A Tecnologia Do Hidrogênio E A Geração De Energia Elétrica De Forma Sustentável – Parte 2

Olá leitores…

Continuando a minissérie de 3 partes com o tema “A Tecnologia Do Hidrogênio E A Geração De Energia Elétrica De Forma Sustentável”, após uma introdução sobre o provável uso do hidrogênio como vetor energético para colaborar na geração de energia sustentável a partir das Células a Combustível, vamos agora entender sobre esta tecnologia e abordar mais sobre a papel do hidrogênio no futuro.

Mas afinal, o que é a Célula a Combustível?

Ela pode ser conceituada como sendo um dispositivo (do tipo eletroquímico), que converte diretamente a energia química fornecida por um combustível e por um oxidante em energia elétrica e vapor de água para diversas finalidades, inclusive para gerar mais energia elétrica através do calor da água no estado gasoso.

A estrutura básica de uma célula unitária (ver ilustração abaixo) consiste de uma camada de eletrólito (centro da célula) em contato com mais duas camadas (ânodo e cátodo), um de cada lado, como se fosse uma pilha. O ânodo (eletrodo negativo) é alimentado continuamente com um gás combustível (idealmente hidrogênio), enquanto o cátodo (eletrodo positivo) recebe um gás oxidante (oxigênio puro ou ar). Assim…

…As reações eletroquímicas que ocorrem produzem o que conhecemos como corrente elétrica.

 

Para entender melhor, vamos fazer uma analogia com uma pilha ou bateria convencional. Ambas possuem duas extremidades, uma positiva e a outra, negativa e, em seu interior, existe um reagente químico para gerar carga elétrica para uma determinada aplicação. Na Pilha/Bateria ou na Célula a Combustível (CaC), a extremidade negativa é o ânodo e a positiva o cátodo. Mas, enquanto uma pilha ou bateria convencional acumula e libera energia elétrica armazenada quimicamente, uma CaC produz energia a partir da reação entre um combustível e o oxidante. A pilha ou bateria, eventualmente irá deixar de ter energia, tendo por isso de ser recarregada ou inutilizada, enquanto que a CaC continuará a funcionar e a produzir energia, até que lhe seja interrompido o fornecimento de elemento combustível ou oxidante.

O vídeo da Ballard, a seguir, representa o funcionamento de uma CaC e do stack sendo aplicados em um veículo. Acione as legendas em portugês para compreender melhor toda explicação bem didática.

As CaCs, de maneira geral, não possuem aplicações práticas utilizando somente células unitárias, pois existe a necessidade de quantidades adequadas de potência (Watt) para nossas aplicações e, por isso, devem ser conectadas em série para produzir as quantidades requeridas. Uma série dessas células recebe a denominação de stack, ou empilhamento. Um componente, conhecido como interconector ou separador bipolar, conecta o ânodo de uma célula ao cátodo da célula seguinte. Os stacks podem ser configurados em série, paralelo, em ambas, ou em unidades simples, dependendo da aplicação a que serão solicitados.

A grande vantagem do uso das CaCs está em sua alta eficiência e praticamente ausência de emissão de compostos poluentes, quando se utiliza o hidrogênio em seu estado mais puro. É, também, uma forma de geração de energia silenciosa e extremamente confiável. Existe uma grande variedade de CaCs atualmente, diferenciadas principalmente pelo tipo de eletrólito empregado e pela temperatura de operação.

De um modo geral, dentro da CaC, o gás hidrogênio (H₂) pressurizado é bombeado para o terminal negativo, o ânodo. O gás é forçado a atravessar o catalisador (substância que acelera a velocidade de uma reação química). Quando a molécula de hidrogênio entra em contato com o catalisador, ela se separa em dois íons de hidrogênio (H⁺) e dois elétrons (e^–) (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Os elétrons são conduzidos pelo ânodo, contornando o eletrólito até atingirem o circuito externo, onde, por exemplo, acendem uma lâmpada ou acionam um motor elétrico, retornando depois para o terminal positivo, o cátodo.

O oxigênio (O₂), extraído do ar, entra na célula pelo terminal positivo, o cátodo. O gás é forçado a se dispersar no catalisador, que separa a molécula de oxigênio em dois átomos de oxigênio. Cada átomo de oxigênio atrai dois íons H⁺ pelo eletrólito. Estes íons H⁺ se combinam com o átomo de oxigênio mais dois elétrons provenientes do circuito externo, para formar a molécula de água (O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O) e liberar energia.

Após a reação, se tem então o vapor de água. O vapor pode ser utilizado para aquecimento, ou ser integrado à uma microturbina a vapor para gerar mais eletricidade (processo conhecido por cogeração).

O Hidrogênio para o futuro?

