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A força do Hidrogênio PDF Print E-mail
Written by Administrator   
Sunday, 19 March 2017 21:28

Olá pessoal que acompanha o site dos Nobres do Grid,

 

Para estrear a minha primeira coluna internacional, diretamente de Ontario, no Canadá, onde estou assumindo um novo desafio profissional da unidade de motores da empresa onde trabalho e um desafio pessoal de não deixar o azeite de dendê que corre nas minhas veias congelar. Pegar 20 abaixo de zero na primeira semana foi uma “prova de gelo”.

 

Mas o assunto da coluna deste mês é quente. Quando comecei a pesquisar sobre o assunto, entre os tópicos sugeridos pude ler muitas coisas sobre o início do uso do hidrogênio em grande escala. Encontrado na natureza na forma gasosa, ele é o elemento em maior abundância na crosta terrestre, representando 75% da massa de nosso planeta, além disso ele é de extrema importância para as mais variadas atividades industriais e ciclos naturais.

 

O hidrogênio possui diversas aplicações industriais que vão desde a produção de semicondutores até a indústria petroquímica. Há muito tempo grandes empresas vêm investindo em pesquisa para desenvolver um veículo que funcione com o gás hidrogênio como combustível. O mais comum é o veículo que armazena hidrogênio pressurizado num tanque e a vantagem destes seria a nula taxa de poluição. Porém como desvantagem teríamos o alto custo do combustível e o risco de explosão. Nos processos biológicos na maioria das vezes atua como catalisador enzimático, ou seja, acelera a velocidade das enzimas em seus processos.

 

Em termos de risco de explosão, o mais famoso episódio da história neste aspecto foi o desastre do Dirigível Hindenburg. Uma colossal estrutura voadora de 245 metros de comprimento, 41,5 metros de diâmetro, voava a 135 km/h, com autonomia de voo de 14 mil quilômetros, e havia sido construído pela Zeppelin, na Alemanha. Ele era, em sua época, o maior e mais moderno dirigível do mundo.

 

 

O acidente aconteceu no final de uma tarde chuvosa, 77 horas depois da decolagem em Frankfurt. A bordo estavam 61 tripulantes, 36 passageiros, dois cachorros, além de bagagem, cargas e correspondências. O forte vento em Lakehurst havia obrigado o capitão Max Pruss a sobrevoar o atracador por duas vezes. Ao mesmo tempo, ordenou que fossem soltos gás e mais de uma tonelada de água para aliviar o peso. O zepelim já estava com as escadas baixadas quando, a 60 metros do chão, iniciou-se um incêndio em sua cauda. Meio minuto depois, o corpo do dirigível caía, em chamas, com o solo.

 

Outro item de pesquisa que surgiu foi uma aula sobre o poder do ser humano e o deste elemento, que na tabela periódica, que aprendemos nas aulas de química, não faz parte de nenhuma “família”. Trata-se da bomba de Hidrogênio, que gera destruição e calor através da fusão de átomos deste elemento, sendo enormemente mais poderosa que uma bomba atômica. Na verdade, é preciso uma para servir de “detonador” de uma bomba de Hidrogênio.

 

 

Mas é justamente no poder de gerar energia que este gás possui que a indústria automobilística tem apostado como sendo uma alternativa à queima de combustíveis fósseis para o futuro... e muitos projetos já estão bastante adiantados, com veículos rodando em diversos países tendo como combustível as células de hidrogênio que vem ficando cada vez mais eficientes, leves, eficientes e com um menos custo, o mais persistente dos desafios.

 

Vantagens não faltam para se investir nesta tecnologia. O hidrogênio e o produto de sua combustão, a água, não são tóxicos e não poluem. Não há liberação de dióxido de carbono, um potente gás responsável pelo efeito estufa. A eficiência dos veículos movidos a célula de combustível é até duas vezes maior que a dos veículos atuais. O hidrogênio poderia, assim, ajudar a reduzir urgentes problemas sociais e ambientais, como a poluição do ar e seus riscos à saúde e os efeitos na mudança climática global.

