Sobre a próxima geração de energia de hidrogênio

Apresentaremos o "hidrogênio", a próxima geração de energia neutra em carbono. O hidrogênio é dividido em três tipos: "hidrogênio verde", "hidrogênio azul" e "hidrogênio cinza", cada um com um método de produção diferente. Também explicaremos cada método de fabricação, suas propriedades físicas como elementos, métodos de armazenamento/transporte e métodos de uso. E também apresentarei por que ele é a fonte de energia dominante da próxima geração.

Eletrólise da água para produzir hidrogênio verde

Ao usar hidrogênio, é importante "produzir hidrogênio" de qualquer maneira. A maneira mais fácil é "eletrolisar água". Talvez você tenha feito isso na aula de ciências do ensino fundamental. Encha o béquer com água e os eletrodos na água. Quando uma bateria é conectada aos eletrodos e energizada, as seguintes reações ocorrem na água e em cada eletrodo.
No cátodo, H+ e elétrons se combinam para produzir hidrogênio gasoso, enquanto o ânodo produz oxigênio. Ainda assim, essa abordagem é adequada para experimentos científicos escolares, mas para produzir hidrogênio industrialmente, mecanismos eficientes e adequados para produção em larga escala devem ser preparados. Isso é "eletrólise por membrana eletrolítica polimérica (PEM)".
Neste método, uma membrana polimérica semipermeável, que permite a passagem de íons de hidrogênio, é intercalada entre um ânodo e um cátodo. Quando água é despejada no ânodo do dispositivo, os íons de hidrogênio produzidos pela eletrólise se movem através de uma membrana semipermeável até o cátodo, onde se transformam em hidrogênio molecular. Por outro lado, os íons de oxigênio não conseguem atravessar a membrana semipermeável e se transformam em moléculas de oxigênio no ânodo.
Também na eletrólise da água alcalina, hidrogênio e oxigênio são criados separando o ânodo e o cátodo por meio de um separador, através do qual apenas íons hidróxido podem passar. Além disso, existem métodos industriais, como a eletrólise a vapor de alta temperatura.
Ao realizar esses processos em larga escala, grandes quantidades de hidrogênio podem ser obtidas. No processo, uma quantidade significativa de oxigênio também é produzida (metade do volume de hidrogênio produzido), de modo que não haveria impacto ambiental adverso se liberado na atmosfera. No entanto, a eletrólise requer muita eletricidade, portanto, o hidrogênio livre de carbono pode ser produzido com eletricidade que não utilize combustíveis fósseis, como turbinas eólicas e painéis solares.
Você pode obter “hidrogênio verde” eletrolisando água usando energia limpa.

Há também um gerador de hidrogênio para a produção em larga escala desse hidrogênio verde. O uso de PEM na seção do eletrolisador permite a produção contínua de hidrogênio.

Hidrogênio Azul Feito de Combustíveis Fósseis

Então, quais são as outras maneiras de produzir hidrogênio? O hidrogênio existe em combustíveis fósseis, como gás natural e carvão, como outras substâncias além da água. Por exemplo, considere o metano (CH4), o principal componente do gás natural. Há quatro átomos de hidrogênio aqui. Você pode obter hidrogênio removendo esse hidrogênio.
Um deles é um processo chamado "reforma de metano a vapor", que utiliza vapor. A fórmula química desse método é a seguinte:
Como você pode ver, monóxido de carbono e hidrogênio podem ser extraídos de uma única molécula de metano.
Dessa forma, o hidrogênio pode ser produzido por meio de processos como "reforma a vapor" e "pirólise" de gás natural e carvão. "Hidrogênio azul" refere-se ao hidrogênio produzido dessa maneira.
Neste caso, porém, monóxido de carbono e dióxido de carbono são produzidos como subprodutos. Portanto, é necessário reciclá-los antes de serem liberados na atmosfera. O subproduto dióxido de carbono, se não for recuperado, transforma-se em gás hidrogênio, conhecido como "hidrogênio cinza".

Que tipo de elemento é o hidrogênio?

