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Hidrogênio = Energia

Com a flutuação dos preços internacionais do petróleo devido ao lobby promovido pelas grandes nações produtoras e, não menos importante, pela consciência de que os combustíveis fósseis são limitados e não-renováveis, as pesquisas em combustíveis e fontes de energia alternativos vêm crescendo em ritmo acelerado mundo afora.

O hidrogênio é um composto com grande capacidade de armazenar energia, e por este motivo seu uso como fonte renovável de energia elétrica e combustível vem sendo amplamente pesquisado.
Entenda melhor como esta substância simples e abundante pode ser utilizada como fonte de energia, e quais as principais dificuldades em sua implantação.

O Hidrogênio como Combustível

Desde o início do século XIX, os cientistas identificaram o hidrogênio como uma fonte potencial de combustível. Os usos atuais do hidrogênio incluem processos industriais, combustível para foguetes e propulsão para cápsulas espaciais. Com pesquisa e desenvolvimento mais avançados, este combustível também pode ser utilizado como uma fonte alternativa de energia para o aquecimento e iluminação de residências, geração de eletricidade e como combustível de automóveis. Quando produzido de fontes e tecnologias renováveis, como hidráulica, solar ou eólica, o hidrogênio torna-se um combustível renovável. 

Composição do Hidrogênio

O hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do universo. Possui a maior quantidade de energia por unidade de massa que qualquer outro combustível conhecido - 52.000 BTU - British Thermal Units (Unidades Térmicas Britânicas) por libra (ou 120,7kJ por grama). Além disso, quando resfriado ao estado líquido, este combustível de baixo peso molecular ocupa um espaço equivalente a 1/700 daquele que ocuparia no estado gasoso. Esta é uma das razões pelas quais o hidrogênio é utilizado como combustível para propulsão de foguetes e cápsulas espaciais, que requerem combustíveis de baixo peso, compactos e com grande capacidade de armazenamento de energia.

No estado natural e sob condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. O hidrogênio molecular (H2) existe como dois átomos ligados pelo compartilhamento de elétrons - ligação covalente. Cada átomo é composto por um próton e um elétron. Alguns cientistas acreditam que este elemento dá origem a todos os demais por processos de fusão nuclear. O hidrogênio normalmente existe combinado com outros elementos, como o oxigênio na água, o carbono no metano, e na maioria dos compostos orgânicos. Como é quimicamente muito ativo, raramente permanece sozinho como um único elemento.

Quando queimado com oxigênio puro, os únicos produtos são calor e água. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio, alguns óxidos de nitrogênio (NOX) são formados. Ainda assim, a queima de hidrogênio produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis fósseis. 

A Produção de Hidrogênio

O hidrogênio ligado em compostos orgânicos e na água constitui 70% da superfície terrestre. A quebra destas ligações na água permite produzir hidrogênio e então utiliza-lo como combustível. Existem muitos processos que podem ser utilizados para quebrar estas ligações. A seguir estão descritos alguns métodos para a produção de hidrogênio  e que ou estão atualmente em uso ou sob pesquisa e desenvolvimento.

A maior parte do hidrogênio produzido no mundo (principalmente nos Estados Unidos)  em escala industrial é pelo processo de reforma de vapor, ou como um subproduto do refino de petróleo e produção de compostos químicos. A reforma de vapor utiliza energia térmica para separar o hidrogênio do carbono no metano ou metanol, e envolve a reação destes combustíveis com vapor em superfícies catalíticas. O primeiro passo da reação decompõe o combustível em água e monóxido de carbono (CO). Então, uma reação posterior transforma o monóxido de carbono e a água em dióxido de carbono (CO2) e hidrogênio (H2). Estas reações ocorrem sob temperaturas de 200ºC ou maiores.

Outro modo de produzir hidrogênio é por eletrólise, onde os elementos da água, o hidrogênio e o oxigênio, são separados pela passagem de uma corrente elétrica. A adição de um eletrólito como um sal aumenta a condutividade da água e melhora a eficiência do processo. A carga elétrica quebra a ligação química entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio e separa os componentes atômicos, criando partículas carregadas (íons). Os íons se formam em dois pólos: o anodo, polarizado positivamente, e o catodo, polarizado negativamente. O hidrogênio se concentra no cátodo e o anodo atrai o oxigênio. Uma voltagem de 1,24V é necessária para separar os átomos de oxigênio e de hidrogênio em água pura a uma temperatura de 25ºC e uma pressão de 1,03kg/cm2. Esta tensão varia conforme a pressão ou a temperatura são alteradas.

