A tecnologia de hidrogênio refere-se ao uso do hidrogênio como fonte de energia ou como elemento fundamental em processos industriais. Assim, as fontes de hidrogênio são bem diversas como: eletrólise da água, reforma de gás natural, gaseificação de biomassa, dentre outros métodos.
Primeiramente, o hidrogênio é o elemento mais simples e abundante do universo. Assim, é um componente importante da água, do petróleo, do gás natural e de toda a matéria viva. Dessa maneira, apesar de sua simplicidade e abundância, o hidrogênio raramente ocorre naturalmente como um gás na Terra. Sendo esse, quase sempre, combinado com outros elementos.
Existem várias aplicações da tecnologia de hidrogênio, sendo as mais comuns:
- Células de combustível: as células de combustível convertem hidrogênio e oxigênio em eletricidade e calor, sem a necessidade de combustão. Sendo utilizadas em veículos de emissão zero, como carros e ônibus movidos a hidrogênio, além de fornecerem energia para residências e empresas.
- Armazenamento de energia: o hidrogênio pode ser usado para armazenar energia em grande escala. O excesso de energia elétrica gerada por fontes renováveis, como a energia solar e eólica, podem ser utilizadas para produzir hidrogênio através da eletrólise da água. Esse hidrogênio é mais fácil de armazenar e posteriormente usado para gerar eletricidade quando necessário.
- Indústria: o hidrogênio usado em diversos processos industriais, como a produção de amônia, refinarias de petróleo, produção de metanol e hidrogenação de óleos vegetais. Ele também pode ser usado como um gás redutor em processos siderúrgicos.
- Transporte: além dos veículos movidos a células de combustível, o hidrogênio também pode ser usado como combustível em motores de combustão interna, semelhantes aos motores a gasolina. No entanto, essa aplicação tem os desafios associados ao armazenamento e à distribuição segura do hidrogênio.
Hidrogênio como combustível
O hidrogênio, vem sendo considerado um combustível limpo que, consumido em uma célula a combustível, produz apenas água. Da mesma forma, o hidrogênio produzido a partir de uma variedade de recursos domésticos, como gás natural, energia nuclear, biomassa e energia renovável, como solar e eólica. Além disso, essas qualidades o tornam uma opção atraente de combustível para aplicações de transporte e geração de eletricidade. Dessa maneira, usado em carros, em casas, para energia portátil e em muitas outras aplicações.
Ao passo que o hidrogênio também se comporta como um transportador de energia e usado para armazenar, mover e fornecer energia produzida de outras fontes. Os métodos mais comuns para a produção do hidrogênio incluem a reforma do gás natural (um processo térmico) e a eletrólise. Outros métodos incluem processos movidos a energia solar e biológicos.
Processos térmicos para a tecnologia de hidrogênio
Os processos térmicos para produção de hidrogênio normalmente envolvem a reforma a vapor, um processo de alta temperatura no qual o vapor reage com um combustível de hidrocarboneto para produzir hidrogênio.
Dessa maneira, combustíveis de hidrocarbonetos reformados para produzir hidrogênio, incluem o gás natural, diesel, combustíveis líquidos renováveis, carvão gaseificado ou biomassa gaseificada. Hoje, cerca de 95% de todo o hidrogênio produzido vem da reforma a vapor do gás natural.
Nesse sentido, a reforma do gás natural é um processo de produção avançado e maduro que se baseia na infraestrutura existente de entrega de gasodutos. Bem como este é um importante caminho tecnológico para a produção de hidrogênio a curto prazo.
Do mesmo modo, a gaseificação de biomassa é um caminho tecnológico maduro que usa um processo controlado envolvendo calor, vapor e oxigênio para converter biomassa em hidrogênio e outros produtos, sem combustão. Assim, como o cultivo de biomassa remove dióxido de carbono da atmosfera, as emissões líquidas de carbono desse método podem ser baixas, especialmente se associadas à captura, utilização e armazenamento de carbono a longo prazo.
Líquidos derivados de recursos de biomassa – incluindo etanol e bio-óleos – podem ser reformados para produzir hidrogênio em um processo semelhante à reforma do gás natural. Assim, líquidos derivados de biomassa podem ser transportados mais facilmente do que suas matérias-primas de biomassa, permitindo a produção semicentral ou possivelmente a produção distribuída de hidrogênio em postos de abastecimento. Dessa maneira, a reforma líquida derivada da biomassa é um caminho tecnológico de médio prazo.
