O hidrogênio seria um combustível 100% ecológico se não fosse por alguns problemas. O principal desafio é a sua extração. As reservas de hidrogênio da Terra são escassas. Embora o hidrogênio possa ser produzido a partir da água, ele requer recursos e energia, e é aí que surgem as complicações.
Reação do hidrogênio com o ar
Quando o hidrogênio (H) queima no ar (contendo oxigênio, O), ele simplesmente forma água (H2O). Um quilograma de hidrogênio queimado fornece quase quatro vezes mais energia do que um quilograma de combustível líquido, como a gasolina. No entanto, obtê-lo é um desafio, pois seus depósitos na Terra são limitados e, ocasionalmente, acompanham as reservas de gás natural.
Por que há tão pouco hidrogênio no subsolo?
Há bilhões de anos, parte do hidrogênio da Terra reagiu com o nitrogênio para formar amônia, enquanto parte se combinou com o carbono para produzir metano. Posteriormente, ambos formaram compostos orgânicos. É interessante notar que a maior parte da produção atual de hidrogênio é usada para produzir amônia – um precursor crucial para fertilizantes nitrogenados.
O hidrogênio restante não ligado escapou rapidamente para o espaço. Por ser o gás mais leve, ele escapa facilmente da atração gravitacional da Terra. Existe um problema semelhante com o hélio, outro gás leve com reservas limitadas na Terra.
O hidrogênio pode ser produzido a partir da água, que é abundante na Terra. Entretanto, esse processo requer recursos e energia. O desafio começa com o hidrogênio “sujo” do gás natural.
Hidrogênio “sujo” do gás natural
O hidrogênio pode ser derivado do metano (do gás natural) ou de outros hidrocarbonetos (como o petróleo) por meio de um processo chamado reforma. Esse processo de alta temperatura também requer energia, seja elétrica ou de combustão de combustível.
Durante a reforma, o monóxido de carbono é produzido: CH4 + H2O → CO + 3 H2. Esse monóxido de carbono é posteriormente convertido em dióxido de carbono e mais hidrogênio: CO + H2O → CO2 + H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2 Traduz-se em: Metano + água = monóxido de carbono + dihidrogênio
CH4 + H2O = CO + H2 é uma reação de deslocamento duplo (metátese) em que um mol de metano [CH4] e um mol de água [H2O] reagem para formar um mol de monóxido de carbono [CO] e três moles de di-hidrogênio [H2]
No entanto, esse método de extração de hidrogênio não é ideal. Ele consome muita energia, exigindo vapor a um mínimo de 360°C. Além disso, o processo emite dióxido de carbono, um gás de efeito estufa que queremos reduzir.
Até encontrarmos maneiras eficientes de gerenciar esse dióxido de carbono, a reforma continua sendo um método ineficiente de produção de hidrogênio. Certamente não é ecologicamente correto. O hidrogênio produzido dessa forma é frequentemente chamado de “cinza” para diferenciá-lo do hidrogênio “verde”, ecologicamente correto.
Eletrólise: hidrogênio a partir da água
O hidrogênio também pode ser produzido a partir da água por meio da eletrólise, quebrando-a com o uso de tensão elétrica. Os métodos atuais têm uma eficiência de cerca de 70 a 80%. Para produzir um quilograma de hidrogênio (fornecendo cerca de 40 quilowatts-hora), são necessários aproximadamente 50 a 55 quilowatts-hora de energia elétrica.
Novamente, se a fonte de energia for à base de carvão, petróleo ou gás, o hidrogênio resultante não será ecologicamente correto. Apesar do rápido crescimento das fontes de energia renováveis nas últimas décadas, apenas cerca de 1% da produção de hidrogênio é ecológica. Um número impressionante de 95% da produção global de hidrogênio vem da reforma do gás natural ou do petróleo.
Leitores atentos podem notar os 4% restantes da produção. Esse hidrogênio vem de outras fontes, muitas vezes não ecológicas. Alguns capturam dióxido de carbono (chamado de hidrogênio “azul”), outros usam energia nuclear (às vezes chamado de “roxo” ou “rosa”) e um tipo raro vem de depósitos que acompanham as reservas de gás natural (às vezes chamado de “ouro”).
