| Bem vindo, hoje é Domingo, dia 14 de Março de 2010 |
|  Hidrógenio O que é o hidrogénio? A Sociedade do Hidrogénio e as Vantagens Ambientais Produção Energética Métodos de Produção do Hidrogénio Sistemas de Armazenamento do Hidrogénio Libertando a Energia Acumulada Segurança no Hidrogénio O que é o hidrogénio? O hidrogénio é o elemento químico mais simples, mais leve, mais pequeno e o mais abundante no Universo. Em condições normais de pressão e temperatura, o hidrogénio é um gás não tóxico, inflamável, incolor e inodoro. Uma molécula de hidrogénio, de fórmula H2, é composta por dois átomos de hidrogénio, cada um com um electrão (carga eléctrica negativa) e um protão (carga eléctrica positiva). A Energia Solar que aquece a Terra vem da fusão nuclear dos átomos de hidrogénio que formam a maior parte da massa do Sol. Na Terra o hidrogénio é abundante, mas não na sua forma molecular. Como as moléculas de hidrogénio são muito leves, escapam com facilidade da atmosfera terrestre para o espaço. Assim, o hidrogénio surge na Terra quase sempre combinado com outros elementos, como é o caso da água nos Oceanos, onde o hidrogénio representa cerca de 70% dos átomos presentes. Também o gás natural, o petróleo, o carvão e a biomassa são ricos em hidrogénio. O hidrogénio tem sido utilizado, até hoje, na indústria química, nas refinarias e como combustível nas naves espaciais. NOTA: O hidrogénio não é uma fonte de energia primária, mas sim um vector energético - um portador de energia. A grande vantagem do hidrogénio como vector energético é a eficiência com que se consegue transformar a energia por ele contida noutra forma de energia, por exemplo em electricidade. A energia contida num kg de hidrogénio é três vezes maior do que a energia contida num kg de gasolina.
A Sociedade do Hidrogénio e as Vantagens Ambientais Em todo o mundo a procura de energia continua a aumentar e as legítimas expectativas de melhoria das condições de vida das regiões menos favorecidas vão em muito potenciar este aumento. Este consumo de energia, de origem maioritariamente fóssil, está não só a poluir o nosso planeta, como a contribuir para o aquecimento global. Como é que podemos dar resposta a este aumento de procura de uma forma responsável e segura? A solução passa pela poupança de energia e pela adopção de sistemas energéticos sustentáveis e descentralizados. As energias renováveis, como a solar ou a eólica, são intermitentes e o armazenamento da electricidade em baterias é viável apenas como suporte. No entanto, a electricidade gerada pelas energias renováveis pode ser utilizada na produção de hidrogénio através da electrólise da água. Este vector energético pode ser armazenado e convertido em electricidade, por exemplo numa Pilha de Combustível, sempre que necessário. Uma das vantagens do hidrogénio prende-se com o facto deste poder ser produzido a partir de uma grande variedade de recursos, logo cada região escolherá a combinação que mais lhe convier. A produção de energia passará a ser descentralizada e a actual dependência dos países produtores de petróleo terminará. As ilhas e as regiões remotas têm até à data uma dependência crítica da importação de combustíveis fósseis. Com os seus numerosos recursos endógenos, estes locais virão por certo a estar na vanguarda da transição para a Sociedade do hidrogénio. A transição para a Sociedade do hidrogénio vai durar algumas décadas. Um longo percurso tem que ser percorrido entre a actual economia baseada em combustíveis fósseis e uma economia baseada no hidrogénio, mas com os custos de produção a diminuir e a eficiência dos sistemas a aumentar, já não está longe o dia em que as Pilhas de Combustível e os novos sistemas de queima com co-geração competirão com os métodos convencionais de geração de electricidade.  Figura adaptada de “Delivering the Power of Hydrogen”, por Stuart Energy A transição para este sistema energético isento de emissões de gases nocivos e de CO2 levará a uma diminuição drástica da poluição do ar, das chuvas ácidas, dos derrames de petróleo e dos gases responsáveis pelo efeito de estufa, resultando numa melhoria evidente da qualidade de vida na Terra.
