Apresentaremos o “hidrogénio”, 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, propriedades físicas como elementos, métodos de armazenamento/transporte e métodos de uso. E também apresentarei porque é a fonte de energia dominante na próxima geração.
Eletrólise da água para produzir hidrogênio verde
Ao usar hidrogénio, é importante “produzir hidrogénio” de qualquer maneira. A maneira mais fácil é “eletrolisar a água”. Talvez você tenha feito ciências na escola primária. Encha o copo com água e os eletrodos em 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 gás hidrogênio, enquanto o ânodo produz oxigênio. Ainda assim, esta abordagem é adequada para experiências científicas escolares, mas para produzir hidrogénio industrialmente, devem ser preparados mecanismos eficientes adequados para a produção em grande escala. Isso é “eletrólise de membrana eletrolítica de polímero (PEM)”.
Neste método, uma membrana polimérica semipermeável que permite a passagem de íons hidrogênio é imprensada entre um ânodo e um cátodo. Quando a 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 tornam hidrogênio molecular. Por outro lado, os íons de oxigênio não conseguem passar através da membrana semipermeável e se tornar moléculas de oxigênio no ânodo.
Também na eletrólise da água alcalina, você cria hidrogênio e oxigênio separando o ânodo e o cátodo através 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 estes processos em larga escala, podem ser obtidas grandes quantidades de hidrogénio. No processo, também é produzida uma quantidade significativa de oxigênio (metade do volume de hidrogênio produzido), de modo que não teria impacto ambiental adverso se fosse liberado na atmosfera. No entanto, a eletrólise requer muita eletricidade, pelo que o hidrogénio sem carbono pode ser produzido se for produzido com eletricidade que não utiliza combustíveis fósseis, como turbinas eólicas e painéis solares.
Você pode obter “hidrogênio verde” eletrolisando a água usando energia limpa.
Existe também um gerador de hidrogénio para a produção em larga escala deste hidrogénio verde. Ao usar PEM na seção do eletrolisador, o hidrogênio pode ser produzido continuamente.
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. Existem quatro átomos de hidrogênio aqui. Você pode obter hidrogênio retirando esse hidrogênio.
Um deles é um processo denominado “reforma a vapor do metano”, que utiliza vapor. A fórmula química deste método é a seguinte.
Como você pode ver, o monóxido de carbono e o hidrogênio podem ser extraídos de uma única molécula de metano.
Desta forma, o hidrogénio pode ser produzido através de processos como a “reforma a vapor” e a “pirólise” do gás natural e do carvão. “Hidrogénio azul” refere-se ao hidrogénio produzido desta forma.
Neste caso, contudo, o monóxido de carbono e o dióxido de carbono são produzidos como subprodutos. Portanto, você deve 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 que consiste em um próton e um elétron é o átomo de hidrogênio.
O hidrogênio tem dois isótopos com nêutrons ligados ao núcleo. Um “deutério” com ligação de nêutrons e dois “trítio” com ligação de nêutrons. Estes também são materiais para geração de energia de fusão.
Dentro de uma estrela como o Sol, está ocorrendo a fusão nuclear do 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 escapa da gravidade da Terra para o espaço sideral.
Como usar o hidrogênio? Uso por Combustão
Então, como é utilizado o “hidrogénio”, que tem atraído a atenção mundial como fonte de energia da próxima geração? É utilizado de duas formas principais: “combustão” e “célula de combustível”. Vamos começar com o uso de “burn”.
Existem dois tipos principais de combustão utilizados.
O primeiro é como combustível de foguete. O foguete H-IIA do Japão usa gás hidrogênio “hidrogênio líquido” e “oxigênio líquido”, que também está em estado criogênico como combustível. Esses dois se combinam, e a energia térmica gerada naquele momento acelera a injeção das moléculas de água geradas, voando para o espaço. Porém, por se tratar de um motor tecnicamente difícil, com exceção do Japão, apenas os Estados Unidos, Europa, Rússia, China e Índia combinaram com sucesso este combustível.
A segunda é a geração de energia. A geração de energia por turbina a gás também usa 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. Nas usinas termelétricas, o calor da queima de carvão, petróleo e gás natural produz vapor que aciona 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, que converte o hidrogênio diretamente em eletricidade. Em particular, a Toyota chamou a atenção no Japão ao promover veículos movidos a hidrogénio em vez de veículos eléctricos (EVs) como uma alternativa aos veículos a gasolina como parte das suas medidas contra o aquecimento global.
Especificamente, estamos fazendo o procedimento inverso quando introduzimos o método de fabricação do “hidrogênio verde”. A fórmula química é a seguinte.