O dilema do ovo e da galinha: consumidores e infraestrutura
Voltando ao hidrogênio produzido por eletrólise, restam menos obstáculos para produzir hidrogênio “verde” usando fontes de energia renováveis, como solar ou eólica.
Independentemente de a produção e a instalação de células solares serem apoiadas ou de as emissões de dióxido de carbono serem taxadas, até 2050,a previsão é de que a energia solar seja a fonte de energia dominante, de acordo com analistas que publicaram recentemente suas descobertas na “Nature Communications”. Essa transição pode ser acelerada pela adaptação das redes de energia à produção descentralizada e pelo investimento em armazenamento de energia.
No entanto, há um problema. Como Keith Wipke, líder do projeto de células de combustível do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA, disse à revista “Science”, o hidrogênio como combustível enfrenta o problema do “ovo e da galinha”. A produção não será ampliada sem consumidores, e os consumidores não surgirão sem um suprimento de hidrogênio estável e acessível.
Outros especialistas acrescentam – e essa é a parte esperançosa – que o mesmo aconteceu com a energia renovável. Inicialmente escassa e cara, ela se tornou mais barata com o aumento da produção, atraindo mais compradores.
De qualquer forma, é assim que o mercado livre funciona. Às vezes, porém, ele precisa de um empurrãozinho.
EUA investem bilhões em hidrogênio
Os Estados Unidos planejam fazer exatamente isso. Em 13 de outubro de 2023, o governo de Joe Biden anunciou um investimento de US$ 7 bilhões para construir sete “hubs” regionais de hidrogênio, principalmente para o transporte rodoviário de carga, já que os caminhões são difíceis de eletrificar.
O hidrogênio também poderia alimentar setores com uso intensivo de energia, como a produção de fertilizantes e aço. Financiados pelo Departamento de Energia, esses centros têm como objetivo fazer a transição da reforma. Eles conectarão produtores e consumidores de hidrogênio e apoiarão o desenvolvimento de infraestrutura, como tubulações e tanques.
Assista e aprenda sobre a produção de hidrogênio limpo e verde para ajudar a descarbonizar nosso mundo. Jim Leidel DTE Gas james.leidel@DTEenergy.com
O governo Biden tem outro objetivo em mente. As instalações de produção industrial de hidrogênio são caras, e a entrega do equipamento leva de dois a três anos. O aumento da demanda de hidrogênio deve reduzir os preços e melhorar a disponibilidade. Além disso, os residentes que moram perto das principais rodovias, que transportam a maioria das mercadorias nos EUA, devem se beneficiar da redução das emissões.
No entanto, o plano não é perfeito. Nem todos os centros produzirão hidrogênio por meio de eletrólise. Os que estiverem longe do litoral o obterão por meio da reforma do metano, capturando o dióxido de carbono resultante. Isso significa que o hidrogênio não será “verde”, mas “azul”, o que gera preocupações entre cientistas e ambientalistas. O metano, que frequentemente vaza das instalações, é um gás de efeito estufa muito mais potente do que o dióxido de carbono.
As isenções fiscais apoiarão apenas os produtores de hidrogênio ecologicamente corretos (verde e azul). Os analistas acreditam que isso poderia empurrar o preço do hidrogênio ecológico para menos de um dólar por quilograma, tornando o hidrogênio não ecológico (proveniente da reforma sem captura de CO2) mais caro e obsoleto.
A assessoria de imprensa da Casa Branca estima que o programa inteiro atrairá US$ 40 bilhões em investimentos e criará dezenas de milhares de empregos.
Hidrogênio: combustível de alta pressão
O hidrogênio ecológico pode ser o combustível do futuro próximo. Em meados deste século, a maior parte da energia provavelmente virá de fontes renováveis, o que torna o hidrogênio um combustível ecologicamente correto em potencial.
O hidrogênio tem a maior relação energia/peso de todos os combustíveis. Somente os combustíveis nucleares contêm mais energia por unidade de peso.
No entanto, ele tem suas desvantagens. Embora um quilograma de hidrogênio contenha cerca de 40 quilowatts-hora de energia, ele ocupa 11 metros cúbicos. Para tornar o hidrogênio prático como combustível, ele precisa ser armazenado sob pressão.
