Pedeorelha | Como funciona a economia do hidrogênio

Joseph Norman
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Tubos de vapor na Estação Geradora Geotérmica Wairakei.

Parece que todos os dias há um novo anúncio no noticiário sobre automóveis movidos a células de combustível. As promessas são tentadoras, uma vez que as células de combustível têm o potencial de dobrar rapidamente a eficiência dos carros ao mesmo tempo que reduzem significativamente a poluição do ar.

Ao mesmo tempo, há décadas existem notícias sobre os problemas associados ao petróleo. Tudo, desde derramamentos de óleo a alertas de ozônio e aquecimento global, é atribuído à nossa dependência de combustíveis fósseis.

Essas duas forças estão conduzindo o mundo em direção ao que é amplamente conhecido como o economia de hidrogênio. Se as previsões forem verdadeiras, nas próximas décadas todos começaremos a ver uma mudança surpreendente da economia de combustível fóssil que temos hoje em direção a um futuro de hidrogênio muito mais limpo.

Teste de célula de combustível
-Como funcionam as células de combustível
Curiosity Project: Materials Science Pictures

A sociedade pode realmente fazer essa mudança, ou as barreiras tecnológicas, econômicas e políticas nos manterão presos ao petróleo e outros combustíveis fósseis no próximo século e além? Neste artigo, você aprenderá sobre os benefícios de uma economia de hidrogênio, juntamente com seus problemas potenciais. Também examinaremos algumas das tecnologias que tornariam a transição possível.

Atualmente, os Estados Unidos e a maior parte do mundo estão presos no que poderia ser chamado de economia de combustível fóssil. Nossos automóveis, trens e aviões são abastecidos quase exclusivamente por derivados de petróleo, como gasolina e diesel. Uma grande porcentagem de nossas usinas usam petróleo, gás natural e carvão como combustível.

Se o fluxo de combustíveis fósseis para os Estados Unidos algum dia fosse interrompido, a economia pararia. Não haveria como transportar os produtos que as fábricas produzem. Não haveria como as pessoas dirigirem para o trabalho. Toda a economia e, de fato, toda a sociedade ocidental, atualmente depende de combustíveis fósseis.

Embora os combustíveis fósseis tenham desempenhado um papel importante em levar a sociedade ao ponto que é hoje, existem quatro grandes problemas que os combustíveis fósseis criam:

Poluição do ar - Quando os carros queimam gasolina, o ideal é que eles a queimem perfeitamente e não criem nada além de dióxido de carbono e água em seu escapamento. Infelizmente, o motor de combustão interna não é perfeito. No processo de queima da gasolina, também produz:

Monóxido de carbono, um gás venenoso
Óxidos de nitrogênio, a principal fonte de poluição urbana
Hidrocarbonetos não queimados, a principal fonte de ozônio urbano

Os conversores catalíticos eliminam grande parte dessa poluição, mas não são perfeitos. A poluição do ar por carros e usinas de energia é um problema real nas grandes cidades.

Já é ruim o suficiente agora que, no verão, muitas cidades têm níveis perigosos de ozônio no ar.

Poluição ambiental - O processo de transporte e armazenamento de petróleo tem um grande impacto no meio ambiente sempre que algo dá errado.

Superpetroleiros carregados de petróleo na Arábia Saudita

Um derramamento de óleo, explosão de oleoduto ou incêndio em um poço podem criar uma grande confusão. O derramamento do Exxon Valdez é o exemplo mais conhecido do problema, mas pequenos derramamentos acontecem constantemente.

Aquecimento global - Quando você queima um galão de gasolina em seu carro, emite cerca de 2,3 kg de carbono na atmosfera. Se fosse carbono sólido, seria extremamente perceptível - seria como jogar um saco de 5 libras de açúcar pela janela de seu carro para cada galão de gás queimado. Mas, como os 2,5 quilos de carbono saem como um gás invisível, o dióxido de carbono, a maioria de nós não percebe isso. O dióxido de carbono que sai do tubo de escape de cada carro é um gás de efeito estufa que está aumentando lentamente a temperatura do planeta. Os efeitos finais são desconhecidos, mas há uma forte possibilidade de que, eventualmente, haja mudanças climáticas dramáticas que afetem a todos no planeta. Por exemplo, se as calotas polares derreterem, o nível do mar aumentará significativamente, inundando e destruindo todas as cidades costeiras existentes hoje. Esse é um grande efeito colateral.

