Navegar no hidrogênio com o movimento hídrico

Setting sail on hydrogen with Hydro Motion

A team of 20 ambitious students of various disciplinary backgrounds came together to form the TU Delft Solar Team 2021 and enter uncharted waters with Hydro Motion, a boat that not only sails, but flies on hydrogen. After 15 years of building boats successfully powered by sunlight, the 2021 team decided it was time to swap solar panels for a fuel cell to take the next step towards a more sustainable maritime industry.

The Netherlands-based team has spent the last nine months taking its new flying boat from concept to reality. With a focus on building a well-functioning hydrogen boat, they decided to refit the 2019 flying solar boat and use its three award-winning hulls and seaworthy trimaran. The solar panels were removed, and a hydrogen system was installed.

A TU Delft Solar Team member working to  install the Cummins HyPM-HD30 fuel cell
A TU Delft Solar Team member working to install the Cummins HyPM-HD30 fuel cell

The boat is powered by the Cummins HyPM-HD30 fuel cell and will convert 99.9% pure hydrogen into electricity to power the boat's driveline, electronics and other devices. The hydrogen is stored in a gaseous state in the hydrogen system tank, which has a 350-liter capacity and can store more than 8 kg of hydrogen gas, exceeding 265 kWH energy.

The fuel cell generates electricity through a chemical reaction of hydrogen and oxygen. To power the boat, the hydrogen gas from the storage tank will pass through the fuel cell stack and mix with atmospheric oxygen. In each cell of the fuel cell stack, the hydrogen splits off two electrons which cannot pass the proton exchange membrane that separates the hydrogen from the atmospheric oxygen. The hydrogen protons pass through the membrane to join with oxygen to form water vapor, and the two electrons travel around the membrane through a wire as electricity. That electricity will be used to power the boat's motor.

Hydrogen is an advantageous alternative power source for the boat because it produces no carbon dioxide, has an energy density greater than lithium ion batteries and is lighter weight than batteries. However, the boat's large size makes it more challenging to maneuver on Mediterranean waters and while it can sail smoothly on hydrogen, it will need an extra boost to reach the right take-off speed to fly.

That extra boost is a small battery pack optimized for power density. Combined, the battery pack and the HyPM-HD30 power a 70-hp, three phase electric brushless motor, similar to a Toyota Yaris car. The combination of power sources ensures there is enough power to take off. Once the hulls of the boat are out of the water and the boat is only flying on its hydrofoils, the 30-kW fuel cell is again sufficient to power the boat. The take-off takes place at 13.6 mph. At this point, the hulls are lifted out of the water and fly 40 cm above the surface with a speed of more than 20 mph.

The team revealed its boat to the public via livestream on May 10 at the Maritime Museum Rotterdam. Two weeks later, the team put the boat in open water at the Port of Rotterdam for the first time to conduct its first wet-test. Test 1 results showed the boat is watertight, sails stably on batteries and has a sailing speed of 20 km/h with 2000 rpm on the propeller. The students will continue testing and improving the boat over the next few weeks to increase speed, sail using the hydrogen system, and check for safety, efficiency and endurance. 

Once testing is complete, three team members will captain the boat in the Monaco Solar & Energy Boat Challenge. This international challenge invites students and professionals from across the world to compete in three classes: Energy, Solar and Open Sea Class. The TU Delft Solar Team will sail the open ocean and compete in the Open Sea Class.

Two TU Delft Solar Team members with Dutch politician, Jan Terlouw, at the christening of Hydro Motion
Two TU Delft Solar Team members with Dutch politician, Jan Terlouw, at the christening of Hydro Motion

Powered by hydrogen, using a Cummins fuel cell and the minds of 20 dedicated students, the first flying hydrogen boat is propelling the world another league further towards a zero-carbon future and a more sustainable maritime industry. As the TU Delft Solar Boat Team continues to work on Hydro Motion to get it competition ready, we look forward to the day they fly over the finish line on green energy.

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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.

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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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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