Produção Energética  Esquema adaptado de “Energy through Hydrogen”, por Averil Macdonald e Martyn Berry
Métodos de Produção do Hidrogénio Todos os métodos de produção de hidrogénio têm como base a separação deste das matérias-primas que o contêm. É a matéria-prima que dita o método de separação a aplicar. Cerca de 95% do hidrogénio produzido na Europa, o equivalente a 8 milhões de toneladas anuais, é produzido fazendo reagir vapor de alta temperatura com carvão ou gás natural, dois combustíveis fósseis que se vão esgotar um dia. Estas reacções para além de produzirem hidrogénio também produzem dióxido de carbono, um gás que contribui para o aquecimento global. Quando é necessário hidrogénio de maior pureza, é comum recorrer-se a um processo electroquímico, chamado electrólise, onde o hidrogénio é produzido a partir da água. Neste processo faz-se passar uma corrente eléctrica pela água e, na presença de eléctrodos que permitem a transferência de electrões, separa-se a água em oxigénio e hidrogénio, sem qualquer emissão de gases poluentes. A obtenção de hidrogénio por electrólise da água é uma alternativa viável e limpa à tecnologia dominante actualmente. No entanto, a electricidade é cara e muitas vezes é também gerada a partir de combustíveis fósseis. As energias renováveis, como a solar, a hidroeléctrica, a eólica, a energia das ondas, etc. podem ser utilizadas na geração de electricidade. Quando a utilização destas fontes alternativas for generalizada o preço da electricidade irá baixar e a electrólise passará a ser o meio mais económico de produção de hidrogénio. Os processos mais relevantes na produção do Hidrogénio
Electrólise da água utilizando a tecnologia PEM (Proton Exchange Membrane)  Um electrolisador PEM é constituído por dois eléctrodos, o ânodo e o cátodo , separados por um electrólito – uma membrana sólida de permuta protónica. No ânodo, que num electrolisador é eléctrodo positivo, ocorre a reacção de oxidação da água, ou seja, a água perde electrões, dando origem à formação de oxigénio, e à libertação de protões H+: 2H2O ? O2 + 4H+ + 4e- No eléctrodo negativo, o cátodo, ocorre a redução: os protões são retirados do electrólito e combinados com os electrões livres fornecidos pela fonte externa de electricidade, formando-se assim moléculas de hidrogénio: 4H+ + 4e- ? 2H2 1O cátodo é sempre o eléctrodo para onde os electrões se deslocam. O ânodo é eléctrodo de onde os electrões partem.
O armazenamento é considerado por muitos o calcanhar de Aquiles no caminho da Sociedade do Hidrogénio. Os problemas de armazenamento do hidrogénio resultam de algumas das suas características físico-químicas: o hidrogénio tem um teor muito baixo de energia em volume necessitando de grandes reservatórios e, como é uma molécula muito pequena e energética, tem a capacidade de se infiltrar na estrutura do material que o contém, enfraquecendo-o e gerando fugas (o chamado embrittlement). A baixa densidade volúmica de energia dificulta o armazenamento das quantidades adequadas à maioria das aplicações em espaços razoavelmente pequenos. Por exemplo, 1kg de hidrogénio armazenado a uma pressão de 15MPa (150bar) num típico cilindro de laboratório ocupa 91,2l. Uns meros 8,2l de gasolina fornecem a mesma energia. Actualmente existem três opções base no que diz respeito ao armazenamento do hidrogénio: • o hidrogénio pode ser comprimido e armazenado num tanque de alta pressão • o hidrogénio pode ser arrefecido até atingir o estado líquido e armazenado em tanques devidamente isolados • o hidrogénio pode ser armazenado em materiais ou substâncias. Gás Comprimido O armazenamento sob a forma de gás requer tanques de alta pressão - actualmente já existem tanques que suportam pressões da ordem dos 35 a 70MPa (350 a 700bar). Este tipo de armazenamento é utilizado, com sucesso, há vários anos. Para aplicações estacionárias, onde o peso e o volume não são problemas, esta é uma boa solução. O hidrogénio pode ser pressurizado por compressão ou ser produzido logo à partida sob pressão num electrolisador e armazenado em seguida. A energia gasta na compressão do hidrogénio corresponde a cerca de 10% da energia do hidrogénio armazenado. Hidrogénio Líquido Como a temperatura de ebulição do hidrogénio à pressão de uma atmosfera é de -252.8ºC, o armazenamento deste sob a forma de líquido requer temperaturas criogénicas. Este tipo de armazenamento é particularmente interessante para o transporte