Dependência - Os Estados Unidos, e a maioria dos outros países, não podem produzir petróleo suficiente para atender à demanda, por isso importam de países ricos em petróleo. Isso cria uma dependência econômica. Quando os produtores de petróleo do Oriente Médio decidem aumentar o preço do petróleo, o resto do mundo não tem escolha a não ser pagar o preço mais alto.

Na seção anterior, vimos os problemas mundiais significativos criados pelos combustíveis fósseis. A economia do hidrogênio promete eliminar todos os problemas que a economia dos combustíveis fósseis cria. Portanto, as vantagens da economia do hidrogênio incluem:

A eliminação da poluição causada por combustíveis fósseis - Quando o hidrogênio é usado em uma célula de combustível para criar energia, é uma tecnologia completamente limpa. O único subproduto é a água. Também não há perigos ambientais como derramamentos de óleo para se preocupar com o hidrogênio.
A eliminação dos gases de efeito estufa - Se o hidrogênio vem da eletrólise da água, o hidrogênio não adiciona gases de efeito estufa ao meio ambiente. Existe um ciclo perfeito - a eletrólise produz hidrogênio a partir da água, e o hidrogênio se recombina com o oxigênio para criar água e energia em uma célula de combustível.
A eliminação da dependência econômica - A eliminação do petróleo significa ausência de dependência do Oriente Médio e de suas reservas de petróleo.
Produção distribuída - O hidrogênio pode ser produzido em qualquer lugar onde haja eletricidade e água. As pessoas podem até mesmo produzi-lo em suas casas com tecnologia relativamente simples.

Os problemas com a economia de combustível fóssil são tão grandes, e as vantagens ambientais da economia de hidrogênio tão significativas, que o impulso em direção à economia de hidrogênio é muito forte.

Você sabia?
Os sensores que detectam possíveis vazamentos em um motor de combustão interna movido a hidrogênio foram desenvolvidos pela NASA para detectar vazamentos de hidrogênio durante os lançamentos do ônibus espacial. Saiba mais sobre outras inovações da NASA nesta animação interativa de Discovery Channel.

A grande questão com a economia do hidrogênio é: "De onde vem o hidrogênio?" Depois vem a questão do transporte, distribuição e armazenamento do hidrogênio. O hidrogênio tende a ser volumoso e complicado em sua forma gasosa natural.

Assim que ambas as perguntas forem respondidas de forma econômica, a economia de hidrogênio estará em vigor.

Veremos cada uma dessas questões separadamente nas seções a seguir.

-Um dos problemas mais interessantes com a economia do hidrogênio é o próprio hidrogênio. de onde isso virá? Com a economia de combustível fóssil, você simplesmente bombeia o combustível fóssil do solo (consulte Como funciona a perfuração de petróleo) e o refina (consulte -Como funciona o refino de petróleo). Então você o queima como uma fonte de energia.

A maioria de nós considera o petróleo, a gasolina, o carvão e o gás natural garantidos, mas eles são realmente milagrosos. Esses combustíveis fósseis representam energia solar armazenada de milhões de anos atrás. Milhões de anos atrás, as plantas cresciam usando energia solar para impulsionar seu crescimento. Eles morreram e eventualmente se transformaram em petróleo, carvão e gás natural. Quando bombeamos óleo do solo, acessamos aquele enorme depósito de energia solar "de graça". Sempre que queimamos um galão de gasolina, liberamos a energia solar armazenada.

Na economia do hidrogênio, não há depósito para explorar. Temos que realmente criar a e-nergy em tempo real.

