Por que todo o Hydrogen Hoopla?

Com tanta atenção voltada para a redução das emissões de gases de efeito estufa em tantos setores, o hidrogênio de repente se tornou um tema quente em energia. (Business Wire)

Volte para a aula de química. Lembra do hidrogênio? Isso é o elemento mais simples da terra, consistindo em um próton e um elétron.

Bem, o humilde hidrogênio de repente se tornou o tópico mais quente nos círculos de energia ao redor do globo.

Isso porque a simplicidade e versatilidade do hidrogênio podem ser aplicadas para reduzir as emissões de gases do efeito estufa em um número cada vez maior de segmentos de manufatura e energia, ao mesmo tempo que avança na adoção e distribuição de energia renovável.

O custo relativamente alto de adicionar hidrogênio à cadeia de valor tem alguns céticos questionando quão extenso será seu papel, mas os defensores dizem que economias de escala - combinadas com muitos gastos do governo - levarão a um sistema de energia pelo menos parcialmente infundido com hidrogênio.

“Está apenas começando a chamar a atenção de pessoas como investidores e outros participantes da indústria”, disse David Edwards, um defensor da energia do hidrogênio que trabalha para o braço americano da multinacional francesa Ar líquido. “O cidadão comum ainda não pensa no hidrogênio em seu futuro energético, embora ele certamente desempenhe um papel”.

O que o hidrogênio pode fazer

Ao contrário, digamos, do gás natural ou da geração solar, hidrogênio não é uma fonte de energia. Em vez disso, é um portador de energia que pode armazenar e fornecer energia utilizável.

Quando misturado com o oxigênio em uma célula de combustível, o hidrogênio queima de forma limpa. E, o mais importante, o elemento pode ser aplicado em uma variedade de setores.

Por exemplo, indústrias manufatureiras como aço e cimento requerem uma quantidade enorme de calor para fazer seus produtos. O hidrogênio pode queimar quente o suficiente para operar um alto-forno. O elemento pode ser injetado no gás natural que é usado como matéria-prima nessas fábricas, resultando em uma pegada de carbono menor.

O hidrogênio também pode ser aplicado para ajudar a descarbonizar o setor de transportes, que responde por mais da metade da poluição de carbono da Califórnia.

Um veículo de célula de combustível de hidrogênio combina hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade, que aciona um motor. Para abastecer o carro, um motorista puxa uma bomba semelhante a um posto de gasolina convencional e bombeia hidrogênio no tanque. Demora cerca de três a cinco minutos para encher e as únicas emissões são algumas gotas de água que saem do tubo de escape.

Cerca de 9,000 veículos de passageiros com célula de combustível de hidrogênio - como o Toyota Mirai e o Honda Clarity - estão nas estradas da Califórnia, e os legisladores estaduais querem ir de cerca de 40 postos de abastecimento de hidrogênio atualmente em uso em todo o estado para 200 nos próximos quatro anos.

Mas com o segmento de veículos elétricos progredindo, uma oportunidade mais imediata para o hidrogênio pode ser encontrada em veículos maiores. Ônibus e caminhões médios e pesados ​​movidos por células de combustível não precisam dos sistemas de bateria mais pesados ​​exigidos em veículos elétricos e têm um bom desempenho em climas frios. As células de combustível de hidrogênio também podem ser usadas para fornecer energia para empilhadeiras e motores em locais como armazéns, locais de transporte e portos, substituindo a gasolina e o diesel.

O hidrogênio também é visto como um incentivo ao desenvolvimento de locais de armazenamento de energia.

A produção solar na Califórnia é abundante durante o dia, quando o sol está alto, mas desaparece depois que o sol se põe. Quando há um excesso de oferta de energia solar durante o dia, os gestores da rede às vezes têm que reduzir a geração solar ou enviar o excesso para os estados vizinhos.

Os sistemas de armazenamento de energia economizam o excesso de geração e, em seguida, descarregam a eletricidade quando a demanda é alta na rede, como entre 4h e 9h, quando a energia é mais cara.

É seguro?

Para alguns, a menção da palavra "hidrogênio" traz à mente o desastre de Hindenburg em 1937, isso matou 36 pessoas. O hidrogênio é de fato altamente volátil e inflamável, mas os defensores do elemento dizem que ele tem um excelente histórico de segurança.

A Departamento de Energia dos EUA diz para evitar ignições, "ventilação adequada e detecção de vazamento são elementos importantes no projeto de sistemas de hidrogênio seguros." Como o hidrogênio queima com uma chama quase invisível, detectores de chamas especiais são necessários.

Em veículos com células de combustível, o hidrogênio é armazenado em tanques com paredes grossas que possuem um revestimento interno envolto em uma concha de fibra de carbono e sensores são colocados ao redor do tanque para detectar vazamentos. O tanques pressurizados passaram repetidos testes de colisão. Toyota disse que os tanques de combustível em seu Mirai até resistiu sendo “alvejado com armas de alta velocidade”. BMW no outono passado disse uma reação descontrolada de hidrogênio e oxigênio ao dirigir um veículo com célula de combustível é "virtualmente impossível". Edmunds.com chamou de hidrogênio combustível tão seguro quanto a gasolina.