O hidrogênio tem número atômico 1 e é o primeiro elemento da tabela periódica.
O número de átomos é o maior do universo, representando cerca de 90% de todos os elementos do universo. O menor átomo, composto por um próton e um elétron, é o átomo de hidrogênio.
O hidrogênio possui dois isótopos com nêutrons ligados ao núcleo. Um, o "deutério", ligado por nêutrons, e dois, o "trítio", também ligados por nêutrons. Estes também são materiais para geração de energia por fusão.
Dentro de uma estrela como o Sol, ocorre a fusão nuclear de hidrogênio em hélio, que é a fonte de energia para a estrela brilhar.
No entanto, o hidrogênio raramente existe como gás na Terra. O hidrogênio forma compostos com outros elementos, como água, metano, amônia e etanol. Como o hidrogênio é um elemento leve, à medida que a temperatura aumenta, a velocidade de movimento das moléculas de hidrogênio aumenta e elas escapam da gravidade da Terra para o espaço sideral.

Como Utilizar o Hidrogênio? Uso por Combustão

Então, como o "hidrogênio", que atraiu a atenção mundial como uma fonte de energia de última geração, é utilizado? Ele é usado de duas maneiras principais: "combustão" e "célula de combustível". Vamos começar com o uso de "queima".
Existem dois tipos principais de combustão utilizados.
O primeiro é como combustível de foguete. O foguete japonês H-IIA utiliza gás hidrogênio, "hidrogênio líquido", e "oxigênio líquido", também em estado criogênico, como combustível. Esses dois são combinados, e a energia térmica gerada nesse momento acelera a injeção das moléculas de água geradas, que voam para o espaço. No entanto, por ser um motor tecnicamente complexo, com exceção do Japão, apenas Estados Unidos, Europa, Rússia, China e Índia combinaram com sucesso esse combustível.
A segunda é a geração de energia. A geração de energia por turbinas a gás também utiliza o método de combinação de hidrogênio e oxigênio para gerar energia. Em outras palavras, é um método que analisa a energia térmica produzida pelo hidrogênio. Em usinas termelétricas, o calor da queima de carvão, petróleo e gás natural produz vapor que aciona as turbinas. Se o hidrogênio for usado como fonte de calor, a usina será neutra em carbono.

Como Usar o Hidrogênio? Usado como Célula de Combustível

Outra forma de usar o hidrogênio é como célula de combustível, convertendo hidrogênio diretamente em eletricidade. Em particular, a Toyota chamou a atenção no Japão ao promover veículos movidos a hidrogênio em vez de veículos elétricos (VEs) como alternativa aos veículos a gasolina, como parte de suas medidas de combate ao aquecimento global.
Especificamente, estamos fazendo o procedimento inverso ao introduzir o método de fabricação do "hidrogênio verde". A fórmula química é a seguinte.
O hidrogênio pode gerar água (água quente ou vapor) enquanto gera eletricidade, e pode ser avaliado por não causar impacto ambiental. Por outro lado, esse método tem uma eficiência de geração de energia relativamente baixa, de 30 a 40%, e requer platina como catalisador, o que aumenta os custos.
Atualmente, utilizamos células de combustível de eletrólito polimérico (PEFC) e células de combustível de ácido fosfórico (PAFC). Em particular, os veículos com células de combustível utilizam PEFC, portanto, espera-se que essa tecnologia se dissemine no futuro.

O armazenamento e o transporte de hidrogênio são seguros?