Existem duas fontes possíveis para o hidrogênio:

Eletrólise de água - Usando eletricidade, é fácil dividir as moléculas de água para criar hidrogênio e oxigênio puros. Uma grande vantagem desse processo é que você pode fazer em qualquer lugar. Por exemplo, você poderia ter uma caixa em sua garagem produzindo hidrogênio a partir da água da torneira e abastecer seu carro com esse hidrogênio.
Reforma dos combustíveis fósseis - O petróleo e o gás natural contêm hidrocarbonetos - moléculas que consistem em hidrogênio e carbono. Usando um dispositivo chamado processador de combustível ou reformador, você pode separar o hidrogênio do carbono em um hidrocarboneto com relativa facilidade e então usar o hidrogênio. Você descarta o carbono restante para a atmosfera como dióxido de carbono.

-A segunda opção é, obviamente, ligeiramente perversa. Você está usando combustível fóssil como fonte de hidrogênio para a economia de hidrogênio. Essa abordagem reduz a poluição do ar, mas não resolve o problema dos gases do efeito estufa (porque ainda há carbono indo para a atmosfera) ou o problema da dependência (você ainda precisa do petróleo). No entanto, pode ser uma boa medida temporária a ser tomada durante a transição para a economia do hidrogênio. Quando você ouve falar de "veículos movidos a célula de combustível" sendo desenvolvidos pelas montadoras agora, quase todas planejam obter o hidrogênio para as células de combustível da gasolina usando um reformador. A razão é porque a gasolina é uma fonte de hidrogênio facilmente disponível. Até que haja "estações de hidrogênio" em cada esquina, como temos agora, esta é a maneira mais fácil de obter hidrogênio para alimentar a célula de combustível de um veículo.

O interessante sobre a primeira opção é que ela é o cerne da economia real do hidrogênio. Ter um economia de hidrogênio puro, o hidrogênio deve ser derivado de fontes renováveis em vez de combustíveis fósseis, para que paremos de liberar carbono na atmosfera. Ter eletricidade suficiente para separar o hidrogênio da água e gerar essa eletricidade sem o uso de combustíveis fósseis será a maior mudança que vemos na criação da economia do hidrogênio.

A Bayswater Power Station (New South Wales, Austrália) cria eletricidade usando vapor pressurizado para operar turbogeradores.

De onde virá a eletricidade para a eletrólise da água? No momento, cerca de 68% (referência) da eletricidade produzida nos Estados Unidos vem do carvão ou do gás natural. Toda essa capacidade de geração terá que ser substituída por fontes renováveis na economia do hidrogênio. Além disso, toda a energia fóssil agora usada para transporte (em carros, caminhões, trens, barcos, aviões) terá que ser convertida em hidrogênio, e esse hidrogênio também será gerado com eletricidade. Ou seja, a capacidade de geração elétrica do país terá que dobrar para atender às demandas de transporte, e então tudo terá que se converter de combustíveis fósseis em fontes renováveis. Nesse ponto, e somente nesse ponto, o fluxo de carbono para a atmosfera irá parar.

No momento, existem várias maneiras diferentes de criar eletricidade que não use combustíveis fósseis:

Poder nuclear
Hidrelétricas
Células solares
Turbinas eólicas
Energia geotérmica
Força das ondas e marés
Cogeração (por exemplo, uma serraria pode queimar a casca para gerar energia, ou um aterro sanitário pode queimar o metano produzido pelo lixo em decomposição).

No sentido horário a partir do canto superior direito: Estação de energia elétrica solar; Usina nuclear; Barragem hidroelétrica; turbina de vento

Nos Estados Unidos, cerca de 20% da energia atualmente vem da energia nuclear e 7% vem da hidrelétrica. Solar, eólica, geotérmica e outras fontes geram apenas 5 por cento da energia - dificilmente o suficiente para importar.

No futuro, salvo algum avanço tecnológico, parece provável que uma de duas coisas acontecerá para criar a economia do hidrogênio: a capacidade de geração de energia solar ou nuclear aumentará dramaticamente. Vale lembrar que, em uma economia de hidrogênio puro, a capacidade de geração elétrica terá que dobrar aproximadamente porque toda a energia de transporte que atualmente vem do petróleo terá que ser substituída por hidrogênio gerado eletricamente. Portanto, o número de usinas de energia dobrará e todas as usinas de combustível fóssil serão substituídas.

