O QUE É HIDROGÊNIO
O
hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do Universo!
Está presente em quase tudo, inclusive em você! Ele compõe
75% da massa do Universo e 90% de suas moléculas, como a água
(H2O) e as proteínas nos seres vivos. No planeta Terra, compõe
aproximadamente 70% da superfície terrestre.
No seu estado natural e sob condições ambientes de temperatura
e pressão, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro,
insípido e muito mais leve que o ar. Ele também pode estar no
estado líquido, ocupando um espaço 700 vezes menor do que se estivesse
em forma de gás! Mas ele tem que estar armazenado numa temperatura de
–253 °C, em sistemas de armazenamento conhecidos como “sistemas
criogênicos”. Acima desta temperatura, o hidrogênio não
pode ser liquefeito, mas pode ser armazenado em forma de gás comprimido
em cilindros de alta pressão.
Um exemplo do potencial energético do Hidrogênio está na
fonte de energia do Sol – compõe 30% da massa solar. É com a energia
do hidrogênio que o Sol aquece a Terra, favorecendo a vida em nosso planeta.
Como é quimicamente muito ativo, está sempre procurando outro
elemento para se combinar. Raramente permanece sozinho como um único
elemento (H2), em suspensão ou à parte, estando associado ao petróleo,
carvão, água, gás natural, proteínas, entre outros
elementos.
As misturas dos gases hidrogênio e oxigênio são inflamáveis,
até mesmo explosivos, dependendo da concentração. Quando
queimado com oxigênio puro, os únicos sub-produtos são o
calor e a água. Quando queimado com ar, constituído por cerca
de 68% de nitrogênio e 21% de oxigênio, alguns óxidos de
nitrogênio (NOX) são formados. Ainda assim, a queima de hidrogênio
com ar produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis
fósseis (petróleo, carvão).
A agência espacial dos EUA, a NASA, percebeu estas qualidades do hidrogênio
e o utiliza nos seus projetos espaciais para a propulsão dos foguetes,
pois estes requerem características não obtidas com outros combustíveis,
tais como: o baixo peso, a compactação e a capacidade de grande
armazenamento de energia. Quando utilizado em células a combustível,
a água que resulta do processo é consumida pelos astronautas!
Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido no mundo é utilizado
como matéria-prima na fabricação de produtos como os fertilizantes,
na conversão de óleo líquido em margarina, no processo
de fabricação de plásticos e no resfriamento de geradores
e motores. Agora, as pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas
na geração de energia elétrica, térmica e de água
pura através das células a combustível! A Energia do Hidrogênio!
COMO O COMBUSTÍVEL HIDROGÊNIO É GERADO?
O
oxigênio é essencial para a vida. Mas, quando se trata de produzir
hidrogênio, que pode ser utilizado como uma fonte de energia abundante,
barata e sem qualquer tipo de poluição, o oxigênio é
uma verdadeira pedra no sapato.
O “problema” é que o oxigênio e o hidrogênio se
dão muito bem e reagem entre si – formando água – e paralisando
o processo de geração do tão sonhado combustível
barato e ambientalmente correto.
A reação do hidrogênio com o oxigênio acontece no
interior de uma família de enzimas, presentes em muitos microorganismos,
hoje vistas como uma das fontes potenciais para o fornecimento de hidrogênio.
E até hoje os cientistas não sabiam exatamente como os dois se
encontram, paralisando o processo de geração do hidrogênio.
Agora, cientistas da Universidade do Illinois, Estados Unidos, conseguiram
modelar a rota dos dois elementos, permitindo que se veja como e por onde oxigênio
e hidrogênio viajam para alcançar e sair do ponto de catálise
das enzimas – o chamado grupo H – que é exatamente onde o hidrogênio
é convertido em energia.