Por décadas, o elemento foi produzido, armazenado e transportado. Refinarias de petróleo, por exemplo, usam reformadores de metano a vapor para fazer hidrogênio para que possam remover impurezas como enxofre de petróleo e combustíveis diesel.

Quanto ao Hindenburg, a causa do incêndio acima de Lakehurst, NJ ainda é uma questão de intenso debate. Uma explicação recente aponta o dedo para um gás hidrogênio vazamento inflamado por uma descarga eletrostática.
Outros insistem que o hidrogênio não causou o incêndio. As teorias incluem tudo, desde um revestimento no exterior do dirigível que provou ser inflamável com um furo interno para sabotagem.

O armazenamento da bateria ajuda, mas é projetado para ser usado em uma base de curto prazo, hora a hora. O hidrogênio, entretanto, pode armazenar energia por meses a fio.

“Se você deseja armazenar eletricidade por um longo período de tempo, o armazenamento da bateria fica mais caro e caro,” Paul Browning, CEO da Mitsubishi Hitachi Power Systems Americas, disse à CNBC. “Considerando que, com o hidrogênio, podemos armazená-lo no subsolo em grandes cúpulas de sal por longos períodos de tempo a um custo muito baixo.”

Isso é exatamente o que a Mitsubishi está fazendo com a empresa de armazenamento de combustível Magnum Development, em uma estação de energia em Delta, Utah, que é operado pelo Departamento de Água e Energia de Los Angeles. A eletricidade armazenada será descarregada para alimentar turbinas a gás na usina.

Quando o projeto começar em 2025, Browning disse que as turbinas usarão 30% de hidrogênio e 70 de gás natural em vez de carvão. Até 2045, o plano é usar 100% de hidrogênio, alimentado por fontes renováveis.

O hidrogênio também pode ser aplicado em energia residencial e comercial. O trabalho está sendo feito para misturar o elemento no sistema de transmissão e distribuição de gás natural.

Os sistemas combinados de calor e energia, ou CHP, podem levar a reduções de 35% a 50% nas emissões por meios convencionais e o Departamento de Energia dos EUA estimou reduções de mais de 80 por cento se hidrogênio de fontes de baixo ou zero carbono são usados ​​em uma célula de combustível.

Como você faz isso?

Como o hidrogênio não existe normalmente por si só, ele deve ser produzido a partir de compostos que o contenham. O elemento pode ser produzido usando uma ampla gama de recursos que usam diferentes métodos de produção.

Dada a ênfase que os formuladores de políticas têm dado à energia limpa, a maior parte da atenção se concentrou em fazer "hidrogênio azul" e "hidrogênio verde".

No hidrogênio azul, o gás natural - que contém hidrogênio como parte do composto de metano do gás natural - é comumente colocado em um reformador de metano a vapor. O reformador isola o hidrogênio, mas deixa para trás dióxido de carbono ou CO2. Como o CO2 é um gás de efeito estufa, ele é então capturado e armazenado em vez de ser liberado na atmosfera. Estima-se que o processo poderia cortar a quantidade de carbono produzida pela metade.

No hidrogênio verde, o elemento é produzido a partir de fontes renováveis ​​de energia, como eólica, solar, hidrelétrica ou mesmo biomassa. Um processo que recebe atenção substancial é a eletrólise, na qual eletricidade de fontes livres de carbono é enviada para um eletrolisador e água - composta de hidrogênio e oxigênio, H2O - é bombeada para dentro dele. Sai o hidrogênio e nenhuma emissão de carbono é liberada, daí o termo "hidrogênio verde".

Obstáculos, promotores e céticos

Mas o processo usado para produzir hidrogênio é caro e quanto mais limpa a versão, mais cara ela fica. O hidrogênio agora representa menos de 5% do suprimento mundial de energia, portanto, construir e expandir seu alcance será caro.

Ansiosa por cumprir sua meta climática de reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 55% até 2030, a União Europeia assumiu a liderança na promoção do hidrogênio. No verão passado, a UE elaborou um roteiro que exigia gastando até US $ 569 bilhões (470 bilhões de euros) em investimentos em hidrogênio verde até 2050.

Presidente Joe Biden's Plano de $ 2 trilhões para enfrentar as mudanças climáticas inclui hidrogênio, mas nenhum valor específico em dólares foi anexado a ele em sua proposta de energia limpa que foi lançado na campanha.

Os defensores do hidrogênio estão contando com a redução dos custos à medida que o hidrogênio se torna mais onipresente - semelhante às economias de escala que levaram a quedas acentuadas nos custos de energia solar, eólica e baterias. Certamente não há garantias de que o hidrogênio possa duplicar isso, mas analistas da IHS Markit previram que a produção de hidrogênio verde poderia se tornar custo competitivo em nove anos.

Do lado da infraestrutura, existem problemas com a compatibilidade do hidrogênio com as tubulações existentes no sistema de gás natural. Quando expostos ao hidrogênio ao longo do tempo, alguns tipos de tubos de aço podem se tornar quebradiços e rachar.

