Aplicações do Hidrogênio | Hidrogênio

Hidrogênio é versátil e pode ser utilizado de várias maneiras. Estes usos múltiplos podem ser agrupados em duas grandes categorias;

1. Hidrogênio como uma matéria-prima. Um papel cuja importância está sendo reconhecida por décadas e continuará a crescer e evoluir.
2. Hidrogênio como um vetor energético permitindo a transição de energia. O uso do hidrogênio neste contexto já começou e está aumentando gradualmente. No futuro, este campo irá crescer dramaticamente. A versatilidade do hidrogênio e sua múltipla utilização é a razão pela qual o hidrogênio pode contribuir para descarbonizar as economias existentes. O papel do hidrogênio no processo de descarbonização pode ser resumido como mostrado no gráfico abaixo:

Usos há muito estabelecidos – O hidrogênio como matéria-prima (usos baseados em materiais)

Agora atualmente, o hidrogênio é usado em vários processos industriais. Entre outras aplicações, é importante apontar o seu uso como matéria-prima na indústria química, e também como agente redutor na indústria metalúrgica. O hidrogênio é um elemento fundamental para a fabricação de amoníaco, e portanto fertilizantes, e de metanol, utilizado na fabricação de muitos polímeros. As refinarias, onde o hidrogênio é utilizado para o processamento de produtos petrolíferos intermediários, são outra área de utilização. Assim, cerca de 55 % do hidrogénio produzido em todo o mundo é utilizado para a síntese de amoníaco, 25 % nas refinarias e cerca de 10 % para a produção de metanol. As outras aplicações no mundo inteiro representam apenas cerca de 10% da produção global de hidrogênio.

Amoníaco – Fertilizantes

O composto hidrogênio-nitrogênio mais importante é o amoníaco (NH3), também conhecido como azano. Tecnicamente, o amoníaco é obtido em grande escala através do processo Haber-Bosch. Este processo combina hidrogênio e nitrogênio diretamente por síntese. Para este fim, as matérias primas nitrogênio e hidrogênio devem ser obtidas primeiro. No caso do nitrogênio isto é obtido pela separação a baixa temperatura do ar, enquanto que o hidrogênio tem origem hoje em dia na reforma do vapor de gás natural.

Almost 90 % do amoníaco vai para a produção de fertilizantes. Para este fim, uma grande parte da amônia é convertida em sais sólidos de fertilizantes ou, após a oxidação catalítica, em ácido nítrico (HNO3) e seus sais (nitratos). Devido à sua alta energia de evaporação, a amônia também é utilizada em instalações de refrigeração como um refrigerante ecológico e barato; seu nome técnico é R-717.

Campos industriais

O hidrogénio é utilizado em várias aplicações industriais; estas incluem a metalurgia (principalmente em ligas metálicas), a produção de vidro plano (hidrogénio utilizado como gás de inertização ou de protecção), a indústria electrónica (utilizado como gás de protecção e de transporte, em processos de deposição, para limpeza, em decapagem, em processos de redução, etc.), e aplicações na geração de eletricidade, por exemplo, para resfriamento de geradores ou para prevenção de corrosão em dutos de usinas elétricas.

A redução direta do minério de ferro – ou seja, a separação do oxigênio do minério de ferro utilizando hidrogênio e gás de síntese – poderia se tornar um importante processo industrial na fabricação de aço, pois no método tradicional de alto-forno são liberadas grandes quantidades de carbono. Enquanto a redução direta com gás natural está agora bem estabelecida na produção de aço (World Steel Association 2015), os métodos de produção correspondentes baseados no hidrogênio existem até agora apenas em escala piloto.

Produção de combustível

O hidrogênio é usado para processar petróleo bruto em combustíveis refinados, como gasolina e diesel, e também para remover contaminantes, como o enxofre, desses combustíveis.

O uso de hidrogênio nas refinarias tem aumentado nos últimos anos por diferentes razões:
(i) as rígidas regulamentações que exigem baixo teor de enxofre no diesel,
(ii) o aumento do consumo de petróleo bruto ‘pesado’ de baixa qualidade, que requer mais hidrogênio para refinar e
(iii) o aumento do consumo de petróleo em economias em desenvolvimento como a China e a Índia.

