are more suitable for mobile and back-up power applications due to their high-power density and quick start-stop capabilities.

Solid oxide fuel cells (SOFCs): SOFCs use a hard, non-porous ceramic compound as their electrolyte and operate at high temperatures, as high as 1,000 degrees Celsius.  This type of fuel cell is most suitable for stationary applications because it is highly efficient and fuel flexible. In addition, waste heat may be harnessed and reused to increase the overall system efficiency.

Why invest in fuel cells?

Already leaders in PEM electrolyzers that produce green hydrogen through electrolysis, we are working on making green hydrogen more readily available for future use in fuel cells. Cummins was awarded a U.S. Department of Energy grant for the advancement of SOFCs and have seen our fuel cells successfully support the operation of battery electric vehicles.

Fuel cells may predate the beginning of Cummins, but we are wasting no time discovering how to advance their technology to create a zero-emission future.

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Cummins Office Building

Cummins Inc.

A Cummins é líder mundial em energia que projeta, fabrica, vende e comercializa motores diesel e de combustível alternativo de 2,8 a 95 litros, grupos geradores elétricos movidos a diesel e alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, bem como componentes e tecnologia relacionados. A Cummins atende a seus clientes por meio de sua rede de 600 instalações de distribuidores independentes e de propriedade da empresa e mais de 7, 200 locais de revendedores em mais de 190 países e territórios.

Estudo de caso em vídeo: Cummins HyLYZER® PEM electrolyzer em Bécancour, Quebec

O Cummins HyLYZER em Bécancour, Quebec, Canadá, é o maior eletryzer membrana de troca de prótons (PEM) em operação no mundo. Um novo estudo de caso de vídeo destaca os recursos inovadores de produção de hidrogênio verde da instalação, tornando-o um farol para um futuro com zero carbono.

Veja abaixo:

Encomendado em Janeiro e instalado nas instalações de produção de hidrogênio da Air Liquide em Quebec, este sistema de eletryzer de 20 MW apresenta tecnologia líder do setor, incluindo quatro patins de eletryzer compactos e pressurizados equipados dentro do edifício existente. Os sistemas são modulares e escaláveis, perfeitos para aplicações de serviços públicos de grande escala.

Por meio de uma rampa em fases, o sistema HyLYZER da Cummins está agora em plena operação e pode produzir até 8,2 toneladas de hidrogênio com baixo teor de carbono por dia – ou quase 3, 000 toneladas de hidrogênio por ano. É alimentado pela rede elétrica da região, que é amplamente fornecida por energia hidrelétrica renovável. Isso significa que o hidrogênio produzido na fábrica é "verde" e quase totalmente livre de carbono.

Por meio desta produção de hidrogênio verde, a instalação está impedindo aproximadamente 27, 000 toneladas de emissões CO2 por ano. Isso equivale a levar 10, 000 carros movidos a fósseis para fora da estrada.

Desde o seu comissionamento, o sistema em Bécancour aumentou a capacidade de produção de hidrogênio da Air Liquide em 50%, permitindo que eles respondessem à demanda crescente por combustível de baixo carbono no mercado norte-americano para fins industriais e de mobilidade.

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Um quarteirão da cidade construído com energia renovável abre em Esslingen, Alemanha

Cummins electrolyzers power climate-neutral urban district

Em todo o mundo estão renomados bairros urbanos-cidades dentro de cidades que capturam os corações dos viajantes com sua rica história e arquitetura. Nova Orleans tem o histórico French Quarter, Cuba tem nova Havana e agora a Esslingen, na Alemanha, tem o primeiro bairro urbano em grande parte neutro em termos climáticos com motor da Cummins eletryzers.

Este bairro urbano é considerado um projeto de "Farol", um projeto de pequena escala, mas de grande imagem que servirá como modelo-ou farol-para projetos similares no futuro. Desenvolvido por cientistas em Esslingen e Stuttgart e financiado pelo Ministério Federal da economia e da tecnologia da Alemanha e pelo Ministério Federal de educação e pesquisa, este projeto Lighthouse combina a tecnologia de hidrogênio e a energia fotovoltaica para criar um centro de energia que conecta totalmente todos os aspectos da infraestrutura com a vida cotidiana urbana.

Chamado Neue Weststadt (que se traduz em New West Town), o trimestre recém-inaugurado abrange 100, 000 metros quadrados com mais de 450 apartamentos, edifícios de escritórios e espaço comercial. Um bairro da cidade deste calibre nunca foi tentado antes e é um marco histórico para uma vida neutra em termos climáticos. Foram três anos na tomada de transformação de um antigo estaleiro de frete no futuro projeto para centros urbanos de emissões quase zero.

Para tornar possível a nova Weststadt e a neutralidade do clima, o trimestre precisava integrar a tecnologia de hidrogênio solar para uso no desenvolvimento urbano para alcançar um suprimento de energia que deve causar zero emissões que prejudicam o clima e reduzir o consumo de energia sem reduzir o conforto de vida.

