Combustível de hidrogênio, com seus vários nomes de combustível limpo, o combustível com zero de carbono é o mais acessível e futuro dos combustíveis. Combustível é tudo o que pode ser feito para reagir com outras substâncias para liberar energia e a presença de hidrogênio em recursos domésticos como biomassa, gás natural e energia nuclear o torna o combustível do futuro. Pode até ser produzido por meio de energia renovável, como solar e eólica. Todas essas qualidades combinadas para torná-lo uma opção de combustível alternativo para transporte, aplicações de geração de eletricidade, dispositivos eletrônicos portáteis e sistemas de backup de energia.
Em muitos aspectos, o hidrogênio é o combustível perfeito. É a queima mais limpa e mais eficiente, criando um ciclo de energia renovável e inofensivo ao meio ambiente. O hidrogênio combina quimicamente com a maioria dos elementos, por isso tem sido utilizado como um produto químico industrial em uma ampla gama de aplicações por muitos anos. Com a sua presença abundante, a forma de produção acaba por ser múltipla. Vamos passar para a produção de hidrogênio.
As tecnologias inovadoras de produção de combustível de hidrogênio
O hidrogênio é o elemento mais simples devido à sua composição química de apenas um próton e um elétron, o que torna mais fácil reagir com várias substâncias para se transformar em uma forma capaz de resolver alguns dos principais problemas do combustível futuro. A eficiência energética e o impacto ambiental do hidrogênio dependem puramente de como ele é produzido. Existem vários métodos usados nas indústrias para fazer combustível de hidrogênio. Poucos deles são mencionados abaixo:
Processo eletrolítico: Este método de separação de água em hidrogênio e oxigênio usando uma corrente eletrônica é chamado de eletrólise. É evidente que na eletricidade produzida por fontes renováveis, como a solar ou eólica, o hidrogênio resultante também será considerado renovável, e tem inúmeros benefícios de emissões. Projetos de geração de energia para hidrogênio estão decolando, onde o excesso de eletricidade renovável, quando disponível, é usado para produzir hidrogênio por meio da eletrólise.
Pirólise de metano: A produção de hidrogênio usando pirólise de metano de gás natural é um processo recente de uma etapa “sem gases de efeito estufa”. Desenvolver a produção de volume usando este método é a chave para permitir uma redução mais rápida de carbono usando hidrogênio em processos industriais, transporte de caminhões elétricos pesados com células de combustível e geração de energia elétrica por turbina a gás. A pirólise de metano usa metano CH4 borbulhado através do catalisador de metal fundido em altas temperaturas (1340 K, 1065 ° C ou 1950 ° F) para produzir hidrogênio gás H2 não poluente em alto volume, a baixo custo e produz carbono sólido não poluente C sem emissão de gases de efeito estufa.
CH4 (g) → C (s) + 2 H2 (g) ΔH ° = 74 kJ / mol
A pirólise do metano está em desenvolvimento e é considerada adequada para a produção comercial de hidrogênio a granel.
Reforma a vapor (método industrial): O hidrogênio é frequentemente produzido usando gás natural, que envolve a remoção do hidrogênio dos hidrocarbonetos em temperaturas muito altas, com 48% da produção de hidrogênio proveniente da reforma a vapor. O hidrogênio a granel comercial é normalmente produzido pela reforma a vapor do gás natural com a liberação de gás de efeito estufa atmosférico ou com captura usando CCS e mitigação das mudanças climáticas. A reforma a vapor também é conhecida como processo Bosch e é amplamente utilizada para a preparação industrial de hidrogênio.
Em altas temperaturas (1000–1400 K, 700–1100 ° C ou 1300–2000 ° F), o vapor reage com o metano para produzir monóxido de carbono e H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Processo Biológico: Os processos biológicos usam micróbios, como bactérias e microalgas, e podem produzir hidrogênio por meio de reações biológicas. Na conversão da biomassa microbiana, os micróbios decompõem a matéria orgânica como a biomassa ou água residual para produzir hidrogênio, enquanto nos processos fotobiológicos os micróbios usam a luz solar como fonte de energia.
Processo movido a energia solar: A energia solar é basicamente usando luz solar ou radiações para formar hidrogênio. Existem basicamente três processos movidos a energia solar desse tipo, incluindo fotobiológico, fotoeletroquímico e termoquímico solar. Os processos fotobiológicos usam a atividade fotossintética natural de bactérias e algas verdes para produzir hidrogênio. Os processos fotoeletroquímicos usam semicondutores especializados para separar a água em hidrogênio e oxigênio. A produção de hidrogênio termoquímico solar usa energia solar concentrada para conduzir reações de divisão de água, muitas vezes junto com outras espécies, como óxidos de metal.