Proximadamente 75% do hidrogénio actualmente consumido em todo o mundo pelas refinarias de petróleo é fornecido por grandes instalações de hidrogénio que geram hidrogénio a partir do gás natural ou outros combustíveis hidrocarbonados

O hidrogénio é também uma substância básica importante para a produção de metanol (CH 3 OH). A produção de metanol (síntese de metanol) ocorre por meio da hidrogenação catalítica do monóxido de carbono.
Metanol pode ser usado diretamente como combustível em motores de combustão interna. Também é utilizado em células combustíveis de metanol direto ou, após a reforma, em células combustíveis PEM. Os aditivos combustíveis são produzidos a partir do metanol, e é usado para transesterificar óleos vegetais para formar ésteres metílicos (biodiesel).

Começando usos – usos baseados em energia

No campo energético, a maioria do hidrogênio é usado através das Células de Combustível (CFs). Uma célula de combustível é um dispositivo electroquímico que combina hidrogénio e oxigénio para produzir electricidade, com água e calor como subprodutos. Na sua forma mais simples, uma única célula de combustível consiste em dois eléctrodos – um anodo e um cátodo – com um electrólito entre eles. No ânodo, o hidrogênio reage com um catalisador, criando um íon carregado positivamente e um elétron carregado negativamente. O próton passa então através do electrólito, enquanto o electrão percorre um circuito, criando uma corrente. No cátodo, o oxigénio reage com o ião e o electrão, formando água e calor útil.

Hidrogénio no transporte

O combustível hidrogénio é considerado um bom candidato para contribuir para a descarbonização do sector do transporte rodoviário se for produzido a partir de fontes de energia renováveis através do processo de electrólise. Neste caso, as principais vantagens dos veículos elétricos a célula de combustível são a emissão zero de CO 2 e poluentes (a emissão no tubo de escape é apenas água), e a maior eficiência das células de combustível em relação aos motores de combustão interna. Carros de passageiros e ônibus urbanos, entre outros veículos, como equipamentos de manuseio de materiais, etc, são bons exemplos da nova tecnologia pronta para a comercialização em massa nos próximos anos.

As opções de aplicação do hidrogênio como combustível para mobilidade podem ser diferenciadas, primeiro pela forma química ou de ligação do hidrogênio e, segundo, pelo conversor de energia através do qual a energia armazenada no hidrogênio é disponibilizada.

• Em uso direto, o hidrogênio molecular (puro) (H2) é usado diretamente pelo meio de transporte, ou seja, sem conversão adicional, como fonte de energia. Neste caso, o hidrogénio pode ser utilizado tanto em motores de combustão interna como em células de combustível (sistemas de células de combustível).
• Em uso indirecto, o hidrogénio é utilizado para produzir fontes de energia finais ou é convertido através de etapas de conversão adicionais em combustíveis contendo hidrogénio gasoso ou líquido. Tais combustíveis PtG (Power-to-Gas) e PtL (Power-to-Liquids) podem, por sua vez, ser utilizados em motores térmicos. O uso em células de combustível também seria possível (em alguns casos), utilizando um reformador, mas não é economicamente viável.

Aviation

Na aviação civil, as células de combustível movidas a hidrogênio são consideradas como potenciais fornecedoras de energia para aeronaves, como têm sido em viagens espaciais há algum tempo. Assim, os módulos de células a combustível podem fornecer eletricidade ao sistema elétrico da aeronave como grupos geradores de emergência ou como uma unidade auxiliar de energia. Conceitos mais avançados incluem a partida do motor principal e a tração da roda do nariz para movimentos de aeródromos por aeronaves comerciais.

Aplicações Marítimas

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As na aviação, as células de combustível estão atualmente sendo testadas como fornecedores de energia para o fornecimento de energia a bordo. A utilização de células de combustível movidas a hidrogénio para a propulsão de navios, pelo contrário, ainda se encontra numa fase inicial de concepção ou ensaio – com aplicações em navios de passageiros, ferries ou embarcações de recreio de menor dimensão. A célula de combustível de baixa e alta temperatura (PEMFC) e a célula de combustível de óxido sólido (SOFC) são vistas como os tipos de células de combustível mais promissores para aplicações náuticas (EMSA 2017). Até agora, porém, nenhuma célula de combustível foi dimensionada e utilizada em grandes embarcações mercantes.