 

Ainda não existe maneira totalmente segura e prática de abastecer um carro a hidrogênio. O hidrogênio contém três vezes mais energia que a gasolina por unidade de massa, mas atualmente é impossível armazenar o gás de forma tão compacta e simples quanto o combustível líquido convencional. Assim, é difícil transportar de forma segura e eficiente uma quantidade de hidrogênio a bordo que garanta autonomia e desempenho satisfatórios. É preciso resolver esse problema – ou seja, estocar hidrogênio suficiente para assegurar a autonomia mínima aceitável de hoje (cerca de 500 km) sem que o volume do tanque de combustível comprometa o espaço para os passageiros e a bagagem. O sistema de armazenamento tem de ser capaz de liberar o combustível com a velocidade necessária para a aceleração na estrada e operar numa faixa de temperatura exequível. O reabastecimento deve ser rápido e o preço do combustível precisa ser competitivo. As atuais tecnologias de armazenamento de hidrogênio estão muito aquém do ideal.

 

 

Pesquisadores da indústria automobilística em todo o mundo, assim como governos e universidades, dedicam consideráveis esforços à superação dessas limitações. O Acordo de Implementação do Hidrogênio da Agência Internacional de Energia, assinado em 1977, atualmente é a maior iniciativa internacional dedicada ao melhoramento dos sistemas de abastecimento e armazenagem de hidrogênio, contando com mais de 35 pesquisadores de 13 países. A Parceria Internacional de Economia Baseada no Hidrogênio, formada em 2003, agora inclui 17 governos comprometidos em desenvolver tecnologias de hidrogênio e de célula a combustível. E em 2005, o Departamento de Energia dos Estados Unidos criou o Projeto Nacional para Armazenamento de Hidrogênio com três centros de excelência e muitos esforços da indústria, universidades e laboratórios federais tanto em pesquisa básica quanto aplicada. Somente em 2015, esse projeto forneceu mais de US$ 30 milhões para financiar cerca de 80 projetos de pesquisa.

 

Os obstáculos.

Seria necessário investir um capital considerável para converter a indústria automotiva atual e fazê-la produzir veículos com célula a combustível, e para transformar a extensa rede de refino e distribuição de gasolina em algo capaz de lidar com uma imensa quantidade de hidrogênio. Os veículos rodando com o novo combustível teriam de se tornar baratos e duráveis o bastante para concorrer com os atuais, oferecendo desempenho equivalente.

 

 

Em temperatura ambiente e pressão atmosférica normal (uma atmosfera, ou bar, é cerca de 14,5 libras por polegada quadrada, ou psi), o hidrogênio permanece em estado gasoso com densidade de energia de cerca de 1/3.000 da gasolina líquida. Um tanque de 75 litros com esse gás moveria um carro comum por aproximadamente 150 metros. Assim, para aumentar a quantidade de combustível no tanque (sua densidade), ele precisa ser armazenado sob alta pressão.

 

Uma das principais desafios operacionais da indústria automobilística é tornar possível rodar aproximadamente 500 km com um tanque de hidrogênio. Os engenheiros empregam uma regra prática para fazer tais cálculos: 4 litros de gasolina equivalem, em termos de energia, a 1 kg de hidrogênio. Em média, os veículos atuais consomem 75 litros de gasolina para percorrer 500 km, mas devido à sua maior eficiência operacional, um típico veículo com célula a combustível precisaria de apenas cerca de 8 kg de hidrogênio para alcançar essa autonomia.