A descoberta resolve um problema econômico importante para a geração
de energia limpa. Numerosos microorganismos possuem enzimas, conhecidas como
hidrogenases, que utilizam somente água e luz do sol para gerar energia
a partir do hidrogênio. Mas a insistência do oxigênio em se
ligar ao hidrogênio simplesmente paralisa a geração do gás
hidrogênio.
“Entender como o oxigênio chega ao ponto de reação
irá nos permitir ver como a tolerância ao oxigênio da hidrogenase
pode ser aumentada por meio da manipulação das proteínas
e, em decorrência, tornar a hidrogenase uma fonte economicamente viável
de hidrogênio-combustível,” explica Klaus Schulten, um dos
participantes da pesquisa.
Os cientistas concluíram que será possível fechar as rotas
do oxigênio através da hidrogenase por meio da manipulação
genética da proteína, aumentando a tolerância da enzima
ao oxigênio, sem interromper a liberação do hidrogênio.
Para utilização do hidrogênio como fonte de energia é necessário o seu uso
junto a uma célula de combustível.
A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza a
combinação química entre os gases oxigênio (O2) e
hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica, energia térmica
(calor) e água!
Ela existe há mais de 150 anos! A primeira célula a combustível
foi desenvolvida em 1839 por um físico inglês chamado William Grove.
Ele sabia que passando eletricidade através da água podiam-se
obter os gases hidrogênio e oxigênio, constituintes da água.
Como todo bom e curioso cientista, ele tentou fazer o processo reverso, combinando
hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água.
E conseguiu! Mas a sua invenção, chamada por ele de “bateria
a gás”, não tinha muita aplicação prática
naquela época. Anos depois, em 1889, o nome “célula a combustível”
foi criado por dois cientistas, Ludwig Mond e Charles Langer. Eles queriam tornar
a célula a combustível uma invenção prática,
mas não tiveram muito êxito.
A célula a combustível só começou a ganhar vida
no final dos anos 30, quando o inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu
células a combustível de eletrólito alcalino. Em 1959,
ele demonstrou um sistema de célula a combustível de 5kW para
fazer funcionar uma máquina de solda. No entanto, somente com a Agência
Espacial dos EUA, a NASA, a célula a combustível começou
a decolar. E ela foi para o espaço nos projetos Gemini e Apollo! Tudo
que a NASA precisava era de um equipamento que gerasse energia com eficiência,
e que utilizasse um combustível leve e com grande densidade de energia
– o hidrogênio.
Existem pelos menos seis tecnologias de células a combustível
para combinarem hidrogênio e oxigênio, mas elas têm basicamente
o mesmo princípio de funcionamento. Resumidamente, de um lado da célula
entra o hidrogênio e do outro entra o oxigênio. No meio, entre os
eletrodos, existem o eletrólito e o catalisador, que são a lógica
de todo o funcionamento da célula a combustível.
Os tipos mais importantes de células a combustível são:
PEMFC – Membrana de Troca de Prótons, “Proton Exchange Membrane
Fuel Cell”- Essa tecnologia tem se mostrado
muito interessante para o uso em automóveis, aparelhos portáteis
e residências. Seu funcionamento se encontra na faixa 60 ºC a 140
ºC de temperatura sendo assim considerada como de funcionamento em baixa
temperatura. Isto permite que a célula ligue mais rápido que as
outras concorrentes. A eficiência em gerar eletricidade através
desta tecnologia varia entre 35% a 55%.
DMFC – Célula a Combustível de Metanol Direto, “Direct Methanol
Fuel Cell” – Esta tecnologia é bastante
similar a PEMFC tendo como principal diferença o uso direto de metanol
(álcool extraído a partir da madeira ou do milho). O metanol é
diluído em água e armazenado em cartuchos. A eficiência
em gerar energia elétrica fica entre 40% e 50%.