Treinas

Em locomotivas elétricas, a energia motriz é fornecida através de condutores de corrente estacionária (linhas aéreas, trilhos condutores) e coletores de corrente nos veículos. No entanto, por razões técnicas, económicas ou outras, nem todas as linhas ferroviárias podem ser electrificadas. Especialmente em linhas com baixo volume de transporte, o alto investimento inicial necessário para a eletrificação das linhas nem sempre pode ser justificado. Além disso, as linhas aéreas não podem ser utilizadas para manobras se também estiverem a ser utilizadas gruas para a movimentação de mercadorias de transporte. Na mineração subterrânea, pelo contrário, os veículos de tração têm que operar sem poluentes atmosféricos.

Veículos de transporte que utilizam hidrogênio como armazenamento de energia e fonte de energia podem oferecer uma alternativa adicional. Os veículos ferroviários movidos a células de combustível combinam a vantagem da operação livre de poluentes com a vantagem dos baixos custos de infra-estrutura, comparáveis aos da operação a diesel.

Material Handling Vehicles

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Camiões industriais de células de combustível, como empilhadores ou reboques (aeroportos) são especialmente adequados para a operação em interiores, porque não produzem emissões locais de poluentes e apenas baixas emissões de ruído. Os veículos a pilhas de combustível têm vantagens sobre os camiões industriais a pilhas de combustível em termos de reabastecimento. Em vez de terem de substituir a bateria, os camiões podem ser reabastecidos em dois a três minutos.

Ocupam menos espaço e são mais baratos para manutenção e reparação. Os camiões industriais a pilha de combustível permitem uma utilização ininterrupta e são, portanto, particularmente adequados para a operação de frotas com vários turnos no manuseamento de materiais (FCTO 2014b). No caso de frotas de caminhões industriais maiores em operação multi-turno, reduções de custos (moderadas) podem ser alcançadas em comparação com a tecnologia de bateria, e a produtividade no manuseio de materiais também pode ser aumentada.

Bus

Em termos de transporte rodoviário, os ônibus da rede de transporte público são a área de aplicação mais testada para hidrogênio e células de combustível. Desde o início dos anos 90, várias centenas de ônibus têm sido e estão sendo operados com hidrogênio em todo o mundo – predominantemente na América do Norte, Europa e cada vez mais também na Ásia.

Embora inicialmente o hidrogênio ainda fosse usado em ônibus com motores de combustão interna, os desenvolvedores de ônibus estão agora se concentrando quase inteiramente em ônibus elétricos com célula de combustível (FCEB). O uso de pequenas frotas de FCEB está sendo promovido em áreas urbanas como uma forma de contribuir para o desenvolvimento tecnológico e para a política de ar limpo.
Os ônibus com célula combustível atingiram agora um alto nível de maturidade técnica, embora ainda não estejam em produção em série. Devido aos pequenos números, até agora ainda são muito mais caros, em cerca de 1 milhão de euros, do que os autocarros a gasóleo normais, que custam cerca de 250.000 euros. Os custos de manutenção também foram significativamente reduzidos e os tempos de operação confiáveis aumentaram (Hua et al. 2013).

Dependente dos números de produção anual, os custos de produção dos FCEBs deverão, no entanto, continuar a cair em projetos futuros. Os custos de produção dos autocarros de 12 metros deverão baixar para cerca de 450.000 euros até 2020 (compra de 100 autocarros) e para cerca de 350.000 euros até 2030, colocando-os ao alcance dos autocarros híbridos a gasóleo.

Autocarros a pilhas de combustível modernas extraem a sua energia de duas pilhas de combustível, cada uma com uma potência de cerca de 100 kW. Eles também têm uma bateria de tracção relativamente pequena e são capazes de recuperar a energia de travagem. Além disso, transportam a bordo cerca de 30 a 50 kg de hidrogénio comprimido, armazenado em tanques de pressão a 350 bar. Por outro lado, alguns modelos de autocarros eléctricos a bateria têm grandes baterias de tracção e apenas pequenas pilhas de células de combustível, que são utilizadas como extensores de alcance.

