Sobre a próxima geração de energia: hidrogênio

Vamos apresentar o hidrogênio, a próxima geração de energia neutra em carbono. O hidrogênio se divide em três tipos: hidrogênio verde, hidrogênio azul e hidrogênio cinza, cada um com um método de produção diferente. Explicaremos cada método de fabricação, suas propriedades físicas como elemento, métodos de armazenamento e transporte, e métodos de uso. Também explicarei por que ele é a fonte de energia dominante da próxima geração.

Eletrólise da água para produzir hidrogênio verde

Ao usar hidrogênio, é importante "produzi-lo" de qualquer maneira. A forma mais fácil é "eletrolisar a água". Talvez você tenha feito isso nas aulas de ciências do ensino fundamental. Encha o béquer com água e mergulhe 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, os íons H+ e os elétrons se combinam para produzir gás hidrogênio, enquanto o ânodo produz oxigênio. Essa abordagem é adequada para experimentos científicos escolares, mas para a produção industrial de hidrogênio, é necessário desenvolver mecanismos eficientes e adequados para produção em larga escala. Trata-se da eletrólise com membrana de eletrólito polimérico (PEM).
Nesse método, uma membrana polimérica semipermeável que permite a passagem de íons de hidrogênio é intercalada entre um ânodo e um cátodo. Quando a água é despejada no ânodo do dispositivo, os íons de hidrogênio produzidos pela eletrólise atravessam a membrana semipermeável e chegam ao 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.
Na eletrólise alcalina da água, também se criam hidrogênio e oxigênio separando o ânodo do cátodo por meio de um separador que permite a passagem apenas de íons hidróxido. Além disso, existem métodos industriais, como a eletrólise de vapor em alta temperatura.
Ao realizar esses processos em larga escala, é possível obter grandes quantidades de hidrogênio. No processo, também é produzida uma quantidade significativa de oxigênio (metade do volume de hidrogênio produzido), de modo que sua liberação na atmosfera não teria impacto ambiental adverso. No entanto, a eletrólise requer muita eletricidade, portanto, o hidrogênio livre de carbono pode ser produzido se a eletricidade gerada não utilizar combustíveis fósseis, como turbinas eólicas e painéis solares.
É possível obter "hidrogênio verde" por meio da eletrólise da água utilizando energia limpa.

Existe também um gerador de hidrogênio para a produção em larga escala desse hidrogênio verde. Utilizando PEM na seção do eletrolisador, o hidrogênio pode ser produzido continuamente.

Hidrogênio azul produzido a partir de combustíveis fósseis

Então, quais são outras maneiras de produzir hidrogênio? O hidrogênio existe em combustíveis fósseis, como gás natural e carvão, como substâncias diferentes da água. Por exemplo, considere o metano (CH4), o principal componente do gás natural. Há quatro átomos de hidrogênio aqui. Você pode obter hidrogênio extraindo esse hidrogênio.
Um desses processos é chamado de "reforma do metano a vapor", que utiliza vapor. A fórmula química desse método é a seguinte:
Como você pode ver, o monóxido de carbono e o hidrogênio podem ser extraídos de uma única molécula de metano.
Dessa forma, o hidrogênio pode ser produzido por meio de processos como a “reforma a vapor” e a “pirólise” do gás natural e do carvão. O termo “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 que sejam liberados na atmosfera. O dióxido de carbono, se não for recuperado, se transforma 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 existentes. 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 isótopo com nêutrons ligados, o deutério, e outro com dois nêutrons ligados, o trítio. Esses isótopos também são utilizados na geração de energia por fusão nuclear.
Dentro de uma estrela como o Sol, ocorre a fusão nuclear do hidrogênio em hélio, que é a fonte de energia que permite o brilho da estrela.
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 também aumenta, fazendo com que escapem da gravidade da Terra para o espaço sideral.

Como usar o hidrogênio? Uso por combustão.

Então, como é utilizado o “hidrogênio”, que tem atraído a atenção mundial como uma fonte de energia de próxima geração? Ele é utilizado principalmente de duas maneiras: “combustão” e “célula de combustível”. Vamos começar com o uso da “combustão”.
Existem dois tipos principais de combustão utilizados.
A primeira é como combustível de foguete. O foguete japonês H-IIA utiliza hidrogênio gasoso ("hidrogênio líquido") e "oxigênio líquido", ambos em estado criogênico, como combustível. Esses dois gases são combinados, e a energia térmica gerada nesse processo acelera a injeção das moléculas de água, impulsionando-as para o espaço. No entanto, devido à complexidade técnica do motor, além do Japão, apenas os Estados Unidos, a Europa, a Rússia, a China e a Índia conseguiram combinar esse combustível com sucesso.
A segunda é a geração de energia. A geração de energia por turbina a gás também utiliza o método de combinação de hidrogênio e oxigênio para gerar energia. Em outras palavras, é um método que considera 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? Utilizado como célula de combustível.