A esta altura, achamos que você já entendeu como o gás hidrogênio é produzido e utilizado. Então, como armazenar esse hidrogênio? Como levá-lo para onde você precisa? E quanto à segurança nesse momento? Nós explicaremos.
Na verdade, o hidrogênio também é um elemento muito perigoso. No início do século XX, o hidrogênio era usado como gás para fazer balões, balões e dirigíveis flutuarem no céu, pois era muito leve. No entanto, em 6 de maio de 1937, em Nova Jersey, EUA, ocorreu a "explosão do dirigível Hindenburg".
Desde o acidente, é amplamente reconhecido que o gás hidrogênio é perigoso. Principalmente quando em chamas, ele explode violentamente com o oxigênio. Portanto, "manter longe do oxigênio" ou "manter longe do calor" é essencial.
Depois de tomar essas medidas, criamos um método de envio.
O hidrogênio é um gás à temperatura ambiente, portanto, mesmo sendo um gás, é muito volumoso. O primeiro método é aplicar alta pressão e comprimir como um cilindro ao preparar bebidas carbonatadas. Prepare um tanque especial de alta pressão e armazene-o sob condições de alta pressão, como 45 MPa.
A Toyota, que desenvolve veículos movidos a células de combustível (FCV), está desenvolvendo um tanque de hidrogênio de alta pressão de resina que pode suportar uma pressão de 70 MPa.
Outro método consiste em resfriar o hidrogênio líquido a -253 °C para produzi-lo, armazená-lo e transportá-lo em tanques especiais com isolamento térmico. Assim como o GNL (gás natural liquefeito), quando o gás natural é importado do exterior, o hidrogênio é liquefeito durante o transporte, reduzindo seu volume para 1/800 do seu estado gasoso. Em 2020, concluímos o primeiro transportador de hidrogênio líquido do mundo. No entanto, essa abordagem não é adequada para veículos com células de combustível, pois requer muita energia para resfriá-lo.
Existe um método de armazenamento e transporte em tanques como este, mas também estamos desenvolvendo outros métodos de armazenamento de hidrogênio.
O método de armazenamento consiste em usar ligas de armazenamento de hidrogênio. O hidrogênio tem a propriedade de penetrar metais e deteriorá-los. Esta é uma dica de desenvolvimento desenvolvida nos Estados Unidos na década de 1960. JJ Reilly et al. Experimentos demonstraram que o hidrogênio pode ser armazenado e liberado usando uma liga de magnésio e vanádio.
Depois disso, ele desenvolveu com sucesso uma substância, como o paládio, que pode absorver hidrogênio 935 vezes seu próprio volume.
A vantagem de usar esta liga é que ela pode prevenir acidentes com vazamento de hidrogênio (principalmente explosões). Portanto, ela pode ser armazenada e transportada com segurança. No entanto, se você não tomar cuidado e deixá-la no ambiente errado, as ligas de armazenamento de hidrogênio podem liberar gás hidrogênio com o tempo. Bem, mesmo uma pequena faísca pode causar um acidente com explosão, então tome cuidado.
Também tem a desvantagem de que a absorção e dessorção repetidas de hidrogênio levam à fragilização e reduzem a taxa de absorção de hidrogênio.
A outra opção é usar tubulações. Há uma condição: elas devem ser livres de compressão e de baixa pressão para evitar a fragilização das tubulações, mas a vantagem é que as tubulações de gás existentes podem ser usadas. A Tokyo Gas realizou obras de construção no Harumi FLAG, utilizando gasodutos urbanos para fornecer hidrogênio às células de combustível.

Sociedade do Futuro Criada pela Energia do Hidrogênio

Por fim, vamos considerar o papel que o hidrogênio pode desempenhar na sociedade.
Mais importante ainda, queremos promover uma sociedade livre de carbono. Usamos hidrogênio para gerar eletricidade em vez de energia térmica.
Em vez de grandes usinas termelétricas, algumas residências adotaram sistemas como o ENE-FARM, que utiliza hidrogênio obtido pela reforma do gás natural para gerar a eletricidade necessária. No entanto, a questão sobre o que fazer com os subprodutos do processo de reforma permanece.

No futuro, se a circulação do próprio hidrogênio aumentar, como o aumento do número de postos de abastecimento de hidrogênio, será possível usar eletricidade sem emitir dióxido de carbono. A eletricidade produz hidrogênio verde, é claro, portanto, utiliza eletricidade gerada pela luz solar ou pelo vento. A energia usada para eletrólise deve ser a energia necessária para suprimir a quantidade de geração de energia ou para carregar a bateria recarregável quando houver excedente de energia natural. Em outras palavras, o hidrogênio está na mesma posição que a bateria recarregável. Se isso acontecer, eventualmente será possível reduzir a geração de energia térmica. O dia em que os motores de combustão interna desaparecerão dos carros está se aproximando rapidamente.

O hidrogênio também pode ser obtido por outra via. Na verdade, o hidrogênio ainda é um subproduto da produção de soda cáustica. Entre outras coisas, é um subproduto da produção de coque na siderurgia. Se você colocar esse hidrogênio na distribuição, poderá obter múltiplas fontes. O gás hidrogênio produzido dessa forma também é fornecido por estações de hidrogênio.

Vamos olhar mais para o futuro. A quantidade de energia perdida também é um problema com o método de transmissão que utiliza fios para fornecer energia. Portanto, no futuro, usaremos o hidrogênio fornecido por dutos, assim como os tanques de ácido carbônico usados ​​na fabricação de bebidas carbonatadas, e compraremos um tanque de hidrogênio em casa para gerar eletricidade para cada residência. Dispositivos móveis que funcionam com baterias de hidrogênio estão se tornando comuns. Será interessante ver um futuro assim.