Aplicações práticas na indústria de tecnologia
Aplicações na indústria automobilística
O hidrogênio é considerado o combustível alternativo para a indústria automobilística devido à sua alta eficiência e emissão zero de carbono. O uso de hidrogênio em veículos é um dos principais focos da pesquisa e desenvolvimento de células de combustível. Em países como os Estados Unidos, eles também têm postos de abastecimento de hidrogênio. A maioria dos veículos movidos a hidrogênio são automóveis e ônibus de transporte público que possuem um motor elétrico movido por uma célula a combustível de hidrogênio. Alguns desses veículos queimam hidrogênio diretamente. O alto custo das células de combustível e a disponibilidade limitada de estações de abastecimento de hidrogênio limitaram o número de veículos movidos a hidrogênio. Até mesmo a célula a combustível de hidrogênio é usada em trens na Alemanha e descobriu-se que nos próximos cinco anos, ela pode alcançar a Grã-Bretanha, França, Itália, Japão e Estados Unidos. Para veículos de uso pessoal, nove dos principais fabricantes de automóveis estão desenvolvendo veículos elétricos de célula de combustível de hidrogênio (FCEVs) para uso pessoal. Modelos notáveis incluem Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo e BMW.
Na produção de energia elétrica
As células a combustível de hidrogênio produzem eletricidade combinando átomos de hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio reage com o oxigênio através de uma célula eletroquímica semelhante à de uma bateria para produzir eletricidade, água e pequenas quantidades de calor. Muitos tipos diferentes de células de combustível estão disponíveis para uma ampla gama de aplicações. Pequenas células de combustível podem alimentar laptops e até mesmo telefones celulares e aplicações militares. Grandes células de combustível podem fornecer eletricidade para backup ou energia de emergência em edifícios e fornecer eletricidade em locais que não estão conectados a redes de energia elétrica.
Além disso, o hidrogênio também é usado em várias aplicações marítimas, espaciais e principalmente na geração de backup de energia.
Desafios colocados pelo hidrogênio como combustível alternativo
Sempre ouvimos que uma moeda tem duas faces, o mesmo acontece com o novo combustível futuro. Falando em desafios para usar combustível de hidrogênio nas indústrias, muitos são razoáveis e inevitáveis. Alguns deles estão listados abaixo: -
Extração de hidrogênio
Apesar de estar disponível em abundância no universo, a extração é bastante difícil. O hidrogênio não existe por si só, então precisa ser extraído da água por eletrólise ou separado dos combustíveis fósseis de carbono. Ambos os processos requerem uma quantidade significativa de energia para serem alcançados. Essa energia pode ser mais do que a obtida com o próprio hidrogênio, além de ser cara.
Custo das matérias-primas e investimento adicional
Para extrair hidrogênio, metais preciosos como platina e irídio são necessários como catalisadores e poucos eletrolisadores para eletrólise. Todos esses gastos extras aumentam o custo da matéria-prima. O alto custo dissuadiu alguns de investir em células a combustível de hidrogênio tecnologia. Esses custos precisam de ser reduzidos para tornar as células de combustível de hidrogénio uma fonte de combustível viável para todos. As células de combustível de hidrogénio necessitam de investimento para serem desenvolvidas até se tornarem uma fonte de energia genuinamente viável. Isto também exigirá vontade política para investir tempo e dinheiro no desenvolvimento, a fim de melhorar e amadurecer a tecnologia.
Infraestrutura e armazenamento de hidrogênio
Os combustíveis fósseis são usados há décadas, a infraestrutura para essa fonte de alimentação já existe. A adoção em larga escala da tecnologia de célula de combustível de hidrogênio para aplicações automotivas exigirá uma nova infraestrutura de reabastecimento para suportá-la, embora para aplicações de longo alcance, como as de veículos pesados e caminhões de entrega, seja provável que o reabastecimento do início ao fim seja usado.
O armazenamento e o transporte de hidrogênio são mais complexos do que os necessários para os combustíveis fósseis. Isso implica custos adicionais a serem considerados para as células de combustível de hidrogênio como fonte de energia.
Combustível de hidrogênio é a melhor opção de combustível sustentável e alternativo para o futuro próximo e suas aplicações são críticas não apenas para o meio ambiente, mas também para a crescente demanda por combustível. Pesquisadores e empresas inovadoras devem se esforçar para disponibilizar o hidrogênio, assim como a água, não apenas para uso industrial, mas também para uso pessoal.
Sheeba Chauhan
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