Barramentos de células de combustível têm agora um alcance de 300 a 450 km e por isso oferecem quase a mesma flexibilidade que os autocarros a gasóleo no dia-a-dia. Enquanto alguns autocarros municipais mais antigos ainda consomem bem mais de 20 kg de hidrogénio (em vez de 40 litros de gasóleo) por 100 km, os novos autocarros a pilhas de combustível usam agora apenas 8 a 9 kg por 100 km, dando aos FCEBs uma vantagem de eficiência energética de cerca de 40 % em comparação com os autocarros a gasóleo. A fim de desenvolver o mercado, estão planejados projetos de demonstração com grandes frotas em uso a longo prazo. A frota FCEB na Europa deverá expandir-se de 90 para entre 300 e 400 veículos até 2020.

Leia mais sobre autocarros a pilha de combustível aqui.

Carros de passageiros

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Along com veículos eléctricos a bateria, os carros de passageiros a pilha de combustível a hidrogénio são a única opção de condução alternativa de emissão zero para o transporte privado motorizado. Os primeiros carros de passageiros a pilha de combustível foram testados nos anos 60 como projectos de demonstração. Um novo impulso ao desenvolvimento da célula de combustível veio nos anos 90. Na maioria dos casos, os veículos de teste a célula de combustível foram convertidos em carros que tinham sido originalmente equipados com um motor de combustão interna. Na época, porém, os primeiros modelos de teste ainda não eram competitivos, nem técnica nem economicamente. Além disso, até cerca de 10 anos atrás, os protótipos de motores a gasolina ainda estavam sendo testados com hidrogênio como energia alternativa e combustível com baixas emissões. Estes eram veículos com motores bivalentes modificados, que podiam funcionar tanto com gasolina como com hidrogénio. Devido ao combustível, os motores de combustão interna movidos a hidrogénio não só atingem eficiências um pouco mais elevadas do que no funcionamento a gasolina, como também emitem níveis muito mais baixos de poluentes.

Embora o hidrogénio seja um combustível limpo com excelentes propriedades físico-químicas, tem sido incapaz de ganhar aceitação como combustível para o transporte rodoviário motorizado. Para automóveis de passageiros, o foco agora é quase inteiramente em células de combustível movidas a hidrogénio como fonte de energia de condução.

Existe agora uma vasta experiência prática disponível com protótipos de automóveis de passageiros movidos a células de combustível. Alguns dos principais fabricantes de automóveis começam a oferecer veículos de produção em série que são agora tão bons como os automóveis com motor de combustão interna convencional em termos de funcionalidade. O número de carros a célula de combustível fabricados nos próximos anos deverá variar entre várias centenas e milhares de unidades. Praticamente todos os carros de passageiros a célula de combustível estão hoje equipados com células de combustível PEM, tanto em configurações em série como em paralelo. Os preços dos veículos de médio porte equipados com células de combustível ainda são bem superiores aos dos veículos de passageiros com motores de combustão interna – em cerca de 60.000 EUR/USD. Com o lançamento da produção da série FCEV, o custo e os preços dos veículos deverão cair substancialmente.

As pilhas de combustível nos últimos modelos de pilhas de combustível têm uma potência de 100 kW ou mais. Em comparação com carros elétricos a bateria, eles têm um alcance maior – de cerca de 400 a 500 quilômetros hoje – com um peso menor do veículo e tempos de reabastecimento muito mais curtos de três a cinco minutos. Eles geralmente carregam de 4 a 7 kg de hidrogênio a bordo, armazenados em tanques de pressão a 700 bar.

Leia mais sobre postos de reabastecimento

Aplicações de energia estacionária

Células de combustível estacionárias podem ser usadas para fornecimento de energia descentralizada em áreas fora da rede. O mercado para aplicações de energia de reserva (BUP) está se tornando cada vez mais importante. As aplicações de backup incluem, em primeiro lugar, o fornecimento de energia de emergência e, em segundo lugar, o fornecimento ininterrupto de energia (UPS).