PAFC – Célula a Combustível e Ácido Fosfórico, “Phosphoric
Acid Fuel Cell”– Esta é a tecnologia mais avançada
comercialmente. Está presente no Brasil, nas cidades de Curitiba e Rio
de Janeiro. Esta tecnologia funciona a baixa temperatura, por isso pode tolerar
combustíveis com impurezas como metanol e biogás. Entretanto para
isso ela precisa de um filtro para limpar o combustível e um aparelho
interno para extrair o hidrogênio desses combustíveis. A eficiência
desta tecnologia, esta entre 35% e 47%.
SOFC – Célula a Combustível de Óxido Sólido, “Solid Oxide
Fuel Cell” – Essa tecnologia permite a geração
de grande quantidade de energia. Por isso tem se mostrado atraente para o uso
em residências, indústrias e outros locais com grande necessidade
de energia. A tecnologia SOFC é uma tecnologia de alta temperatura, pois
opera entre 600°C e 1000°C. Isso traz como vantagem o uso peças
mais baratas no interior da célula permite o uso de outros combustíveis
diretamente na célula. A eficiência para produção
de energia elétrica varia entre 50% e 60%. Se o calor for aproveitado,
a eficiência total de energia (energia elétrica mais energia térmica)
pode ser de até 75% a 85%.
MCFC – Células a Combustível de Carbonato Fundido, “Molten Carbonate
Fuel Cell” – Essa tecnologia é promissora no que diz respeito
a geração de energia em grandes quantidades. Funciona em altas
temperaturas permitindo assim o uso de componentes mais baratos, aceita outros
combustíveis diretamente na célula como biogás e etanol.
A eficiência desta tecnologia para produzir energia elétrica fica
entre 50 e 60%. Quando o calor é aproveitado, seja para aquecimento ou
para a produção de mais energia elétrica através
de uma turbina a vapor, pode-se aumentar a eficiência total para 85%.
AFC – Célula a Combustível Alcalina, “Alkaline Fuel Cell”
– Esta é a tecnologia que vem sendo utilizada por muitos anos
para aplicações espaciais da NASA. Ela foi desenvolvida pelo britânico
Francis Bacon em 1930 (experiência de William Grove, precursor das células
a combustível). Esta célula trabalha em alta temperatura de operação
que fica entre 50°C e 250°C o que traz como vantagem o uso de componentes
mais baratos. Elas apresentam uma excelente eficiência elétrica,
entre 45% e 60%.
DEFC – Célula a Combustível de Etanol Direto, “Direct Ethanol
Fuel Cell” – Esse tipo de célula funciona a base de etanol
(álcool da cana de açucar). Esta ainda em fase de desenvolvimento,
não sendo até agora viável. Entretanto, o Brasil apresenta
um grande potencial para manter essa tecnologia já que por aqui a grande
maioria dos postos de combustível vendem etanol.
O FUTURO DO HIDROGÊNIO
Podemos concluir que o H2 é promissor, mas não resolve o problema
de uma fonte “real” de energia. E essa é só metade da história, porque ainda
há a questão de como armazenar e transportar essa substância de forma segura.
O H2 é um gás que só pode ser liquefeito a temperaturas baixas e
pressões relativamente altas, além de ser facilmente inflamável.
| ASPECTOS POSITIVOS | ASPECTOS NEGATIVOS |
| É o elemento mais abundante do universo. | Tecnologia mais cara. |
| O Hidrogênio não é tóxico. | Em um modelo de extração de hidrogênio há dependência de hidrocarbonetos, petróleo e seus derivados, produtos tóxicos. |
| Redução da emissão de gases causadores do efeito estufa, como o CO2 e o CH4. |
Ainda não uma célula a hidrogênio que alie preço e eficiência. |
| Redução da poluição sonora, pois as células a hidrogênio operam silenciosamente. |
A necessidade da utilização de metais nobres como, por exemplo, a platina que é um metal caro e raro. |
| Redução da emissão de partículas na atmosfera, como fumaça e fuligem. |
Os problemas e os custos associados ao transporte e distribuição. |
| Crescimento econômico, desenvolvimento e criação de empregos em diversas áreas. |
Fonte: UNESP