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Hidrogênio

Hidrogênio

É o combustível das estrelas. Além disso, é um combustível com alta densidade energética, que pode não produzir emissões e nos ajudar a vencer o desafio energético do nosso planeta. Só há um problema: produzi-lo não é tão simples. Porém, o desenvolvimento de tecnologias para obtê-lo de forma limpa, com a ajuda de fontes renováveis, abre um novo futuro.

O que é?

A energia do universo

Entre os vários elementos que compõem a matéria, o hidrogênio é o mais leve e abundante. Constitui quase 90% da massa visível do universo, principalmente em sua forma gasosa, formada por uma simples molécula de dois átomos (H2) que, em uma atmosfera rica em oxigênio como a terrestre, queima de forma semelhante ao metano. Entre os combustíveis convencionais, é o que possui o maior conteúdo de energia por unidade de peso, três vezes superior ao da gasolina.

O hidrogênio também é o propulsor que alimenta as reações de fusão nuclear com as quais as estrelas queimam. É este elemento extraordinário, portanto, que dá origem à energia renovável que a Terra recebe do Sol todos os dias. Além disso, usado em células a combustível, combina-se com o oxigênio para produzir energia elétrica e água. Por todas estas características, o hidrogênio é a nossa esperança de obter, de forma sustentável e sem poluir, a energia necessária para o aquecimento, os eletrodomésticos e a indústria. Em particular, pode ter um papel decisivo para a descarbonização das indústrias com alta intensidade energética, como a siderúrgica ou a química.

O hidrogênio verde

Somente verde tem impacto zero

Há um problema, porém. Apesar de ser muito abundante no universo, o hidrogênio não está disponível sozinho na natureza. Só pode ser encontrado ligado a outros elementos, como na água (molécula de hidrogênio e oxigênio) ou nos hidrocarbonetos (cadeias de hidrogênio e oxigênio). Para separá-lo dos demais elementos com os quais se encontra ligado na Terra, é necessário “extraí-lo” fornecendo energia para o processo de separação, com custos econômicos e muitas vezes ambientais.

Considerando que não se encontra separado na natureza e que para a sua produção é necessário utilizar outro tipo de energia, o hidrogênio é considerado um vetor energético, e não uma fonte de energia, como a solar ou a eólica.

Apenas o chamado “hidrogênio verde”, obtido mediante a sua separação da água com um processo de eletrólise alimentado por energia renovável, tem verdadeiramente impacto zero, sem emissões poluentes e consumo de recursos naturais preciosos. Há um bom tempo, a comunidade científica e tecnológica estuda como tornar o hidrogênio verde mais fácil de produzir e mais barato. Agora, graças ao enorme progresso feito nos últimos anos, este objetivo parece estar ao nosso alcance. Por este motivo, muitos especialistas acreditam que estamos próximos de uma nova era energética do hidrogênio, que seguirá a era do petróleo, prestes a terminar. 

História

Dos laboratórios dos alquimistas às naves espaciais

Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, astrônomo e alquimista suíço, tratando em seu laboratório metais com ácidos fortes, realiza o primeiro experimento para obter hidrogênio em forma gasosa (H2).

O químico britânico Robert Boyle repete o experimento de Paracelso e descobre que o gás produzido é inflamável. Chama este gás de “solução de ferro inflamável”.

O químico francês Antoine Lavoisier dá ao gás já descoberto por Paracelsus e Boyle o nome de hidrogênio, e demonstra que a combustão do gás gera água.

Os estudiosos Jan Rudolph Deiman e Adriaan Paets van Troostwijk conseguem pela primeira vez decompor a água gerando faíscas com a ajuda de fios de ouro.

Os químicos William Nicholson e Johann Wilhelm Ritter realizam o primeiro experimento projetado para obter a eletrólise da água, ou seja, a separação do hidrogênio e do oxigênio mediante eletricidade.

O físico e químico britânico Michael Faraday publica as duas leis da eletrólise, conhecidas como Leis de Faraday.

Sir William Grove, um juiz e físico galês, inventa a célula a combustível, um dispositivo eletroquímico capaz de converter a energia química de um combustível como o hidrogênio e de um oxidante como o oxigênio em energia elétrica.

O inventor francês Jean-Joseph Étienne Lenoir fabrica o Hippomobile, um veículo com motor de dois tempos movido por uma mistura de gás hidrogênio obtido mediante eletrólise da água.

August Wilhelm von Hofmann inventa o voltâmetro de Hofmann, aparelho para realizar a eletrólise da água medindo as quantidades de hidrogênio e oxigênio desenvolvidas no processo.

Zygmunt Florenty Wróblewski, físico e químico polonês, identifica a temperatura crítica do hidrogênio, ou seja, aquela abaixo da qual o elemento ocorre em forma líquida e não gasosa: 33 Kelvin (-252,87 °C). 

O físico e engenheiro russo Dmitry Lachinov desenvolve um método para obter a eletrólise da água em âmbito industrial.

Carl Bosch inicia a comercialização do método patenteado por seu colega Fritz Haber, mais tarde denominado processo Haber-Bosch.

A empresa americana Standard Oil inaugura as três primeiras usinas de reforma a vapor, processo com o qual o hidrogênio é obtido a partir do metano.

A empresa elétrica Norsk Hydro equipa um caminhão com um reformador capaz de extrair da amônia o hidrogênio usado para a combustão interna.

A técnica de armazenamento de hidrogênio líquido em baixa temperatura é aperfeiçoada como parte do projeto dos Estados Unidos de desenvolvimento da bomba de hidrogênio.