San Diego Gas & Electric e Southern California Gas fizeram parceria com a Centro Nacional de Pesquisa de Células Combustíveis na UC Irvine em um programa de mistura em que o hidrogênio será injetado em tubos de plástico para ver como funciona. O nível de mistura inicial será de 1 por cento e pode aumentar para 20 por cento.

“Tubos de aço não funcionam bem; o plástico se sai muito melhor ”, disse Kevin Sagara, presidente do grupo da Sempra Energy, a empresa-mãe da SDG & E e SoCalGas. “Portanto, começaremos com plástico, veremos como funciona e, em seguida, aumentaremos lentamente para outros tipos de tubos.”

O programa é um dos sete projetos de hidrogênio dos quais as empresas Sempra participam. No início deste mês, a SoCalGas anunciou que vai gastar $ 1.3 milhões para financiar o desenvolvimento de postos de abastecimento de hidrogênio em portos e células de combustível para embarcações e locomotivas marítimas.

A Califórnia recentemente definiu um mandato para obter 100 por cento de sua eletricidade de fontes livres de carbono até 2045 mas, embora Sempra apregoe possuir a maior franquia de gás natural do Hemisfério Ocidental, Sagara disse que a empresa Fortune 500 está "all in" no hidrogênio.

“Queremos liderar nessa área”, disse Sagara. “Nossa rede será a espinha dorsal não apenas para continuar este caminho de eletrificação, mas também para fornecer eletricidade renovável para fazer moléculas limpas como o hidrogênio para descarbonizar esses outros setores” da economia de energia.

Sempre versátil, o hidrogênio também pode ser liquefeito, o que pode chegar aos milhões de dólares que a Sempra investiu em instalações de gás natural liquefeito, ou GNL. “Você poderia ver um grande hub de hidrogênio no Golfo, no Texas, onde há amplo armazenamento, muitas energias renováveis ​​de baixo custo - tanto solares quanto eólicas”, disse Sagara. “É um dos melhores lugares para fazer hidrogênio.”

Falar assim irrita Matt Vespa, advogado do grupo ambiental EarthJustice, que diz que as empresas de combustíveis fósseis estão se agarrando ao hidrogênio como uma tábua de salvação.

“Acho que há um jogo mais amplo da indústria de gás para sugerir que existe algum Santo Graal que nos permitirá manter o sistema de gás funcionando como faz atualmente, apenas com um combustível diferente”, disse Vespa.

Por um lado, ele é muito cético quanto à possibilidade de o hidrogênio ser injetado com segurança em gasodutos a um grau em que haja uma melhoria ambiental substancial. “Não há realmente muito que você possa fazer com a estrutura de gasodutos existente sem ter que substituir completamente os gasodutos e aparelhos que atualmente funcionam com gás”, disse Vespa.

Muitos ambientalistas querem recursos gastos em projetos de hidrogênio verde que usam eletrolisadores, não em hidrogênio azul que usa gás natural ou outros combustíveis fósseis como matéria-prima.

“Vamos nos concentrar nisso e também nos concentrar nas aplicações em que (hidrogênio) tem o maior benefício de gases de efeito estufa”, disse Vespa.

Na Legislatura da Califórnia, Senadora Nancy Skinner, D-Berkeley, introduziu Senado Bill 18 isso direcionaria as agências estaduais a designar o hidrogênio verde como uma fonte de energia chave para todos os usos de energia renovável e armazenamento de longo prazo para ajudar a impulsionar o investimento e a tecnologia.

Quando ela apresentou a lei, Skinner chamou de hidrogênio “A única fonte de energia renovável com potencial para descarbonizar todos os aspectos de nossa economia. Para simplificar: podemos não chegar a um mundo livre de carbono sem ele. ”

Globalmente, os investimentos em hidrogênio devem crescer para mais de $ 700 milhões nos próximos dois anos e dificilmente uma semana passa sem notícias de outro investimento em hidrogênio, iniciativa ou programa de pesquisa.

A Air Liquide, que está no negócio de hidrogênio há 50 anos, é construindo uma fábrica de $ 150 milhões perto de Las Vegas que transformará o biogás de lixo orgânico em hidrogênio e depois o venderá na Califórnia para abastecer veículos com célula de combustível a hidrogênio, empilhadeiras e outras aplicações.

No mês passado, a empresa anunciou planos para construir o maior eletrolisador do mundo, usando hidroeletricidade em Quebec para produzir hidrogênio.

“O hidrogênio substitui totalmente a gasolina, o diesel e o gás natural? Ele fará sua parte na substituição deles, sem dúvida ”, disse Edwards, da Air Liquide. “Você o verá como combustível para transporte, como combustível doméstico, como combustível industrial. Você verá em todos esses lugares ao longo do tempo e, daqui a 50 anos, acho que será muito comum em todos esses setores. ”

Por Rob Nikolewski The San Diego Union Tribune

Fonte: https://genesisnanotech.wordpress.com/2021/02/19/why-all-the-hoopla-about-hydrogen/