Lifting the Cummins HySTAT® 100-10 into the underground energy center
Levantamento do Cummins HySTAT® 100-10 no centro de energia subterrânea | © Hidrogênio verde Esslingen GmbH

Energizando o coração de Esslingen

A energia fotovoltaica (PV) é a raiz do suprimento de energia renovável do trimestre. Os sistemas PV são compostos de um ou mais painéis solares combinados com um inversor e um hardware elétrico e mecânico adicional para aproveitar a energia do sol para gerar eletricidade. Esses painéis estão posicionados nos telhados dos edifícios em Nova Weststadt e funcionarão em conjunto com o coração do centro de energia do trimestre-os eletrízers da Cummins.

Encomendado em maio, essa instalação de nossos eletrízers foi única desde o início. O HySTAT® 100-10 é tipicamente usado para projetos de eletryzer indoor, mas para New Weststadt, nós instalamos os dois sistemas de eletryzer no porão inferior do centro de energia. Isso exigiu elementos de projeto exclusivos para zoneamento de hidrogênio, acesso ao porão e instalação da linha de respiro fora do porão para atender aos padrões de segurança. A Cummins se adaptou a esses desafios e foi capaz de instalar os sistemas de eletryzer no porão antes do fechamento do telhado do porão.

Cummins electrolyzer stack
Pilha de eletrizer da Cummins | © Maximilian Kamps, agência Blumberg GmbH

O Energy Center está localizado no meio da nova Weststadt e foi construído como uma estrutura subterrânea para atender aos requisitos de planejamento urbano. Os dois eletrízers HySTAT® 100-10 têm utilidades em patins separados (ar de instrumento, osmose reversa). Eles são integrados com o gerenciamento de calor para recuperar o excesso de calor do processo de eletrólise e com o gerenciamento elétrico para regular a produção do H2 da energia fotovoltaica.

Tomando o excedente de energia renovável dos sistemas PV e da geração supra regional, os eletrízers criarão hidrogênio verde por meio de eletrólise. O excesso de calor gerado pelo processo de eletrólise é capturado e recolocado no fornecimento de energia, enquanto o verde H2 é armazenado para uso posterior de acordo com as demandas de energia do trimestre.

Conexão de energia, calor, resfriamento e mobilidade

A conexão do trimestre com o setor de eletricidade, aquecimento, resfriamento e mobilidade é toda combinada em nível local. A infraestrutura cruzada cobre a demanda de aquecimento e água quente nos edifícios e fornece energia de resfriamento no verão por meio de sistemas de resfriamento de absorção.

A energia armazenada do processo de eletrólise pode ser convertida de forma rápida e fácil na eletricidade em usinas de calor e energia combinadas. O hidrogênio produzido também será alimentado na rede de gás natural do trimestre para contribuir para a descarbonização do setor de gás. Há também planos futuros para construir uma estação de enchimento H2 e uma estação de alimentação elétrica no local.

O fornecimento de energia vinculado é importante para o desenvolvimento urbano sustentável e de longo prazo. Este distrito climático está projetado para produzir 85 toneladas de hidrogênio por ano. Uma parte desse hidrogênio será armazenada para uso como potência para o trimestre, enquanto o restante será carregado em reboques de hidrogênio e transportado para clientes no setor de transporte industrial ou público na Alemanha.

Todos os aspectos deste bairro urbano praticamente neutro em termos de clima foram projetados para funcionar como um sistema holístico através do Energy Center e monitorado usando uma rede de informações digitais e um sistema de gestão de energia (EMS). O EMS destina-se a aumentar a autosprovisão de energias renováveis localizadas, ao mesmo tempo em que interage com a rede elétrica do trimestre de forma energeticamente eficiente e minimiza as emissões de CO2.

Um projeto para o futuro da vida neutra em termos climáticos

O primeiro dos edifícios de apartamentos foi concluído dois anos antes da inauguração oficial de Neue Weststadt, e os moradores já começaram a viver em suas novas casas, com clima neutro.

O transporte público local está sendo redesenhado para substituir os ônibus diesel existentes por ônibus híbridos elétricos, uma ampla gama de estações de carregamento públicas e semipúblicas para veículos elétricos está sendo instalada e estão sendo feitos preparativos para uma segunda expansão para construir uma estação de enchimento H2.

An aerial view shows the photovoltaics installed on the rooftops of Neue Weststadt buildings | Nw_Luftbild_Innenhof-Bela
Uma visão aérea mostra a energia fotovoltaica instalada nos telhados dos edifícios Neue Weststadt | © Maximilian Kamps, agência Blumberg GmbH

O projeto Klimaquartier Neue Weststadt desenvolveu-se em um bairro urbano verdadeiramente único e agora é um farol e um modelo para futuros bairros urbanos neutros em termos climáticos. A abertura oficial em 22 de junho foi apenas o início, e estamos empolgados para ver como uma comunidade construída com base em energias renováveis influenciará, sem dúvida, o futuro da vida neutra em termos climáticos.