O hidrogênio líquido é usado como propelente dos últimos estágios dos propulsores espaciais Centaur e Saturn, desenvolvidos pela NASA.

A NASA equipa a cápsula da segunda missão Gemini com uma célula a combustível de hidrogênio e oxigênio de 1 kW, que também produz água potável para os astronautas.

Roger Billings converte uma van Ford Modelo A em um veículo a hidrogênio, transformando seu motor de combustão interna.

A General Motors produz a van GM Electrovan, a primeira com célula a combustível criada para o mercado. O projeto foi abandonado em seguida por ter custos muito altos.

A Honda lança o Honda FCX, o primeiro veículo com células a combustível de produção industrial, resultado de um projeto iniciado nos anos noventa.

A empresa britânica AFC Energy apresenta a primeira célula a combustível de hidrogênio destinada ao carregamento de veículos elétricos.

Como é produzido

A eletroquímica encontra as energias renováveis

Atualmente, cerca de 95% do hidrogênio empregado na Terra, basicamente para uso industrial, é obtido mediante reforma do metano ou gaseificação do carvão, com processos que geram quantidades significativas de emissões de dióxido de carbono. Estes processos, no entanto, ainda são os mais baratos à disposição. Existem também outras formas de obter hidrogênio, por exemplo através de processos termoquímicos e, principalmente, eletrólise da água. Para isso, são usados sistemas denominados eletrolisadores, que requerem uma certa quantidade de energia elétrica. Portanto, para que possam ser verdadeiramente sustentáveis, devem ser alimentados por fontes renováveis, como a energia eólica ou fotovoltaica.

Atualmente, usinas de produção de hidrogênio verde em grande escala deste tipo não são competitivas em termos econômicos se comparadas com as tradicionais. Mas a redução esperada dos custos dos eletrolisadores, o enorme progresso da eficiência das células fotovoltaicas e dos aerogeradores e, portanto, a redução do custo em kWh das fontes renováveis, está mudando rapidamente este cenário.

Como funciona uma usina desse tipo? O coração é o eletrolisador, ou célula eletrolítica, onde a água é separada em seus elementos, hidrogênio e oxigênio. A água é colocada em contato com dois eletrodos, um ânodo com carga positiva e um cátodo com carga negativa. A corrente elétrica dissocia as moléculas em íons hidrogênio H+ e íons hidróxido OH-. No cátodo, os íons hidrogênio adquirem elétrons em uma reação de redução e se transformam em hidrogênio gasoso. No ânodo, os íons hidróxido liberam elétrons em uma redução da oxidação, levando à formação de oxigênio.

Se a célula eletrolítica é colocada perto de uma usina de fontes renováveis, parte da produção de eletricidade, por exemplo a produção que excede a capacidade de transporte da rede, pode ser usada para alimentá-la. Dessa forma, o hidrogênio produzido desempenha a função de armazenamento “químico”, que pode ser utilizado posteriormente, quando necessário, como matéria-prima para o processo de produção do aço ou como combustível para fornecer calor em altas temperaturas. 

Vantagens

Alta eficiência sem produzir emissões

  • O hidrogênio é o combustível com a maior densidade energética: 1 kg contém a mesma energia que 2,4 kg de metano ou 2,8 kg de gasolina.
  • Devido à facilidade com a qual a energia elétrica pode ser convertida em hidrogênio, é o vetor energético mais eficiente à disposição para armazenar o excedente de produção de eletricidade obtida a partir de fontes renováveis.
  • Outra característica importante do hidrogênio é sua alta eficiência de conversão. Num automóvel movido a hidrogênio com células a combustível, até 60% da energia química do hidrogênio é convertida em força motriz, enquanto a eficiência mecânica dos motores térmicos, como aqueles movidos a gasolina ou diesel, oscila entre 20% e 35%.
  • O hidrogênio é amplamente utilizado na indústria, além de ser fácil de armazenar e transportar, por exemplo usando dutos como os usados para o gás.
  • O hidrogênio é o único combustível que, independentemente de como utilizado, em motores térmicos ou células a combustível, não produz emissões poluentes, mas simplesmente água.
Você sabia que?

Gasodutos de hidrogênio? Sim, mas com inteligência

Uma ideia proposta recentemente para tornar a distribuição do hidrogênio capilar, é utilizar as tubulações usadas para o gás urbano. A ideia é misturar hidrogênio com metano e, dessa forma, produzir uma mistura que possa ser usada nas residências para o aquecimento ou para cozinhar.

No entanto, uma solução desse tipo nos coloca diante de dois problemas: a redução apenas parcial das emissões poluentes ligadas à combustão do metano (ocupando 10% do espaço do gasoduto com o hidrogênio, as emissões seriam reduzidas apenas em cerca de 1%), perdendo grande parte das vantagens do hidrogênio, e questões de segurança, relacionadas à capacidade efetiva de controlar a composição exata da mistura de gases em todas as seções da rede.

Uma possível solução mais eficaz para buscar uma distribuição capilar de hidrogênio é o uso, inicialmente, de tubulações breves, ligando as usinas de produção de hidrogênio verde aos usuários finais das redondezas. Assim é possível explorar todas as vantagens deste extraordinário vetor de energia para dar início a um forte processo de descarbonização. Depois de obter com este sistema uma redução substancial da demanda de gás, pode-se pensar em ampliar essas “ilhas” iniciais de distribuição para alcançar um número maior de usuários, industriais e domésticos.

Fontes: para dados iniciais sobre o hidrogênio
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032119308275

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