O hidrogênio é o mais simples e abundante elemento químico do universo. Compõe 75% da massa e 90% das moléculas existentes. Em seu estado natural e sob condições normais é um gás incolor, inodoro e insípido. Possui grande capacidade de armazenar energia e, por este motivo, sua utilização como fonte renovável de energia elétrica e térmica vem sendo amplamente pesquisada. O hidrogênio está em todo lugar!

Se produzido a partir de fontes renováveis (etanol e água, por exemplo) ou de tecnologias renováveis, como a energia hidráulica, torna-se um combustível “ecologicamente correto”.

É largamente encontrado na água, no ar, nos seres vivos, no petróleo e, para ter um aproveitamento como fonte de energia eficiente, deve estar na sua forma mais pura. Ele apresenta uma inflamabilidade elevada, mas não é superior a do gás natural, que é uma fonte energética que está em expansão e deverá ser uma das principais fontes de hidrogênio, pois em sua composição de hidrocarbonetos, existe metano (CH₄).

Quando queimado com oxigênio puro, os produtos de reação são calor e água. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio, alguns óxidos de nitrogênio (NO_X) são formados. Mesmo assim, a queima desse modo produz muito menos poluentes atmosféricos que a queima dos combustíveis fósseis.

A grande parte de hidrogênio produzido atualmente é utilizada como matéria-prima para fabricação de produtos como: fertilizantes derivados de amônia, na hidrogenação de óleos orgânicos comestíveis feitos de sementes de soja, peixes, amendoim e milho, para converter o óleo líquido em margarina, fabricar o polipropileno e resfriar geradores e motores. Quando está ligado em compostos orgânicos e na água, constitui 70% da superfície do planeta. A quebra destas ligações nos permite utilizá-lo como um combustível.

Muitas vezes, o hidrogênio utilizado na CaC não está na sua forma pura. Ele está na forma de hidrocarbonetos misturados a outros elementos dentro de um combustível e tem que ser extraído. Nesse processo é utilizado um reformador, equipamento capaz de extrair o hidrogênio de uma fonte como o gás natural, por exemplo.

Atualmente, metade da produção de hidrogênio no mundo provém do gás natural, e a maior parte da produção é pelo processo de “reforma a vapor”. Outros métodos conhecidos são: a eletrólise da água, a eletrólise a vapor e processos fotoeletroquímicos, biológicos e fotobiológicos utilizando bactérias e enzimas.

Se um desafio é produzir hidrogênio, outro é como armazená-lo; um dos principais obstáculos para o estabelecimento de uma infra-estrutura. Além da questão de segurança, a capacidade de armazenamento é importante, pois o hidrogênio tem a menor densidade no estado gasoso e o segundo ponto de ebulição mais baixo de todas as substâncias conhecidas. Com essas características, temos dificuldades para armazená-lo. Quando em forma de gás, necessita de um sistema de contenção de grande volume e, no estado líquido, da utilização de sistemas criogênicos, operando em baixíssima temperatura (aproximadamente -253°C).

A baixa densidade do hidrogênio, seja no estado líquido ou gasoso, também resulta numa baixa densidade de energia. Por isso, certo volume contém menos energia que o mesmo volume de qualquer combustível em condições normais de temperatura e pressão (25°C/1atm). Isto faz com que o volume ou a pressão do tanque aumente, pois certa quantidade de hidrogênio é necessária para que um veículo atinja uma boa autonomia. A vantagem de utilizá-lo numa CaC é a alta eficiência desta tecnologia com relação aos motores à combustão interna, precisando de menos combustível para realizar resultado semelhante.

Existem, atualmente, cinco meios principais de se armazenar o hidrogênio: reservatórios de gás hidrogênio comprimido; reservatórios para hidrogênio líquido; hidretos metálicos (armazenar dentro da microestrutura de metais); absorção de carbono e microesferas. Além desses tipos de armazenamento, existem pesquisas para compressão de hidrogênio em cilindros que suportem altíssimas pressões.

Algumas restrições existem para armazenamento de combustível em larga escala. Uma opção seria armazenar o hidrogênio em tanques subterrâneos, onde se poderia aproveitar a experiência obtida com o desenvolvimento de armazenamento do gás natural.

No setor de distribuição e entrega, o capital de investimento é o maior empecilho para uma economia baseada no hidrogênio. Sistemas de distribuição de gás já existem em algumas partes dos Estados Unidos da América em redes de gasodutos e entregas diretas por meio de transporte de superfície. Mas quando comparado aos gasodutos de gás natural, a rede de hidrogênio é cerca de 300 vezes menor.