a grandes distâncias e é actualmente utilizado na maioria dos voos espaciais. Existe uma vasta experiência acumulada no que respeita o uso e o manuseamento do hidrogénio líquido. Para arrefecer o hidrogénio à temperatura de liquefacção é gasta 30 a 40% da energia contida no combustível armazenado. Hoje em dia as tecnologias de armazenamento de hidrogénio em líquido ou gás comprimido são as mais disseminadas e as mais económicas. Armazenamento em Materiais Hidretos metálicos Certos metais e certas ligas metálicas têm a capacidade de absorver hidrogénio a temperaturas e pressões moderadas criando hidretos - um hidreto é um composto que contém hidrogénio e um ou mais outros elementos. Na absorção, o hidrogénio é dissociado em átomos e esses átomos são incorporados na estrutura do sólido metálico. Um destes sistemas de armazenamento contém, para além do metal granular que absorve o hidrogénio como uma esponja absorve água, um sistema de manipulação da temperatura. O sistema de manipulação da temperatura permite arrefecer o reservatório quando o hidrogénio é armazenado e aquecê-lo quando o hidrogénio é libertado. Estes reservatórios são considerados muito seguros, pois, em caso de perfuração acidental, a perca de pressão no interior resulta num abaixamento da temperatura, o que pára o vazamento do hidrogénio. Existem vários hidretos metálicos no mercado e estes são uma boa solução quando o factor peso não é relevante. Nanoestruturas de Carbono Certas estruturas de carbono, muito pequenas, mas com grande área de superfície, como as nanofibras e dos nanotubos de carbono, têm uma grande capacidade de adsorver hidrogénio. Na adsorção o hidrogénio, na sua forma molecular ou atómica, liga-se à superfície do material. Tanto os hidretos metálicos como as nanoestruturas de carbono permitem um enchimento mais rápido e mais económico, mas o custo dos materiais usados faz com que estes reservatórios sejam ainda muito caros. Armazenamento químico O hidrogénio pode também ser armazenado fazendo reagir materiais que o contêm com água ou outros compostos (como os álcoois). Neste caso, o hidrogénio é armazenado nos materiais e na água. Os termos “armazenamento químico” ou “hidreto químico” são utilizados para descrever esta forma de armazenamento. Armazenamento de Grandes Quantidades Poder-se-á vir a recorrer a formações geológicas subterrâneas para o armazenamento de hidrogénio em grandes quantidades. Em algumas regiões certas formações geológicas naturais, como salinas subterrâneas e aquíferos, podem vir a ser utilizados, enquanto noutras poder-se-á vir a recorrer a cavernas construídas para o efeito. Este tipo de armazenamento é actualmente utilizado para o gás natural, mas as propriedades do hidrogénio são outras (por exemplo, as moléculas do hidrogénio são bem mais pequenas) e é necessário averiguar até que ponto o recurso a armazenamento geológico é viável neste caso. Desafios Relativos ao Armazenamento de Hidrogénio: • Peso e Volume. O peso e o volume dos sistemas de armazenamento actuais são muito elevados e constituem um problema nas aplicações práticas.Transporte e Distribuição do Hidrogénio Para a disseminação do hidrogénio como combustível é necessário construir uma infra-estrutura que permita movê-lo do local de produção até às estações de abastecimento e centrais de produção de energia. Esta infra-estrutura poderá vir a incluir condutas, camiões, vagões, navios e postos de abastecimento de hidrogénio, bem como todo o equipamento necessário para o carregar e descarregar. Existem várias empresas no mercado americano e europeu que distribuem hidrogénio em quantidades razoáveis para processos industriais, mas as infra-estruturas por elas utilizadas não são suficientes para servir de base ao consumo generalizado de hidrogénio enquanto combustível. Como o hidrogénio tem uma baixa densidade volúmica de energia, o seu transporte, armazenamento e distribuição até ao ponto de utilização implicam custos acrescidos e são um factor de ineficiência energética. A escolha da estratégia de produção de hidrogénio irá afectar muito os custos e a escolha do método de distribuição. Os desafios à distribuição do hidrogénio incluem a redução dos custos associados, o aumento da eficiência dos sistemas, a capacidade destes assegurarem a pureza do hidrogénio e a minimização da ocorrência de fugas. É necessária mais investigação nesta área para que se determine qual a melhor solução para um