Hidrogênio Combustível – Processos de Produção de Hidrogênio Combustível
By Prof. Aecio D’Silva
AquaUniversity.com
Hidrogênio Combustível – Hidrogênio ou H2 é o elemento químico mais abundante e simples da Terra. Na verdade, seus átomos são compostos por um único próton e um único elétron é por isso que o hidrogênio é o primeiro elemento na tabela periódica.
Foi o gás mágico que Jules Verne previu em 1874 que seria um dia usado como combustível. H2 foi descoberto em 1776 pelo físico inglês Henry Cavendish.
Muitos pensam que o hidrogênio é simplesmente uma fonte de energia. No entanto, é muito mais do que isto. Hidrogênio é um vetor de energia porque pode ao mesmo tempo acumular e fornecer energia— um combustível com capacidades excepcionais de armazenamento de energia para viagens de longa duração.
Por exemplo, esse processo acontece com células de combustível, que geram eletricidade usando uma reação química de hidrogênio produzindo água, calor e principalmente eletricidade como subproduto. A grande diferença e mais fundamental entre células de combustível e baterias é simples: uma bateria armazena energia que então é usada, enquanto uma célula de combustível gera energia convertendo o combustível (H2) disponível. Células de combustível não precisam ser recarregadas ou mudadas como acontece com os carros elétricos a baterias. Desde que você tenha acesso ao hidrogênio combustível, você tem acesso à eletricidade – a qualquer hora, em qualquer lugar.
Os carros de células de combustível oferecem muitas vantagens em relação aos veículos elétricos a bateria. Carros de células de combustível, em vez de um motor ou uma bateria, usam hidrogênio e oxigênio para criar eletricidade. Eles podem ser reabastecidos em três a quatro minutos e percorrer distâncias bem maiores.
Carro Movido a H2 a Partir de Células de Combustível
Os carros de célula de combustível são alimentados por gás hidrogênio comprimido que abastece uma “pilha” de células de combustível a bordo que não queima o gás, mas transforma a energia química do combustível em energia elétrica. Esta eletricidade então alimenta os motores elétricos do carro.
Diagrama de uma de Célula de Combustível de Hidrogênio
Embora o hidrogênio seja a substância química mais abundante no universo, em nosso planeta ele pode ser produzido usando vários recursos internos, como a partir de combustíveis fósseis, gás natural, carvão, água, energia nuclear e outras fontes de energia renovável como biomassa, eólica, solar e geotérmica e uma ampla gama de processos.
Toyota – FCV Movido a Células de Combustíveis a Hidrogênio (Fonte: Toyota)
O hidrogênio, como acontece com o ethanol, pode ser produzido no ponto de uso ou próximo em instalações maiores e, em seguida, entregue ao ponto de uso dos usuários, em instalações de tamanho intermediário localizadas nas proximidades geralmente de 25 a 100 milhas até o ponto de usuários.
Hidrogênio Combustível Pode Ser Produzido Usando Diferentes Processos
H2 pode ser produzido por processos termoquímicos que usam reações térmicas e químicas para liberar hidrogênio de materiais orgânicos como combustíveis fósseis e biomassa.
A água pode ser dividida em hidrogênio e oxigênio por processos eletrolíticos usando energia solar, eólica ou por processos fotoelétricos também usando energia solar.
Energia Offshore Eólica para Produzir Hidrogênio Verde Renovável
Microrganismos como bactérias e algas podem produzir hidrogênio através de processos biológicos. Vamos ver as tecnologias mais comuns para a produção de hidrogênio para cada processo.
Hidrogênio Combustível – Processos Termoquímicos
Processos termoquímicos como o nome diz usar reações térmicas e químicas para extrair hidrogênio da estrutura molecular de gás natural, carvão, biomassa e até água.
A reforma do gás natural é o método mais utilizado para a produção de hidrogênio e a reação é feita com hidrocarbonetos como o metano.
O gás natural contém metano que pode ser usado para produzir hidrogênio por processos termoquímicos, como reforma a vapor e oxidação parcial.
No vapor reformando o metano e outros hidrocarbonetos reagem com vapor de temperatura elevada sob pressão e na presença de um catalisador a reação é acelerada. Os produtos de reação são hidrogênio e monóxido de carbono.
Hidrogênio combustível – Reforma a Vapor de Metano
O processo de reforma a vapor é endotérmico que significa que o calor deve ser usado no processo para que a reação prossiga geralmente queimando parte do metano.
Em vez disso, a oxidação parcial do metano reage com uma quantidade limitada de oxigênio que não é suficiente para oxidar completamente os hidrocarbonetos ao dióxido de carbono e à água. Os produtos de reação são sempre hidrogênio e monóxido de carbono, mas nas reações químicas a oxidação parcial produz menos hidrogênio com a mesma quantidade de combustível que é obtida pela reforma a vapor.
Porém a oxidação parcial do metano é um processo exotérmico, o que significa que dá calor. É por isso que é muito mais rápido do que reformar a vapor. Na sequência, processos de monóxido de carbono e vapor reagem junto com o catalisador na chamada reação de mudança de gás de água produzindo dióxido de carbono e mais hidrogênio. Na última etapa do processo, chamado de balanço de pressão, o dióxido de carbono é removido deixando hidrogênio puro, como resultado.