Processos eletrolíticos
A água pode ser separada em oxigênio e hidrogênio através de um processo chamado eletrólise. Desse modo, os processos eletrolíticos ocorrem em um eletrolisador, que funciona como uma célula de combustível ao contrário – em vez de usar a energia de uma molécula de hidrogênio, como faz uma célula de combustível, um eletrolisador cria hidrogênio a partir de moléculas de água.
A eletrólise é uma opção promissora para a produção de hidrogênio livre de carbono a partir de recursos renováveis e nucleares. Assim a eletrólise é o processo de usar eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Essa reação ocorre em uma unidade chamada eletrolisador.
Os eletrolisadores variam em tamanho, desde pequenos equipamentos do tamanho de um eletrodoméstico adequados para a produção distribuída de hidrogênio em pequena escala até instalações de produção central em grande escala. Portanto esses últimos ligam-se diretamente a fontes renováveis ou outras formas de produção não emissoras de gases de efeito estufa. produção de eletricidade.
Tecnologia de hidrogênio com processos Solares
Os processos movidos a energia solar usam a luz como agente para a produção de hidrogênio. Existem alguns processos movidos a energia solar, incluindo fotobiológicos, fotoeletroquímicos e termoquímicos solares.
Na separação fotoeletroquímica da água, o hidrogênio é produzido a partir da água usando luz solar e semicondutores especializados chamados materiais fotoeletroquímicos, que usam a energia da luz para dissociar diretamente as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. Este é um caminho tecnológico de longo prazo, com potencial para baixas ou nenhuma emissão de gases de efeito estufa.
Os processos fotobiológicos usam a atividade fotossintética natural de bactérias e algas verdes para produzir hidrogênio. Esse preocesso usa microorganismos e luz solar para transformar água e, às vezes, matéria orgânica, em hidrogênio. Este é um caminho tecnológico de longo prazo nos estágios iniciais da pesquisa que tem um potencial de longo prazo para a produção sustentável de hidrogênio com baixo impacto ambiental.
Assim, os processos fotoeletroquímicos usam semicondutores especializados para separar a água em hidrogênio e oxigênio. A produção termoquímica solar de hidrogênio usa energia solar concentrada para conduzir reações de divisão de água, muitas vezes junto com outras espécies, como óxidos metálicos.
A divisão termoquímica da água usa altas temperaturas – da energia solar concentrada ou do calor residual das reações da energia nuclear – e reações químicas para produzir hidrogênio e oxigênio a partir da água. Este é um caminho tecnológico de longo prazo, com emissões potencialmente baixas ou inexistentes de gases de efeito estufa.
Processos Biológicos
Os processos biológicos usam microganismos como bactérias e microalgas e podem produzir hidrogênio por meio de reações biológicas. Na conversão de biomassa microbiana, os microganismos decompõem a matéria orgânica como biomassa ou águas residuais para produzir hidrogênio, enquanto nos processos fotobiológicos os micróbios usam a luz solar como fonte de energia. Dependendo do caminho, esta pesquisa pode resultar em sistemas de escala comercial no prazo de médio a longo prazo.
Célula de combustível
Entretanto, uma célula de combustível de hidrogênio usa a energia química do hidrogênio para produzir eletricidade. É uma forma limpa de energia com eletricidade, calor e água sendo os únicos produtos e subprodutos. As células de combustível oferecem uma variedade de aplicações, desde transporte até energia de backup de emergência, e podem alimentar sistemas tão grandes quanto uma usina de energia ou tão pequenos quanto um laptop.
As células de combustível oferecem vantagens em relação às tecnologias tradicionais baseadas em combustão, incluindo maior eficiência e emissões mais baixas. Como as células de combustível de hidrogênio emitem apenas água, não há emissões de dióxido de carbono ou outros poluentes liberados na atmosfera. As células de combustível também são silenciosas durante a operação, pois possuem menos partes móveis do que as tecnologias de combustão.
A tecnologia de hidrogênio tem o potencial de desempenhar um papel importante na transição para um sistema energético mais limpo e sustentável. No entanto, para a tecnologia de hidrogênio existem desafios a superar, como a produção em larga escala de hidrogênio verde (produzido a partir de fontes renováveis) a um custo acessível, o desenvolvimento de infraestrutura de abastecimento e a garantia da segurança do manuseio e armazenamento do hidrogênio.
Referências:
- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/hydrogen-technology
- https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780323903943000011
- https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technology-basics
- https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-fuel-basics
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780323851763000093
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780128204924000051