Os grupos geradores de emergência são utilizados para manter o funcionamento em caso de falhas prolongadas de energia. Nestes casos, a comutação da alimentação de rede é normalmente (brevemente) interrompida.
As fontes de alimentação ininterruptas, por outro lado, são utilizadas para proteger sistemas técnicos altamente sensíveis contra flutuações da alimentação de rede e interrupções de curto prazo, de modo a garantir o funcionamento contínuo. As áreas de utilização incluem em particular sistemas de telecomunicações e TI, tais como torres de rádio ou centros de processamento de dados.

Em comparação com as centrais térmicas convencionais, as células de combustível têm eficiências elétricas muito mais altas de até 60%, mesmo para pequenas instalações. Isto é vantajoso do ponto de vista exagerado, uma vez que muita eletricidade de alto valor e pouco calor são produzidos.

Em operação contínua, os backups de células a combustível são caracterizados pelas seguintes vantagens: longa operação autônoma e vida útil, baixos custos de manutenção devido à falta de peças móveis e geração de eletricidade silenciosa (localmente) livre de emissões.

A capacidade de backup de células a combustível estacionárias varia de alguns kW a mais de 1 GWe. As células de combustível com saídas eléctricas de baixa voltagem são frequentemente células de combustível portáteis, que oferecem vantagens de peso em relação às baterias recarregáveis e geradores. Uma variedade de diferentes tipos de células a combustível são utilizadas no sector estacionário, em alguns casos também para refrigeração. Além do hidrogênio, metanol, gás natural e gás liquefeito de petróleo são utilizados como combustíveis.

Energia doméstica

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Se, além da eletricidade gerada, o calor que é produzido também é utilizado, o processo é chamado de produção combinada de calor e energia (CHP). Se estas centrais são utilizadas no sector do aquecimento doméstico, também são descritas como centrais de micro-CHP ou mini-CHP devido às suas saídas menores.

centrais de CHP podem ser operadas com duas estratégias: A usina cobre a maior parte da eletricidade ou da demanda de calor. Se os preços da eletricidade são altos, é apropriado um modo de operação com eletricidade. Desta forma, a compra de electricidade da rede pode ser minimizada, ou a electricidade CHP gerada pode ser introduzida na rede eléctrica e reembolsada.

O calor produzido como subproduto da produção combinada de calor e electricidade é utilizado para cobrir parte da procura de calor dos edifícios. O modo de funcionamento, na maior parte dos casos, conduzido por electricidade, resulta numa baixa saída térmica dos sistemas de aquecimento por células de combustível. A restante necessidade de calor do edifício é coberta por um sistema de aquecimento adicional, por exemplo, uma caldeira de condensação. Por esta razão, as células de combustível são particularmente adequadas para edifícios com pouca necessidade de aquecimento, tais como edifícios de baixo consumo energético ou quase sem consumo energético. Em edifícios com maior necessidade de espaço de aquecimento, são utilizados sistemas híbridos de aquecimento por células de combustível, incluindo uma célula de combustível e uma caldeira de condensação para cobrir picos de aquecimento.

Células de combustível estacionárias na faixa de saída de até 10 kCélulas de combustível PEM ou SO. A faixa de saída típica de CHP para casas e edifícios de apartamentos é de 0,7 a 5 kWe. Se os sistemas de células a combustível forem operados com gás natural como combustível, uma infra-estrutura de gás natural existente pode ser utilizada. No entanto, o combustível deve ser reformado primeiro. No caso de células de combustível PEM, a reforma ocorre externamente. Devido às temperaturas mais altas, a reforma interna é possível em células a combustível SO.

Provavelmente a maior vantagem das células a combustível sobre os processos de energia térmica é a conversão eletroquímica direta durante a geração de eletricidade e calor e a maior eficiência elétrica associada. No modo combinado, ou seja, elétrico e térmico, as células a combustível podem alcançar eficiências de até 95%. A eficiência elétrica é de até 45 %. Além disso, os sistemas de células a combustível caracterizam-se por altas eficiências em todos os pontos de carga, são silenciosos, têm baixos custos de manutenção e funcionam (localmente) sem emissões.