O problema da geração elétrica é provavelmente a maior barreira para a economia do hidrogênio. Uma vez que a tecnologia seja refinada e se torne barata, os veículos de célula de combustível movidos a hidrogênio podem substituir os motores de combustão interna a gasolina ao longo de uma ou duas décadas. Mas mudar as usinas de energia para nuclear e solar pode não ser tão fácil. A energia nuclear tem problemas políticos e ambientais, e a energia solar atualmente tem problemas de custo e localização.

Aberto para negócios
Postos de abastecimento de hidrogênio já estão abertos em vários países, incluindo Estados Unidos, Islândia, Japão e Alemanha. Consulte FuelCells.org - Estações de abastecimento de hidrogênio em todo o mundo para encontrar uma estação de hidrogênio perto de você.

-No momento, o problema de colocar veículos a hidrogênio puro na estrada é o problema de armazenamento / transporte. O hidrogênio é um gás volumoso e não é tão fácil de trabalhar quanto a gasolina. A compressão do gás requer energia, e o hidrogênio comprimido contém muito menos energia do que o mesmo volume de gasolina. No entanto, soluções para o problema de armazenamento de hidrogênio estão surgindo.

Por exemplo, o hidrogênio pode ser armazenado em uma forma sólida em uma substância química chamada borohidreto de sódio, e essa tecnologia apareceu nas notícias recentemente porque a Chrysler a está testando. Este produto químico é criado a partir do bórax (um ingrediente comum em alguns detergentes). Conforme o borohidreto de sódio libera seu hidrogênio, ele se transforma novamente em bórax para que possa ser reciclado.

Uma vez que o problema de armazenamento seja resolvido e padronizado, uma rede de estações de hidrogênio e a infraestrutura de transporte terão que se desenvolver em torno dela. A principal barreira para isso pode ser o processo de classificação tecnológica. As estações não se desenvolverão rapidamente até que haja uma tecnologia de armazenamento que domine claramente o mercado. Por exemplo, se todos os carros movidos a hidrogênio de todos os fabricantes usassem borohidreto de sódio, uma rede de estações poderia se desenvolver rapidamente; aquele tipo de estandardização é improvável que aconteça rapidamente, se a história servir de guia.

Também pode haver um avanço tecnológico que pode mudar rapidamente o campo de jogo. Por exemplo, se alguém pudesse desenvolver uma bateria recarregável barata com alta capacidade e um tempo de recarga rápido, os carros elétricos não precisariam de células de combustível e não haveria necessidade de hidrogênio na estrada. Carros recarregariam usando eletricidade diretamente.

- Você ouvirá mais e mais sobre a economia do hidrogênio nas notícias nos próximos meses, porque a batida dos tambores está ficando mais alta. Os problemas ambientais da economia de combustível fóssil estão se combinando com avanços na tecnologia de células de combustível, e o emparelhamento nos permitirá dar os primeiros passos.

A etapa mais óbvia que veremos é o marketing de veículos movidos a célula de combustível. Embora sejam inicialmente movidos a gasolina e reformadores, as células de combustível incorporam duas grandes melhorias em relação ao motor de combustão interna:

Eles são duas vezes mais eficientes.
Eles podem reduzir significativamente a poluição do ar nas cidades.

Os veículos movidos a célula de combustível a gasolina são uma excelente etapa de transição por causa dessas vantagens.

Mudança para um economia de hidrogênio puro será mais difícil. As usinas geradoras de energia terão que mudar para fontes renováveis de energia, e o mercado terá que concordar sobre as formas de armazenar e transportar hidrogênio. Esses obstáculos provavelmente farão com que a transição para a economia do hidrogênio seja um processo bastante longo.

Para saber mais sobre a economia do hidrogênio e as tecnologias que a cercam, confira os links na próxima página.