Processos Eletrolíticos
Processos eletrolíticos são onde a eletricidade é usada para fazer reações químicas. O processo mais comum é a eletrólise da água, onde a água é dividida em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade. Este é um método sustentável para produzir hidrogênio porque não haveria emissão de gases de efeito estufa durante a produção de hidrogênio.
Na eletrólise da água, a célula eletrolítica é feita por um ânodo e um cátodo, e são divididas por um eletrólito como nas células de combustível.
Eletrólise da Água dentro do Electrolyzer
Contudo, o processo que ocorre dentro do electrolyzer é exatamente o oposto como observamos na célula de combustível de PEM membrana. O eletrólito é feito de material plástico forte. Água reage no ânodo para formar oxigênio, íons de hidrogênio ou prótons carregados positivamente que se movem através da membrana de eletrólito de polímero até o cátodo.
Elétrons fluem através do circuito externo até o cátodo por prótons. Na região do cátodo íons de hidrogênio combinados com os elétrons do circuito externo formam gás hidrogênio.
Processos Fotolíticos
Definimos a fotólise como um processo químico no qual compostos químicos ou moléculas são divididos em pequenas unidades pela ação de fótons ou absorvendo luz.
Deferentemente dos processos eletrolíticos que usam eletricidade, os processos fotolíticos utilizam diretamente energia-luz solar dos fótons para dividir água em hidrogênio e oxigênio ou produzir eletricidade.
Esses processos estão atualmente em vários estágios iniciais de pesquisa, mas oferecem potencial de longo prazo para produção sustentável de hidrogênion e/ou eletricidade com baixo impacto ambiental.
Esquema de uma Célula Químicas Fotoelétrica
Um exemplo de processos fotolíticos é a tecnologia usada em células químicas fotoelétricas conhecidas como PEC, onde semicondutores são usados similar na geração de eletricidade solar fotovoltaica. Os semicondutores são imersos em um eletrólito à base de água onde a luz solar (fótons) energiza o processo de divisão da água em hidrogênio e oxigênio idêntico ao que acontece na eletrólise da água.
Processos Biológicos
Esta é a área que estamos mais envolvidos. Temos um livro que trata de produção de algas para diversos produtos, entre eles o hidrogênio combustível. Certamente, entre os processos biológicos, podemos incluir a conversão microbiana de nutrientes e biomassa para usar a capacidade dos microrganismos de consumir e digerir nutrientes e biomassa e liberar hidrogênio. Como isto acontece?
In sistemas baseados em fermentação, algas ou bactérias digerem nutrientes ou matéria orgânica para produzir energia e prótons. As células de eletrólise microbial, conhecidas por MECs, usam a energia e prótons produzidos por micróbios para produzir hidrogênio.
Algas para Produzir H2
Como Funciona as MECs? A célula de eletrólise é composta por um ânodo e um cátodo. Os micróbios no ânodo consomem a matéria orgânica, como ácido acético, produzindo elétrons e prótons.
Células Microbianas para Produzir H2
Os elétrons são passados para um eletrodo que viaja através de um fio até o eletrodo na seção do cátodo. Com a ajuda de uma pequena tensão de edição, os prótons são combinados com os elétrons para produzir gás hidrogênio.
Processos para Produzir Hidrogênio Verde Renovável – RGH
Como vimos nos três artigos anteriores (detalhadas informações veja os links abaixo sobre RGH), o chamado hidrogênio verde renovável é produzido a partir de fontes-recursos-energia renováveis. Porém requer uma enorme quantidade de eletricidade a partir de recursos renováveis. O lado positivo é que os preços da energia limpa diminuíram muito nos últimos anos.
Uma novidade é que o Brasil está sainda à frente com a disponibilização de um potencial imenso para produzir eletricidade renovável através de usinas solares e o polo offshore éolica no litoral Nordestino! Veja mais informações clicando aqui.
Eletricidade Produzida em Polo Eólico Offshore
Outra fator importante que está impulsionando a produção de RGH é que estamos enfrentando um aumento nos preços dos combustíveis fósseis associado a uma redução nas suas reservas. Consequentemente, novas soluções para combater a dependência ao petróleo e a poluição do ar têm liderado mais países a investir na tecnologia de RGH para setores como transporte, indústria química e indústria pesada.
Em um mundo onde 7 bilhões de pessoas são dependentes do petróleo você acha que o RGH será o combustível não fóssil alternativo para nos tirar desta dependência?
Diga para nós a sua opinião nos comentários do artigo.
Hidrogênio Verde Renovável – RGH – Livrando-nos Para Sempre dos Combustíveis Fósseis – Parte I
Hidrogênio Verde Renovável – RGH – Livrando-nos Para Sempre dos Combustíveis Fósseis – Parte II
Hidrogênio Verde Renovável e o Polo Eólico Offshore do Nordeste – Parte III