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Katherine de guia

Especialista em comunicações-nova potência

5 principais motivos para o hidrogênio ter um lugar no futuro das ferrovias

Foto é cortesia de Alstrom

A Cummins Inc. é a única empresa no mundo a alimentar os trens a hidrogênio em operação comercial. Em 2016, a Cummins fez uma parceria com o cliente Alstom, um fabricante francês de equipamentos ferroviários, para projetar, fornecer e integrar a solução de célula de combustível de hidrogênio em seus trens Coradia iLint. Os trens entraram em serviço comercial em 2018 e podem transportar até 150 passageiros sentados e 150 passageiros permanentes. Eles começarão a operar ainda este ano através de 2022 na Baixa Saxónia, e há interesse de outros Estados federais alemães e outros países europeus para usar os trens para faixas não eletrificadas.

Embora muitos conceitos de propulsão alternativa ainda estejam no estágio de desenvolvimento e pesquisa, o hidrogênio para aplicação ferroviária já está aqui. Por que o hidrogênio está à frente da curva? Em homenagem a 2021 sendo nomeado o ano europeu do trilho, aqui estão cinco grandes razões pelas quais o hidrogênio tem um lugar no futuro da indústria ferroviária.

  1. Os trens movidos a hidrogênio têm emissões zero no ponto de uso. A potência requerida para os sistemas do trem é fornecida por meio de uma célula de combustível, que gera energia ao combinar o hidrogênio armazenado no teto do trem com oxigênio no ar. Não há emissões de dióxido de carbono nesse processo. Eles também são eficientes: as células de combustível são até três vezes mais eficientes que os motores de combustão interna.
  2. Trens de hidrogênio podem ser implantados em qualquer lugar e adaptados para trens e linhas existentes. A maioria das linhas em toda a Europa e os EUA, particularmente linhas e linhas rurais com pouca demanda do consumidor, ainda estão para ser convertidas para transportar trens elétricos. Os trens a hidrogênio representam uma alternativa econômica que não sacrifica eficiência ou emissões. Eles podem simplesmente funcionar com infraestrutura ferroviária existente sem o alto custo de adicionar eletrificação. As soluções de célula de combustível da Cummins são flexíveis e escalonáveis em sua configuração e podem ser personalizadas para atender às necessidades dos clientes de maneira ideal.
  3. Os trens de célula de combustível de hidrogênio têm um alcance excepcionalmente longo de até 1000 quilômetros a uma velocidade máxima de 140km/h entre reabastecimento-dez vezes mais distante do que os trens elétricos movidos a bateria. E o reabastecimento é rápido: os trens movidos a hidrogênio podem funcionar por 18 horas ou mais após menos de 20 minutos de reabastecimento.
  4. As células de combustível são rentáveis e de baixa manutenção. O custo total de propriedade da vida útil já é comparável para trens em linha com motores a diesel ou eletrificados, de acordo com um relatório da empresa de consultoria Roland Berger. Há uma vida útil longa em comparação com a eletrificação, e as reparações são frequentemente tão simples quanto trocar um componente plug-in por outro.
  5. Os trens movidos a hidrogênio são silenciosos e confortáveis. O hidrogênio fornece uma experiência de condução suave e emite baixos níveis de ruído devido ao escape ser apenas vapor e água condensada. Isso é especialmente importante nas áreas urbanas, onde a poluição sonora é um problema.

Para apoiar a contínua expansão dos sistemas de combustível de hidrogênio, a Cummins anunciou recentemente o desbravamento de uma nova instalação em Herten Germany para apoiar a produção de sistemas de células de combustível para centenas de trens a hidrogênio estarem em serviço nos próximos anos na Europa com a Alstom. Atualmente, a instalação está priorizando a montagem de sistemas de célula de combustível, enquanto trabalha ativamente em planos de expansão para oferecer suporte à renovação da pilha de combustível.

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Catherine Morgenstern - Cummins Inc.

Catherine Morgenstern

Catherine Morgenstern é uma jornalista de marca da Cummins, abrangendo temas como propulsão alternativa, digitalização, inovação de fabricação, autonomia, sustentabilidade e tendências de local de trabalho. Ela tem mais de 20 anos de experiência em comunicações corporativas, ocupando posições de liderança mais recentemente no setor de bens de capital industrial.

Catherine começou sua carreira como escritora de marketing para uma empresa de biotecnologia, onde aprendeu a levar informações complicadas e altamente técnicas e torná-las acessíveis a todos. Ela acredita que o conceito de "Storytelling" é mais do que um chavão da moda e gosta de encontrar maneiras para seus leitores fazerem conexões pessoais com seus súditos. Catherine tem uma paixão por tecnologia e inovação e como sua interseção pode fazer um impacto em todas as nossas vidas.

Catherine voltou recentemente para sua cidade natal no vale do Hudson, Nova York, depois de várias décadas em Los Angeles e Chicago. Ela é um graduado da UCLA e gosta de jardinagem e passar o tempo com seu marido e três filhos.

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