 

 

No momento, a maioria das centenas de veículos protótipos com célula a combustível armazena hidrogênio em cilindros de alta pressão, semelhantes a tanques de mergulho. Tecnologia avançada de compostos de fibra de carbono e filamentos produz tanques fortes, leves e capazes de conter com segurança hidrogênio a pressões entre 5 mil psi (350 vezes a pressão atmosférica) e 10 mil psi (700 vezes a pressão atmosférica). Mas a densidade do hidrogênio não cresce proporcionalmente ao aumento da pressão. Mesmo a 10 mil psi, a melhor densidade de energia possível com os atuais tanques de alta pressão (39 gramas por litro) equivale a 15% do conteúdo de energia da gasolina no mesmo volume. Os tanques de alta pressão atuais contêm apenas cerca de 3,5% a 4,5% do hidrogênio por peso. A Ford apresentou no início da década um estudo com o Ford Edge, movido por uma combinação de motor híbrido recarregável e célula a combustível que armazena 4,5 kg de hidrogênio combustível em um tanque de 5 mil psi, que atinge autonomia máxima de 320 km.

 

A solução pode passar por armazenar o hidrogênio em estado líquido. Como qualquer gás, o hidrogênio resfriado se liquefaz. Em pressão atmosférica, isso ocorre a -253ºC. A densidade do hidrogênio líquido é de 71 gramas por litro, ou cerca de 30% da densidade de energia da gasolina. Para conseguir isso, é necessário um considerável aparato de contenção e isolamento. Assim, o hidrogênio líquido apresenta sérias desvantagens. Primeiro, seu ponto de ebulição muito baixo exige precauções especiais e equipamento criogênico para manipulação segura. Além disso, por operarem em baixa temperatura, os recipientes precisam ser extremamente bem isolados. Finalmente, liquefazer o hidrogênio requer muito mais energia que comprimir o gás a alta pressão. Essa exigência eleva o custo do combustível e reduz a eficiência total de energia do processo de criorrefrigeração.

 

Na tentativa de encontrar formas promissoras de aumentar a densidade de energia do combustível, é possível tirar proveito da própria química do hidrogênio. Seja na forma líquida ou na gasosa, o hidrogênio é composto por moléculas com dois átomos do elemento ligados. Mas quando os átomos de hidrogênio se ligam aos de outros elementos, eles adquirem formas mais compactas que o hidrogênio líquido. A principal meta de pesquisa sobre armazenamento de hidrogênio agora é encontrar a melhor maneira de realizar esse truque. Os pesquisadores voltaram-se para os hidretos metálicos. Ligas de hidretos com propriedades de absorção de hidrogênio bem específicas. Esse trabalho inicial serviu de base para o desenvolvimento das atuais baterias de níquel-hidretos metálicos, usadas em vários aparelhos, como câmeras digitais e celulares. Essas ligas conseguem atingir uma densidade de hidrogênio bastante alta: 150% a mais do que no hidrogênio líquido, porque os átomos de hidrogênio ficam aprisionados entre os átomos de metal em suas estruturas cristalinas.

 

 

Mas seu "calcanhar de Aquiles" é o peso, muito elevado para uso em carros. Até o momento, a capacidade máxima conseguida de absorção do hidrogênio por esse material foi de 2% de seu peso total. Esse nível se traduz em um sistema de armazenamento de hidrogênio de 450 kg (para uma distância percorrida de 500 km), o que claramente é demais para os carros atuais de 1.400 kg.

 

Era preciso encontrar uma forma de armazenar melhor e fazer a relação peso/quantidade e eficiência energética e esta estaria em uma película delgada de polímero à base de fluorcarbono – uma membrana de troca de prótons (PEM, na sigla em inglês) – que funciona simultaneamente como eletrólito (para transporte de carga elétrica) e como barreira para impedir a mistura do combustível hidrogênio com oxigênio. A eletricidade que fornece potência a um carro com células a combustível é produzida quando elétrons são removidos de átomos de hidrogênio em áreas catalisadoras na superfície da membrana. Os portadores de carga – prótons ou íons de hidrogênio –, então, migram através da membrana e se combinam com o oxigênio e um elétron, formando água, único resíduo do processo. Células individuais são empilhadas nos chamados módulos (stacks).