A menor quantidade de eletricidade necessária pra eletrolisar um mol de água é de 65,3Watts-hora (a 25ºC). A produção de um metro cúbico de hidrogênio requer 0,14kilowatts-hora (kWh) de energia elétrica (ou 4,8kWh por metro cúbico).

Fontes renováveis de energia podem produzir eletricidade por eletrólise. Por exemplo, o Centro de Pesquisas em Energia da Humboldt State University projetou e construiu um sistema solar de hidrogênio auto-suficiente. O sistema usa um arranjo fotovoltaico de 9,2kilowatts (kW) para fornecer energia a um compressor que faz a aeração dos tanques de peixes. A energia não utilizada para movimentar o compressor aciona um eletrolisador  bipolar alcalino de 7,2kW. O eletrolisador pode produzir 53 pés cúbicos padrões de hidrogênio por hora (25 litros por minuto). A unidade está operando sem supervisão desde 1993. Quando o arranjo fotovoltaico não fornece energia suficiente, o hidrogênio fornece combustível para uma célula de combustível por membrana de troca fotônica  de 1,5kW para fornecer a energia necessária aos compressores.

A eletrólise de vapor é uma variação do processo convencional de eletrólise. Uma parte da energia necessária para decompor a água é adicionada na forma de calor ao invés de eletricidade, tornando o processo mais eficiente que a eletrólise convencional. A 2500ºC a água se decompõe em hidrogênio e oxigênio. Este calor pode ser fornecido por um dispositivo de concentração de energia solar. O problema neste processo é impedir a recombinação do hidrogênio e do oxigênio sob as altas temperaturas utilizadas no processo.

A decomposição termoquímica da água utiliza produtos químicos como o brometo ou o iodeto, assistidos pelo calor. Esta combinação provoca a decomposição da molécula de água. Este processo possui várias etapas - usualmente três - para atingir o processo inteiro.

Processos fotoeletroquímicos utilizam dois tipos de sistemas eletroquímicos para produzir hidrogênio. Um utiliza complexos metálicos hidrossolúveis como catalisadores, enquanto que o outro utiliza superfícies semicondutoras. Quando o complexo metálico se dissolve, absorve energia solar e produz uma carga elétrica que inicia a reação de decomposição da água. Este processo imita a fotossíntese. O outro método utiliza eletrodos semicondutores em uma célula fotoquímica para converter a energia eletromagnética em química. A superfície semicondutora possui duas funções: absorver a energia solar e agir como um eletrodo. A corrosão induzida pela luz limita o tempo de vida útil do semicondutor.

Processos biológicos e fotobiológicos utilizam algas e bactérias para produzir hidrogênio. Sob condições específicas, os pigmentos em certos tipos de algas absorvem energia solar. As enzimas na célula de energia agem como catalisadores para decompor as moléculas de água. Algumas bactérias também são capazes de produzir hidrogênio, mas diferentemente das algas necessitam de substratos para seu crescimento. Os organismos não apenas produzem hidrogênio, mas também podem limpar poluição ambiental.

Recentemente, uma pesquisa iniciada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos levou à descoberta de um mecanismo para produzir quantidades significativas de hidrogênio a partir de algas. Há 60 anos os cientistas sabem que as algas produzem pequenas quantidades de hidrogênio, mas não haviam encontrado um método factível para aumentar esta produção. Cientistas da Universidade da Califórnia em conjunto com o Laboratório Nacional de Energia Renovável encontraram a solução. Após permitir que a cultura de algas crescesse sob condições normais, os pesquisadores privaram-nas de enxofre e oxigênio. Após muitos dias gerando hidrogênio, a cultura de algas foi colocada novamente sob as condições normais por alguns poucos dias, permitindo assim que armazenassem mais energia. O processo pode ser repetido várias vezes. A produção de hidrogênio por algas pode eventualmente promover um meio prático e de baixo custo para a conversão de luz solar em hidrogênio.