sistema combinado de produção e distribuição de hidrogénio. Construir um sistema global de distribuição de hidrogénio é um grande desafio, vai levar tempo e muito provavelmente irá incluir várias tecnologias. A solução ideal irá diferir de região para região e consoante o mercado em causa (urbano, rural, etc.). A tecnologia actual permite o transporte e distribuição do hidrogénio através de: • condutasA maioria das condutas existentes para a distribuição de hidrogénio pertencem a fabricantes de hidrogénio e estão localizadas junto dos grandes utilizadores, como é o caso das refinarias. Actualmente, transportar hidrogénio em condutas é dos métodos disponíveis o mais económico, mas, consequência do elevado investimento inicial necessário à sua construção, a expansão destas infra-estruturas tem sido limitada. Encontram-se em investigação vários aspectos técnicos relativos às condutas: como evitar o embrittlement, novos materiais, limitação das fugas, redução do custo, aumento do tempo de vida, etc. Uma das opções que permite expandir rapidamente a infra-estrutura de distribuição do hidrogénio é a adaptação de parte das condutas existentes para o gás natural. Outra possibilidade envolve a produção centralizada de um portador líquido de hidrogénio (hidreto químico), facilmente transportável em condutas até às estações de abastecimento, onde seria processado para a separação do hidrogénio. O etanol, produzido a partir de recursos renováveis é um dos portadores considerados. Camiões Cisterna, Vagões Cisterna e Navios Estes meios podem ser utilizados na distribuição de hidrogénio sob a forma de gás comprimido, hidrogénio líquido ou mesmo hidrogénio armazenado em materiais. Para distâncias curtas é possível transportar hidrogénio em gás, mas para longas distâncias o comum é transportar hidrogénio líquido.
O hidrogénio pode ser utilizado para gerar energia em motores de combustão interna ou em Pilhas de Combustível (PC) e ambos os casos permitem a cogeração de calor. A sua utilização em PC é preferencial, pois estas, sendo electroquímicas, são 2 a 3 vezes mais eficientes do que os motores, mais silenciosas e dão origem a muito poucas ou nenhumas emissões poluentes. Actualmente as PC são ainda muito caras e é necessária mais investigação no sentido de aumentar a sua durabilidade e reduzir os seus custos. Na transição para a Sociedade do Hidrogénio, este poderá vir a ser inicialmente utilizado sobretudo em motores de combustão interna visto que a combustão do hidrogénio é muito mais limpa e eficiente que a da gasolina. Pilhas de Combustível As PC são sistemas electroquímicos que permitem a conversão de energia química de uma substância hidrogenada em energia eléctrica. Uma PC consiste num empilhamento de células de combustível ligadas em série. Cada uma das células de combustível é constituída por um ânodo (eléctrodo negativo) onde é injectado o combustível e um cátodo (eléctrodo positivo) onde se injecta o oxidante; os dois eléctrodos são separados por um electrólito – um condutor iónico. Uma PC que funcione a hidrogénio faz exactamente o trabalho inverso de um electrolisador: o hidrogénio e o oxigénio combinam-se numa reacção electroquímica catalizada, produzindo água pura, calor e electricidade. As PC não acumulam energia eléctrica, mas sim produzem-na de forma contínua desde que sejam alimentadas por um combustível e um oxidante (normalmente oxigénio ou ar). O combustível é sempre uma substância hidrogenada, como é o caso do hidrogénio, gás natural, derivados do carvão, etanol, metanol, gases com metano, gasolinas, gasóleos, etc. Existem vários tipos de PC que diferem entre si no electrólito usado e na temperatura de funcionamento. As várias tecnologias estão em diferentes estados de desenvolvimento, possuem diferentes características e têm campos de aplicações distintos. Todas os tipos de PC estão hoje em dia em fase de pré-comercialização, ou seja, em investigação e demonstração das suas potencialidades, mas, de todos eles, os que actualmente se afiguram como potenciais pioneiros de uma penetração expressiva no mercado são os tipos AFC e PEMFC. Existem numerosas aplicações potenciais para as PC (dada a diversidade de tecnologias existentes) abrangendo quase todas as áreas que necessitam de um fornecimento regular de energia. Características das PC
Tabela adaptada de “Fuel Cell Systems Explained”, por James Larmine e Andrew Dicks Alguns nichos de mercado das PC