 

Outro componente crucial para a operação de uma membrana PEM é a fina camada de catalisador à base de platina – um problema, pelo custo deste metal, mais alto que o do ouro – que reveste seus dois lados e é responsável por 40% do preço do módulo. O catalisador prepara hidrogênio (a partir do combustível) e oxigênio (do ar) para uma reação de oxidação, ajudando ambas as moléculas a se dividir, se ionizar, e então doar ou receber prótons e elétrons. Do lado da membrana onde fica o hidrogênio, uma molécula desse gás precisa se fixar a duas áreas catalisadoras adjacentes, liberando, assim, íons de hidrogênio (prótons) para que eles atravessem a membrana. A reação complexa do lado do oxigênio ocorre quando um íon de hidrogênio e um elétron se juntam ao oxigênio, produzindo água. Essa sequência precisa ser controlada rigorosamente, porque pode gerar subprodutos destrutivos, como peróxido de hidrogênio, que corrói os módulos.

 

O problema da infraestrutura.

Não bastasse a questão dos custos do novo sistema de queima de hidrogênio, um problema que temos no mundo inteiro é o de implantar uma infraestrutura capaz de abastecer a frota dos novos veículos movidos com hidrogênio. Como criar uma rede de postos, armazenamento e distribuição de hidrogênio para abastecimento? Um estudo realizado pela GM estimou que de US$ 10 bilhões a US$ 15 bilhões seriam suficientes para pagar a construção de 11.700 novos postos de abastecimento de hidrogênio – o suficiente para que um motorista sempre estivesse a no máximo 3,2 km de um nas grandes áreas urbanas e dispusesse de postos a cada 40 km ao longo das principais rodovias. Essa concentração, principalmente em áreas urbanas, atenderia as necessidades de aproximadamente um milhão de veículos com células a combustível, segundo o estudo.

 

 

Defensores do uso do hidrogênio afirmam que os argumentos sobre a ausência de infra-estrutura enfatizam um falso problema. A indústria americana produz atualmente de 50 milhões a 60 milhões de toneladas de hidrogênio por ano, de modo que não se trata de falta de conhecimento tecnológico. Mas a indústria automobilística tem uma perspectiva diferente e afirmam que de 50% e 60% dos problemas que temos com nossas células a combustível são consequência de impurezas no hidrogênio que vem da indústria.

 

Uma alternativa seria “produzir o hidrogênio” isso poderia ser feito realizando a eletrólise da água e produzir hidrogênio puro com muito menos energia do que outros métodos. O trabalho experimental abre caminho para a mais elevada taxa de produção de hidrogênio conhecida, mediante eletrólise de alta temperatura. O método consiste em fazer passar eletricidade através de água aquecida a aproximadamente 1.000ºC. À medida que as moléculas de água se rompem, um filtro de cerâmica separa o oxigênio do hidrogênio. O hidrogênio resultante tem aproximadamente metade do valor energético investido no processo, uma taxa superior à dos concorrentes.

 

Mirai.

O Mirai – nome que significa futuro em japonês – é um sedã de quatro portas com o mesmo tamanho do Camry vendido no Brasil. Segundo a Toyota, ele vai rodar 480 km com um tanque de hidrogênio, será reabastecido em 5 minutos e seu escapamento vai soltar apenas vapor d’água. Equipado com uma célula de combustível onde o hidrogênio se combina com o oxigênio do ar, produzindo água e eletricidade, funciona como uma bateria, mas em vez de recarregá-la com eletricidade, coloca-se mais hidrogênio para que a reação química possa continuar.

 

 

A Toyota fechou convênios com distribuidoras de combustível para a montagem de uma rede de postos no nordeste dos Estados Unidos e na Califórnia. No início, o Mirai será vendido apenas nessas duas regiões dos Estados Unidos e no Japão. Além disso, Um problema óbvio do Mirai é que, como outros veículos que usam célula de combustível, ele será um carro caro. No Japão, Ele custa o equivalente a 156 mil reais. Se inicialmente isso possa limitar o volume de vendas, é o primeiro passo comercialmente efetivo para uma revolução nos combustíveis automotivos.

 

Muito axé pra todo mundo,

 

Maria da Graça


Last Updated ( Sunday, 19 March 2017 23:51 )