Outra forma de utilizar o hidrogênio é como célula de combustível, que o converte 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 realizando o procedimento inverso ao introduzir o método de fabricação de “hidrogênio verde”. A fórmula química é a seguinte.
O hidrogênio pode gerar água (água quente ou vapor) e eletricidade ao mesmo tempo, sendo uma opção viável por não causar danos ao meio ambiente. Por outro lado, esse método apresenta 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 a combustível de eletrólito polimérico (PEFC) e células a combustível de ácido fosfórico (PAFC). Em particular, os veículos movidos a células a combustível utilizam PEFC, portanto, espera-se que seu uso se difunda no futuro.

O armazenamento e o transporte de hidrogênio são seguros?

A esta altura, acreditamos que você já entende como o gás hidrogênio é produzido e utilizado. Então, como esse hidrogênio é armazenado? Como ele é transportado para onde é necessário? E quanto à segurança nesse momento? Explicaremos tudo.
Na verdade, o hidrogênio também é um elemento muito perigoso. No início do século XX, usávamos hidrogênio como gás para fazer balões, dirigíveis e outros veículos aéreos 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, tornou-se amplamente reconhecido que o gás hidrogênio é perigoso. Especialmente quando entra em combustão, explode violentamente em contato com o oxigênio. Portanto, é essencial manter-se afastado do oxigênio ou do calor.
Após tomarmos essas medidas, elaboramos um método de envio.
O hidrogênio é um gás à temperatura ambiente, portanto, mesmo sendo um gás, é muito volumoso. O primeiro método consiste em aplicar alta pressão e comprimi-lo como um cilindro, como acontece na fabricação de bebidas carbonatadas. Para isso, é necessário preparar um tanque especial de alta pressão e armazená-lo sob condições de alta pressão, como 45 MPa.
A Toyota, que desenvolve veículos com células de combustível (FCV), está desenvolvendo um tanque de hidrogênio de resina de alta pressão capaz de suportar uma pressão de 70 MPa.
Outro método consiste em resfriá-lo a -253 °C para produzir hidrogênio líquido, que será armazenado e transportado em tanques especiais com isolamento térmico. Assim como o GNL (gás natural liquefeito) quando o gás natural é importado, 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 exige muita energia para o resfriamento.
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 utilizar ligas de armazenamento de hidrogênio. O hidrogênio tem a propriedade de penetrar nos metais e deteriorá-los. Esta é uma técnica desenvolvida nos Estados Unidos na década de 1960. Experimentos realizados por J.J. Reilly e colaboradores demonstraram que o hidrogênio pode ser armazenado e liberado utilizando uma liga de magnésio e vanádio.
Depois disso, ele desenvolveu com sucesso uma substância, como o paládio, que pode absorver hidrogênio em um volume 935 vezes maior que o seu próprio.
A vantagem de usar essa 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 não houver cuidado e ela for deixada em um ambiente inadequado, as ligas para armazenamento de hidrogênio podem liberar gás hidrogênio com o tempo. Mesmo uma pequena faísca pode causar uma explosão, então tenha cuidado.
Apresenta também a desvantagem de que a absorção e dessorção repetidas de hidrogênio levam ao seu fragilização e reduzem a taxa de absorção de hidrogênio.
Outra opção é usar tubulações. Existe uma condição: elas devem ser não comprimidas e de baixa pressão para evitar a fragilização dos tubos, mas a vantagem é que as tubulações de gás existentes podem ser reaproveitadas. A Tokyo Gas realizou obras de construção no projeto Harumi FLAG, utilizando gasodutos da cidade 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, permanece a questão do que fazer com os subprodutos do processo de reforma.

No futuro, se a circulação do próprio hidrogênio aumentar, por exemplo, com o aumento do número de postos de abastecimento, será possível usar eletricidade sem emitir dióxido de carbono. A eletricidade usada para produzir hidrogênio verde, claro, é a energia gerada pela luz solar ou pelo vento. A energia usada para a eletrólise seria a energia para suprimir a geração de energia ou para carregar a bateria recarregável quando houver excedente de energia proveniente de fontes naturais. Em outras palavras, o hidrogênio estaria na mesma posição que a bateria recarregável. Se isso acontecer, será possível reduzir a geração de energia térmica. O dia em que o motor de combustão interna desaparecerá dos carros está se aproximando rapidamente.

O hidrogênio também pode ser obtido por outra via. Na verdade, ele ainda é um subproduto da produção de soda cáustica. Entre outras coisas, é um subproduto da produção de coque na siderurgia. Se esse hidrogênio for distribuído, será possível obter múltiplas fontes. O gás hidrogênio produzido dessa forma também é fornecido por postos de abastecimento 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 gasodutos, assim como os cilindros de ácido carbônico usados ​​na fabricação de refrigerantes, e compraremos um cilindro de hidrogênio para gerar eletricidade para cada residência. Dispositivos móveis movidos a baterias de hidrogênio estão se tornando comuns. Será interessante observar esse futuro.