Tabela adaptada de “Fuel Cell Systems Explained”, por James Larmine e Andrew Dicks Funcionamento de uma Célula de Combustível PEM (Proton Exchange Membrane) Uma célula de combustível PEM é formada por dois eléctrodos, o ânodo e o cátodo, separados por um electrólito – uma membrana sólida de permuta protónica. No ânodo ocorre a reacção de oxidação do hidrogénio, ou seja, o hidrogénio perde electrões, formando protões H+:
2H2 -> 4H+ + 4e- Os electrões libertados pelo hidrogénio passam do ânodo para o cátodo através de um circuito externo e produzem electricidade. No cátodo ocorre a reacção de redução: os protões H+ são retirados do electrólito e combinados com o oxigénio do ar e com os electrões provenientes do ânodo, formando-se assim moléculas de água:
O2 + 4e- + 4H+ -> 2H2O Como cada uma destas células de combustível gera apenas aproximadamente 1V(DC). Para se obterem maiores voltagens é necessário ligar as células individuais em série, construindo-se assim uma pilha. Empilhamento em Série de Células de Combustível PEM
A Segurança do Hidrogénio O hidrogénio pode ser manipulado em segurança desde que se cumpram certas regras e que o utilizador entenda o seu comportamento. Como todos os combustíveis, o hidrogénio é uma substância que contém energia e tem que ser manipulada de forma adequada. O hidrogénio é considerado tão seguro como outros combustíveis normalmente utilizados. O hidrogénio é mais leve que o ar e difunde-se rapidamente (3,8 vezes mais rapidamente do que o gás natural), o que significa que em situação de fuga ele se dilui no ar em poucos instantes. Esta característica faz com que concentrações potencialmente inflamáveis deixam de existir passado pouco tempo. O hidrogénio ascende no ar a uma velocidade de 20m/s, que corresponde a 2 vezes a velocidade de ascensão do hélio e 6 vezes a do gás natural. Como é o elemento mais leve no universo, manter o hidrogénio confinado é muito difícil. Esta propriedade é tida em consideração aquando do desenho de estruturas onde o hidrogénio vai ser utilizado. O design escolhido procura sempre que no caso de fuga o gás se escape para cima e para longe to utilizador. O hidrogénio, é inodoro, incolor e não tem sabor, logo a maioria dos sentidos do ser humano não podem ajudar na detecção de uma fuga. Por esta razão são muitas vezes utilizados sensores na detecção das fugas e, até à data, têm-se conseguido resultados recorde em termos de segurança, com muito poucos incidentes a relatar mas últimas décadas. No caso do gás natural, que é também inodoro, incolor e sem sabor, é normal adicionar-se-lhe um odorante que permite a sua detecção pelos seres humanos. Actualmente ainda não se conhecem odorantes que possam vir a ser utilizados com o hidrogénio, visto que a sua utilização contamina as pilhas de combustível. Estão, presentemente, a ser desenvolvidos outros métodos e sensores mais avançados para a detecção do hidrogénio. A chama do hidrogénio radia pouco. Um incêndio alimentado por hidrogénio radia significativamente menos calor do que um incêndio alimentado por hidrocarbonetos. Como o aquecimento para além da zona da chama não é muito, o risco de um incêndio secundário é baixo. Uma explosão não é passível de ocorrer num tanque ou em qualquer outro local que contenha apenas hidrogénio. É necessária a presença de um oxidante, como o oxigénio, para que tal ocorra. Como o hidrogénio se eleva muito rapidamente no ar, a probabilidade de ocorrência de uma explosão numa fuga ao ar livre ou em locais bem arejados é baixa. Risco de asfixia. Com excepção do oxigénio, qualquer gás pode causar asfixia. Na maioria dos cenários, a grande difusibilidade do hidrogénio faz com que uma atmosfera asfixiante seja pouco provável. Toxicidade. O hidrogénio não é tóxico nem venenoso. Não contamina a água, nem a sua libertação contribui para a poluição atmosférica. Normalização do uso do hidrogénio. A existência de códigos e standards ajudam a práticas seguras. Hoje em dia já existe legislação em vigor que normaliza a utilização do hidrogénio, mas mais trabalho deverá ser feito nesta área se a utilização do hidrogénio se vier a generalizar.  “...creio que (...) um dia (...) o hidrogénio e o oxigénio (...), utilizados isoladamente ou em simultâneo, vão constituir uma fonte de calor e luz inesgotável, de uma intensidade de que o carvão não é capaz…” Júlio Verne, in "A Ilha Misteriosa",1874 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