Isso introduz outro problema: a compressão do gás consome uma quantidade significativa de energia. Os veículos movidos a hidrogênio normalmente usam pressões de 350 bars (35 megapascals) ou até o dobro. Essa pressão é muito maior do que a de outros gases (por exemplo, os tanques de GLP têm cerca de 4 bar), o que exige medidas de segurança melhores.
Os tanques projetados para altas pressões geralmente pesam muito mais do que o hidrogênio que contêm (normalmente, apenas cerca de 5 a 6% do peso total é o gás). No entanto, a física não pode ser ignorada: um quilograma de hidrogênio queimado fornece 40 kWh de energia, enquanto os combustíveis líquidos, como gasolina e diesel, oferecem quase quatro vezes menos, cerca de 12 kWh.
Hidrogênio de… Pó?
Há outro método que vale a pena mencionar.
Anos atrás, descobriu-se que o gálio forma uma liga com o alumínio (AlGa). Extremamente frágil, é praticamente inútil. Curiosamente, é proibido transportar gálio em um avião devido aos possíveis danos que ele poderia causar ao entrar em contato com o casco de alumínio.
Entretanto, essa liga tem uma propriedade exclusiva. Normalmente, o alumínio não reage com a água devido a uma camada de óxido em sua superfície. O gálio impede a formação dessa camada, permitindo que o alumínio reaja com a água, produzindo hidróxido de alumínio e hidrogênio. Em 2022, cientistas da Universidade da Califórnia, Santa Cruz (UCSC), refinaram esse método, determinando as melhores proporções de alumínio e gálio e moendo as partículas da liga. Eles ficaram entusiasmados ao ver “bolhas de hidrogênio surgindo como loucas”.
O alumínio é um elemento comum, e o hidróxido de alumínio resultante se decompõe a 180°C em alumínio e água. Embora o gálio seja mais raro e mais caro, ele não participa da reação e pode ser facilmente recuperado. A água para essa reação pode vir de qualquer fonte, até mesmo de águas residuais.
Isso poderia tornar o hidrogênio mais barato e mais acessível? Os cientistas da UCSC, que patentearam esse método no ano passado, certamente esperam que sim.
Não está totalmente fora de cogitação que um dia possamos despejar água em nossos tanques, onde, em reação com grânulos de alumínio, o hidrogênio se formará e alimentará o motor. Os cientistas da Universidade de Purdue propuseram uma ideia semelhante em 2007 (e também a patentearam).
Conclusão:
O potencial do hidrogênio como fonte de combustível limpo é evidente, mas ainda há desafios em sua produção, armazenamento e distribuição. Embora os EUA e outras nações estejam investindo pesadamente em infraestrutura e pesquisa de hidrogênio, a transição para uma economia de hidrogênio exigirá inovação contínua e adaptação ao mercado.
PERGUNTAS FREQUENTES:
- Qual é o principal desafio do hidrogênio como combustível?
- O principal desafio é o abastecimento, pois as reservas de hidrogênio da Terra são limitadas.
- Como o hidrogênio “sujo” é produzido?
- Ele é derivado do metano ou de outros hidrocarbonetos por meio de um processo chamado reforma, que emite dióxido de carbono.
- Qual é a diferença entre o hidrogênio “verde” e o “cinza”?
- O hidrogênio “verde” é ecologicamente correto, geralmente produzido por eletrólise usando energia renovável. O hidrogênio “cinza” é produzido por meio de métodos que não são ecologicamente corretos, como a reforma.
- Por que os EUA estão investindo em hidrogênio?
- Os EUA veem o hidrogênio como uma potencial fonte de energia limpa, especialmente para setores difíceis de eletrificar, como o de caminhões. O investimento do governo Biden visa aumentar a produção de hidrogênio, reduzir custos e criar empregos.
- Quais são os desafios do armazenamento de hidrogênio?
- O hidrogênio precisa ser armazenado sob alta pressão, o que requer energia. Os tanques projetados para esse fim são pesados, muitas vezes superando o peso do hidrogênio que contêm.