O hidrogênio pode gerar água (água quente ou vapor) ao mesmo tempo em que gera eletricidade, e pode ser avaliado porque não onera o meio ambiente. Por outro lado, este método tem uma eficiência de geração de energia relativamente baixa, de 30-40%, e requer platina como catalisador, exigindo assim custos aumentados.
Atualmente, estamos usando células a combustível de eletrólito polimérico (PEFC) e células a combustível de ácido fosfórico (PAFC). Em particular, os veículos com células de combustível utilizam PEFC, pelo que se espera que este se espalhe no futuro.
O armazenamento e transporte de hidrogênio são seguros?
A esta altura, achamos que você já entende como o gás hidrogênio é produzido e usado. Então, como você armazena esse hidrogênio? Como você consegue isso onde precisa? E a segurança naquele momento? Nós vamos explicar.
Na verdade, o hidrogénio também é um elemento muito perigoso. No início do século 20, usávamos o hidrogênio como gás para fazer balões, balões e dirigíveis flutuarem no céu porque era muito leve. Porém, em 6 de maio de 1937, em Nova Jersey, EUA, ocorreu a “explosão do dirigível Hindenburg”.
Desde o acidente, tem sido amplamente reconhecido que o gás hidrogénio é perigoso. Especialmente quando pega fogo, explode violentamente com 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, embora ainda seja 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 em condições de alta pressão, como 45Mpa.
A Toyota, que desenvolve veículos com célula de combustível (FCV), está desenvolvendo um tanque de resina de hidrogênio de alta pressão que pode suportar uma pressão de 70 MPa.
Outro método é resfriar até -253°C para produzir hidrogênio líquido e armazená-lo e transportá-lo em tanques especiais com isolamento térmico. Tal como o GNL (gás natural liquefeito), quando o gás natural é importado do exterior, o hidrogénio é liquefeito durante o transporte, reduzindo o seu volume para 1/800 do seu estado gasoso. Em 2020, concluímos o primeiro transportador de hidrogénio líquido do mundo. No entanto, esta abordagem não é adequada para veículos com células de combustível porque requer muita energia para arrefecer.
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 nos metais e deteriorá-los. Esta é uma dica de desenvolvimento que foi desenvolvida nos Estados Unidos na década de 1960. JJ Reilly et al. Experimentos mostraram 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 o seu próprio volume.
A vantagem de usar esta liga é que ela pode prevenir acidentes com vazamento de hidrogênio (principalmente acidentes com explosão). Portanto, pode ser armazenado e transportado com segurança. No entanto, se você não tomar cuidado e deixá-lo 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 de explosão, por isso 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 é usar tubos. Existe a condição de que não seja comprimido e de baixa pressão para evitar a fragilização dos tubos, mas a vantagem é que podem ser utilizados tubos de gás existentes. A Tokyo Gas realizou trabalhos de construção no Harumi FLAG, utilizando gasodutos urbanos para fornecer hidrogénio às células de combustível.
Sociedade Futura Criada pela Energia do Hidrogênio
Finalmente, consideremos o papel que o hidrogénio pode desempenhar na sociedade.
Mais importante ainda, queremos promover uma sociedade livre de carbono, usamos hidrogénio para gerar electricidade em vez de energia térmica.
Em vez de grandes centrais térmicas, alguns agregados familiares introduziram sistemas como o ENE-FARM, que utiliza hidrogénio obtido através da reforma do gás natural para gerar a electricidade necessária. Contudo, permanece a questão sobre o que fazer com os subprodutos do processo de reforma.
No futuro, se a própria circulação do hidrogénio aumentar, como aumentar o número de postos de abastecimento de hidrogénio, será possível utilizar electricidade sem emitir dióxido de carbono. A eletricidade produz hidrogénio verde, é claro, por isso utiliza eletricidade gerada a partir da luz solar ou do vento. A potência utilizada para eletrólise deve ser a potência para suprimir a quantidade de geração de energia ou para carregar a bateria recarregável quando houver energia excedente proveniente da 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 o motor de combustão interna desaparecerá dos carros está se aproximando rapidamente.
O hidrogênio também pode ser obtido por outra rota. Na verdade, o hidrogénio 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 hidrogénio produzido desta forma também é fornecido por estações de hidrogénio.
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, utilizaremos o hidrogénio fornecido pelos gasodutos, tal como os tanques de ácido carbónico utilizados no fabrico de bebidas carbonatadas, e compraremos um tanque de hidrogénio em casa para gerar electricidade para todos os lares. Os dispositivos móveis que funcionam com baterias de hidrogénio estão a tornar-se comuns. Será interessante ver esse futuro.
Horário da postagem: 08/06/2023