Outra fonte de hidrogênio por processos naturais utiliza o metano e o metanol. O metano (CH4) é um componente do "biogás", produzido por bactérias anaeróbias. Estas bactérias são encontradas em grande quantidade no ambiente. Elas quebram, ou digerem, matéria orgânica na ausência de oxigênio e produzem o "biogás" como resíduo metabólico. Fontes de biogás incluem os lixões, o esterco de gado ou porcos e as estações de tratamento de águas e esgotos. O metano também é o principal componente do gás natural (um grande combustível utilizado para aquecimento e geradoras de energia elétrica) produzido por bactérias anaeróbias há milhões de anos atrás. O etanol é produzido pela fermentação da biomassa. A maior parte do etanol combustível dos Estados Unidos é produzido pela fermentação do milho.

Estados Unidos, Japão, Canadá e França têm investigado a decomposição térmica da água, uma técnica radicalmente diferente para geração de hidrogênio. Este processo utiliza calor em temperaturas acima de 3000ºC para decompor as moléculas de água.

Usos Potenciais para o Hidrogênio

Os setores de transporte, industrial e residencial nos Estados Unidos têm utilizado hidrogênio há muitos anos. No início do século XIX muitas pessoas utilizaram um combustível denominado "gás da cidade", que era uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono. Muitos países, incluindo o Brasil e a Alemanha, continuam distribuindo este combustível. Aeronaves (dirigíveis e balões) usam hidrogênio para transporte. Atualmente, algumas indústrias utilizam hidrogênio para refinar petróleo, e para produzir amônia e metanol. As naves espaciais utilizam hidrogênio como combustível para seus foguetes.

Com pesquisas futuras, o hidrogênio pode fornecer eletricidade e combustível para os setores residencial, comercial, industrial e de transporte, criando uma nova economia energética.

Quando armazenado adequadamente, o hidrogênio combustível pode ser queimado tanto no estado gasoso quanto no líquido. Os motores de veículos e os fornos industriais podem facilmente ser convertidos para utilizar hidrogênio como combustível. 

Desde a década de 1950, o hidrogênio abastece alguns aviões. Fabricantes de automóveis desenvolveram carros movidos a hidrogênio. A queima de hidrogênio é 50% mais eficiente que a da gasolina e gera menos poluição ambiental. O hidrogênio apresenta uma maior velocidade de combustão, limites mais altos de inflamabilidade, temperaturas de detonação mais altas, queima mais quente e necessita de menor energia de ignição que a gasolina. Isto quer dizer que o hidrogênio queima mais rapidamente, mas traz consigo os perigos de pré-ignição e flashback.

 Apesar de o hidrogênio apresentar suas vantagens como combustível para veículos, ainda tem um longo caminho de desenvolvimento a percorrer antes de poder ser utilizado como um substituto para a gasolina.

As células de energia utilizam um tipo de tecnologia que usam o hidrogênio para produzir energia útil. Nestas células, o processo de eletrólise é revertido para combinar o hidrogênio e o oxigênio através de um processo eletroquímico, que produz eletricidade, calor e água. O Programa Espacial dos Estados Unidos tem utilizado as células de energia para fornecer eletricidade às cápsulas espaciais há décadas. Células de energia capazes de fornecer eletricidade para mover os motores de automóveis e ônibus têm sido desenvolvidas. Muitas companhias estão desenvolvendo células de energia para usinas estacionárias.  

Uma célula de energia funciona como uma bateria que nunca pára de funcionar e não precisa de recarga. Ela irá produzir eletricidade e calor sempre que um combustível (no caso, o hidrogênio) for fornecido. Uma célula de energia consiste de dois eletrodos - um negativo (ânodo) e um positivo (cátodo) - imersos em um eletrólito. O hidrogênio é inserido na célula pelo anodo, e o oxigênio pelo catodo. Ativados por um catalisador, os átomos de hidrogênio separam-se em prótons e elétrons, que tomam caminhos diferentes no cátodo.  Os elétrons saem por um circuito externo, gerando eletricidade. Os prótons migram através do eletrólito ao cátodo, onde reúnem-se com o oxigênio e os elétrons para gerar água e calor. As células de energia podem ser utilizadas para mover os motores de veículos ou para fornecer eletricidade e calor às edificações. 

