Hidrogênio como combustível é promissor, mas produção traz desafios

O hidrogênio tem o potencial de se tornar um importante componente para um futuro de energia limpa, complementando a eletricidade. Porém, terá de superar formidáveis barreiras técnicas para cumprir esse papel.

"O hidrogênio nunca teve tanto interesse internacional, mesmo diante do impressionante progresso recente de outras tecnologias de energia de baixo carbono, como baterias e energias renováveis", apontou um relatório recente da IEA (Agência Internacional de Energia).

Os políticos já se interessaram pelo hidrogênio antes -- após os choques do petróleo dos anos 1970, preocupações com o clima na década de 1990 e preocupações com o pico do petróleo nos anos 2000. O interesse voltou a diminuir quando os preços do petróleo caíram e as políticas ambientais mudaram para outras tecnologias promissoras.

Porém, agora pode ser diferente. De acordo com a IEA, o hidrogênio pode ser uma parte essencial do kit de ferramentas necessário para alcançar os objetivos de descarbonização que os políticos estabeleceram em acordos climáticos.

Os planos para reduzir as emissões para quase zero até meados deste século, anunciados por alguns governos, colocaram os holofotes em setores onde a eletricidade não é o fornecedor de energia preferido e as emissões são difíceis de reduzir.

Tais setores incluem aviação, transporte marítimo, produção de ferro e aço, fabricação de produtos químicos, transporte rodoviário de longa distância e aquecimento para edifícios. A dupla transição planejada (transferir o sistema de energia para eletricidade e descarbonizar a geração de eletricidade) pode não funcionar nessas áreas.

O hidrogênio pode ser um melhor gerador de energia em pelo menos algumas dessas aplicações, segundo a IEA.

O gás poderia ter outros benefícios, incluindo combater a poluição do ar e facilitar a transição para a energia limpa, ao mesmo tempo reduzindo possíveis problemas para os trabalhadores e comunidades intimamente ligadas aos combustíveis fósseis.

Os sistemas de hidrogênio poderiam preservar um futuro para pelo menos alguma produção e empregos nas indústrias de petróleo, gás e carvão, com tecnologia de captura, utilização e armazenamento de carbono.

Produção de hidrogênio emite carbono

A produção mundial de hidrogênio puro é de cerca de 70 milhões de toneladas por ano, com outras 45 milhões de toneladas de hidrogênio produzidas como parte de uma mistura de gases.

O hidrogênio puro é usado principalmente no refino de petróleo e na produção de amônia, principalmente para fertilizantes, enquanto os gases misturados são fornecidos para produção de metanol e aço. O hidrogênio puro ainda não é comumente utilizado como combustível.

Ele pode ser produzido diretamente a partir da água por eletrólise, mas quase todo o hidrogênio atualmente em uso é gerado a partir da transformação a vapor do metano ou da gaseificação do carvão.

A eletrólise é o caminho perfeito para transformar o excesso de eletricidade de fontes solares, eólicas e outras fontes renováveis em hidrogênio com emissões zero.

Por outro lado, a transformação a vapor do metano e a gaseificação do carvão são ambos processos intensivos em energia que produzem quantidades prodigiosas de CO2 (dióxido de carbono). A produção de hidrogênio puro atualmente representa 6% do uso mundial de gás natural e 2% do uso mundial de carvão -- este último principalmente na China.

A produção é responsável por cerca de 830 milhões de toneladas de emissões de CO2 por ano, equivalentes às emissões combinadas da Indonésia e do Reino Unido.

Energia limpa em 2 vias

Em um futuro sistema de energia limpa, o hidrogênio e a eletricidade poderiam ser fontes complementares de energia, já que a eletricidade pode ser prontamente transformada em hidrogênio e vice-versa.

O hidrogênio poderia, portanto, ajudar a resolver problemas de geração de eletricidade renovável intermitente, fornecendo um meio de armazenar energia ao longo do tempo e transportá-la por longas distâncias.

"Como o hidrogênio pode ser armazenado e usado em vários setores, a conversão de eletricidade em hidrogênio pode ajudar na correspondência entre oferta e demanda de energia variável, tanto temporal quanto geograficamente", escreveu o IEA.

"Sem hidrogênio, um sistema de energia descarbonizado baseado em eletricidade seria muito mais baseado em fluxo. Os sistemas de energia baseados em fluxo devem corresponder à demanda e à oferta em tempo real e podem ser vulneráveis a interrupções no fornecimento".

Com tantos benefícios potenciais para tantos grupos de interesse diferentes, não é de admirar que o hidrogênio tenha atraído o apoio de uma ampla coalizão.
A política faz do hidrogênio uma ponte perfeita entre grupos de interesses que se opõem a ele, incluindo produtores de combustíveis fósseis e indústrias de energia renovável, ativistas ambientais e países exportadores de petróleo.

Mas, se o hidrogênio quiser atingir esse potencial, precisará superar grandes problemas técnicos em torno de sua produção, distribuição e armazenamento.

Desafios

O hidrogênio é um elemento abundante, mas muito reativo, que não é encontrado quimicamente livre na natureza e está frequentemente ligado a átomos de oxigênio ou carbono.

"Para obter hidrogênio a partir de compostos naturais, o gasto de energia é necessário", escreveu Ram Gupta, professor de engenharia química na Virginia Commonwealth University e editor de um importante estudo publicado em 2009.

"Portanto, o hidrogênio deve ser considerado como um portador de energia -- um meio de armazenar e transmitir energia derivado de uma fonte de energia."

As moléculas de hidrogênio são pequenas, leves, altamente reativas com outros elementos, muito inflamáveis e queimam com uma chama mais quente do que o gás natural (metano).

O manuseio seguro requer extremo cuidado, pois o hidrogênio pode vazar facilmente e criar uma explosão -- embora também seja menos denso que o ar e se difunde rapidamente, o que ajuda a diminuir os riscos de explosão.

A reatividade do hidrogênio representa um desafio maior, uma vez que penetra o aço, provocando rachaduras induzidas pelo hidrogênio e fragilização, ambas as quais podem causar falhas na tubulação, a menos que aços especiais sejam empregados.

Os maiores desafios, no entanto, estão relacionados à baixa densidade de energia do hidrogênio em comparação com os combustíveis convencionais, como o gás natural ou a gasolina.

Em massa, o hidrogênio tem o maior conteúdo energético de qualquer combustível. Com base no peso, um quilograma de hidrogênio contém quase três vezes mais energia do que um quilo de gasolina.

Mas em volume, o hidrogênio contém muito menos energia que outros combustíveis. Se ele é armazenado como um gás, seria necessário um tanque de cerca de 3 mil vezes o volume de um tanque de gasolina para conter a mesma quantidade de energia. Empregar hidrogênio puro é, portanto, prático apenas se for comprimido ou até mesmo liquefeito, para aumentar sua densidade de energia.

Mas, mesmo em sua forma líquida mais densa de energia, um metro cúbico de hidrogênio contém apenas cerca de um quarto da energia que possui um metro cúbico de gasolina.

A compressão e liquefação do hidrogênio são muito mais caras do que para gás natural e envolve gasto de energia significativamente maior. A baixa densidade de energia é, portanto, o principal obstáculo à utilização de hidrogênio em sistemas de transporte e até mesmo algumas aplicações estacionárias.

Apenas 11 mil carros movidos a hidrogênio estão na estrada, de acordo com dados da IEA, junto com 20 mil empilhadeiras de uso em armazém, onde o reabastecimento é mais simples.

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