Embora o hidrogênio seja inflamável, a sua dispersão rápida faz com que raramente atinja uma concentração de combustão ao ar livre ou em espaços fechados, mas ventilados. Diversas pesquisas demonstram que o hidrogênio apresenta menos riscos referentes à segurança com seu uso que outros combustíveis, como a gasolina, o diesel, o álcool e o gás natural. Se for manejado adequadamente, o ciclo de vida do hidrogênio deverá ser mais seguro que todos os outros. A produção e transporte seriam de menor risco, já que linhas de dutos e caminhões de hidrogênio apresentam menos riscos públicos que os caminhões pipa tradicionais.

O hidrogênio pode se tornar uma importante fonte de energia no futuro. Uma das principais razões, por exemplo, de não termos uma produção em massa de automóveis abastecidos por hidrogênio é exatamente pela falta de infra-estrutura. Entretanto, algumas iniciativas de se criar estradas com postos de hidrogênio estão sendo desenvolvidas nos Estados Unidos da América, Europa e Japão.

Ainda estamos caminhando para uma infra-estrutura de comercialização do hidrogênio, mais investimentos estão ocorrendo em pesquisas sobre armazenamento e transporte do mesmo. Grandes empresas de energia, como a Petrobrás, Shell, BP, TotalFinalElf, ARAL, Texaco, entre outras, estão investindo bilhões de dólares para encontrar soluções que viabilizem esta infra-estrutura, juntamente com montadoras de automóveis.

No Brasil, o etanol deverá ser a principal fonte de hidrogênio, primeiro pela infra-estrutura já montada para este combustível, depois porque o país é atualmente o segundo maior produtor de etanol, com tendências de crescimento devido ao aumento de exportação e também por ser uma fonte de energia renovável. Por estes motivos, diversas pesquisas sobre produção, armazenamento e distribuição de hidrogênio, além das CaCs  que utilizem o etanol e a biomassa como fontes de combustível estão sendo realizadas.

Utilizando o Hidrogênio nas Células a Combustível…

Dentro do sistema de CaCs, a utilização do hidrogênio em seu estado mais puro traz vantagens como não necessitar de reformadores, diminuindo o tamanho e custo do sistema, além de evitar contaminação com os componentes da célula. As principais fontes de hidrogênio para pesquisas envolvendo células atualmente são: gás natural, etanol, metanol, água, biomassa, metano e algumas pesquisas com algas e bactérias.

Essa tecnologia começou a ganhar impulso a partir dos programas espaciais americanos nas décadas de 1960 e 1970. As células foram utilizadas para fornecer energia aos equipamentos a bordo, além de produzir água para os tripulantes e resfriamento dos sistemas da nave.

As CaCs têm o potencial e a vantagem de poder ser utilizadas em uma grande variedade de aplicações, desde automóveis e equipamentos portáteis como os telefones celulares, até mesmo em setores estratégicos como o espacial, militar, aéreo, naval e terrestre, incluindo energia estacionária de pequeno, médio e grande porte. Muitos especialistas na área afirmam que o segmento de aplicação portátil e o de transportes deverão ser os primeiros a atingir o mercado comercial. E esses setores já são praticamente realidades!

Em particular, no setor de transportes, as atenções estão voltadas principalmente para os automóveis e ônibus, mas estão sendo projetadas também para veículos marinhos e aéreos. Até 2016, foram investidos muitos bilhões de dólares pelas grandes indústrias neste segmento, prevendo-se a produção em massa para uma nova geração de veículos movidos a hidrogênio.

Agora caros leitores, chegamos até aqui e espero que tenham entendido o máximo possível. Este é um assunto técnico, mas tentei escrever de uma forma didática. Daqui 15 dias, teremos a última parte desta minissérie, onde irei abordar sobre a futura “economia do hidrogênio”, envolvendo seus benefícios para um planeta sustentável e também sobre o envolvimento do Brasil nos estudos e pesquisas.

Espero que tenham gostado e estou a disposição para mais explicações!

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Sobre o autor:

Reinaldo Vargas (ou Reinaldo Azevedo Vargas), além de ser o idealizador do Projeto Universo NERD, é Professor Universitário, Engenheiro de Materiais, Mestre e Doutor na área de Engenharia e Ciência dos Materiais. Possui experiências nas áreas de Ciência, Engenharia e Tecnologia de Materiais e em Células a Combustível (Fuel Cells). Possui conhecimentos nas áreas de Ciência dos Materiais, Nanomateriais, Nanotecnologia, Resistência dos Materiais, Tecnologia do Hidrogênio e Meio Ambiente.

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A Tecnologia Do Hidrogênio E A Geração De Energia Elétrica De Forma Sustentável é uma série composta de 3 posts onde o autor aborda como a geração de energia elétrica está relacionada com o hidrogênio e com às Células a Combustível para colaborar na construção de um mundo mais sustentável.

ESTE É O SEGUNDO TEXTO!

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