O hidrogênio pode ser considerado como uma forma de armazenar energia produzida de fontes renováveis como a solar, eólica, hídrica, geotérmica o biológica. Por exemplo, quando o sol estiver se pondo, sistemas fotovoltaicos podem fornecer a eletricidade necessária para produzir o hidrogênio por eletrólise. O hidrogênio pode então ser estocado e queimado como um combustível, ou para operar uma célula de energia para gerar eletricidade à noite ou sob tempo nebuloso.

A Estocagem de Hidrogênio: Um Problema Ainda Não Resolvido

Para se utilizar o hidrogênio em larga escala de maneira segura, sistemas práticos de estocagem devem ser desenvolvidos, especialmente para os automóveis. Apesar de o hidrogênio poder ser estocado no estado líquido, este é um processo difícil porque deve ser resfriado a -253ºC. A refrigeração do hidrogênio a esta temperatura utiliza o equivalente a 25 ou 30% de sua energia total, e requer materiais e manipulação especiais. Para resfriar aproximadamente 0,5kg de hidrogênio são necessários 5kWh de energia elétrica.

O hidrogênio também pode ser armazenado como gás, que utiliza muito menos energia que aquela necessária para fazer hidrogênio líquido. Sendo estocado no estado gasoso, deve ser  pressurizado para se estocar uma quantidade razoável. Para utilização em larga escala, o gás pressurizado pode ser estocado em cavernas ou minas. O gás hidrogênio pode então ser encanado e levado às residências da mesma maneira que o gás natural. Apesar desta técnica de estocagem ser útil para a utilização do hidrogênio como combustível de aquecimento, não o é para utilização em veículos porque os tanques de metal pressurizados necessários para estocar o hidrogênio são muito caros.

Um método de estocagem de hidrogênio potencialmente mais eficiente é na forma de hidretos. Os hidretos são compostos químicos formados por hidrogênio e um metal. As pesquisas atuais estão focando o hidreto de magnésio. Certas ligas metálicas como as de magnésio-níquel, magnésio-cobre e ferro-titânio, absorvem hidrogênio e o liberam quando aquecidos. Os hidretos, entretanto, estocam pouca energia por unidade de massa. As pesquisas atualmente procuram um composto que seja capaz de armazenar uma grande quantidade de hidrogênio com uma elevada densidade energética, liberar o hidrogênio como combustível, reagir rapidamente e possuir um custo acessível. 

O Custo do Hidrogênio

Atualmente, a maneira economicamente mais viável para se produzir hidrogênio é pela reforma de vapor. De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, em 1995 o custo estava em US$7,39 por milhão de BTU (US$7,00 por gigajoule) em plantas de grande escala. Este cálculo assume o custo do gás natural de US$2,43 por milhão de BTU (US$2,30 por gigajoule). Isto equivalente a US$0,93 por galão ($0,24 por litro) de gasolina. A produção de hidrogênio por eletrólise utilizando hidroeletricidade, considerando taxas de horários de baixo consumo, custa entre US$10,55 e US$21,10 por milhão de BTU (US$10,00 a US$20,00 por gigajoule).

A Pesquisa em Hidrogênio

Reconhecendo o potencial do hidrogênio combustível, o Departamento de Energia dos Estados Unidos e organizações privadas fundaram programas de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) por muitos anos. O Governo Federal americano aloca em média 18 milhões de dólares por ano na pesquisa de hidrogênio combustível. Os trabalhos atuais nos Estados Unidos incluem pesquisas no Laboratório Nacional de Energia Renovável, na Universidade A & M, Texas, no Laboratório Nacional de Brookhaven, e no Instituto de Energia Neutra Hawaii.

O Centro de Energia Solar na Flórida conduz pesquisas em hidrogênio pelo Programa de Energia Renovável, com objetivos de longo prazo sob a orientação do Departamento de Energia dos Estados Unidos para o desenvolvimento de um reator para fotoeletricamente decompor a água em hidrogênio e oxigênio e para sintetizar quimicamente uma membrana eletrolítica para eletrólise sob altas temperaturas. Outra pesquisa do Departamento de Energia é o desenvolvimento de um processo para reformar o gás natural ao hidrogênio para produção on-site de blendas de hidrogênio-metano que sejam aplicáveis a automóveis.

Para que se possa utilizar hidrogênio em larga escala, os pesquisadores  devem desenvolver meios mais práticos e econômicos para estocar e produzir o hidrogênio.

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