A economia verde do hidrogénio do futuro
Um tema do futuro é a produção de energia com hidrogénio. O hidrogénio verde, em particular, que é produzido utilizando energia de fontes renováveis, tem um grande potencial. Existem atualmente muitas novas tecnologias para produzir, transportar e utilizar este vetor energético.
O hidrogénio verde é extremamente importante para alcançar os objectivos de proteção climática de Paris. É produzido utilizando a tecnologia "power-to-gas". Neste processo, o hidrogénio verde é produzido por eletrólise utilizando eletricidade de fontes de energia renováveis, como o vento ou o sol. Isto significa que o hidrogénio verde é isento de CO².
As tecnologias do hidrogénio envolvem várias aplicações mecânicas ou químicas para a utilização do hidrogénio. Destinam-se a ajudar a reduzir os gases nocivos para o clima, como o dióxido de carbono ou o metano. As áreas de aplicação vão desde a produção industrial e a utilização no transporte e tráfego de mercadorias até à produção de eletricidade e calor. Além disso, as energias renováveis podem ser armazenadas de forma flexível com a ajuda das tecnologias do hidrogénio.
Tecnologias para a produção de hidrogénio
O hidrogénio verde deve ser produzido por eletrólise. Existem vários tipos de eletrólise, mas um eletrolisador é sempre constituído por várias células de eletrólise dispostas em fila. A energia eléctrica proveniente de fontes renováveis é então utilizada para forçar uma reação redox e dividir a água nos seus componentes individuais, o oxigénio e o hidrogénio. O hidrogénio pode então ser armazenado sob várias formas.
De acordo com a brochura Hydrogen Technologies do Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, a eletrólise a alta temperatura, em particular, é uma "tecnologia-chave para a produção eficiente de hidrogénio e gás de síntese". Oferece várias vantagens em relação aos electrolisadores alcalinos e PEM. Por exemplo, o processo não requer quaisquer componentes de aço inoxidável e permite a produção direta de gás de síntese. Na eletrólise a alta temperatura com eletrólise de óxido sólido (SOE), são atingidas temperaturas superiores a 750 graus Celsius durante os processos de conversão. O eletrólito é utilizado como um material cerâmico sólido que separa as duas meias-células. A água entra então nas câmaras de reação sob a forma de vapor.
Para além da eletrólise a alta temperatura, existe também a eletrólise alcalina e a eletrólise por membrana de permuta de protões. A eletrólise alcalina (AEL) é atualmente o processo de eletrólise mais utilizado, uma vez que os custos de investimento são baixos e a tecnologia é estável a longo prazo. AEL utiliza um eletrólito líquido condutor de OH.
A eletrólise por membrana de permuta de protões (PEM) funciona a baixas temperaturas e é uma tecnologia relativamente nova. O hidrogénio pode ser extraído de águas industriais e mineiras. O processo Rodosan foi desenvolvido no Fraunhofer IKTS para este fim. A vantagem do PEM é que pode reagir rapidamente a flutuações na energia adicionada e tem um bom comportamento de mudança de carga. O hidrogénio é separado como um produto de reação utilizável durante o tratamento eletroquímico do ácido sulfúrico e da água sem sulfatos nas células de eletrólise de membrana.
Tecnologias de baixo teor de CO2 para a utilização do hidrogénio
Como gás de processo para a produção de produtos básicos e valiosos, o hidrogénio verde pode garantir que não é emitido mais CO². Isto deve-se ao facto de o minério de ferro ter de ser convertido em ferro-gusa para produzir aço. Para o efeito, é utilizado coque no processo do alto-forno. Para tornar este processo quase neutro para o clima (redução de CO² superior a 95 por cento), o hidrogénio pode ser utilizado em vez do gás natural nos processos de redução direta. De acordo com o Fraunhofer IKTS, a eletrólise a alta temperatura é o método mais adequado. O calor residual existente pode ser utilizado eficazmente e o gás de síntese pode ser produzido.
A eletrólise a alta temperatura também é adequada para a síntese de amoníaco. Atualmente, é utilizado gás natural para este processo, que produz grandes quantidades de CO². Se as emissões de CO² forem inevitáveis, é possível utilizá-las como fonte de carbono. Por exemplo, podem ser obtidas ceras para a indústria cosmética ou combustíveis para a aviação. A síntese de Fischer-Tropsch é adequada para produzir produtos contendo carbono a partir de CO² e hidrogénio. No entanto, para que esta tecnologia seja particularmente eficaz e eficiente, deve ser associada ao processo de (co-)eletrólise. O processo de co-eletrólise produz gás de síntese, o que torna a produção de produtos químicos particularmente eficiente.
O hidrogénio verde também serve como fonte de energia nos domínios da eletricidade, do calor e da mobilidade. As caldeiras a gás natural nos edifícios podem, teoricamente, ser alimentadas com hidrogénio. Na produção de eletricidade, o hidrogénio pode ser convertido em eletricidade por meio de células de combustível que utilizam a reconversão. Isto é feito através da combustão a frio, na qual é provocada uma reação entre o oxigénio e o hidrogénio no interior da célula de combustível. O produto residual da tensão eléctrica resultante é a água, pelo que não são produzidas emissões. No sector dos transportes, os veículos, navios e comboios movidos a hidrogénio são um bom complemento aos veículos eléctricos. Os combustíveis sintéticos à base de hidrogénio também podem ser utilizados, especialmente na aviação e no transporte pesado de mercadorias.
No âmbito do projeto da Caríntia "H2 Carinthia", o hidrogénio verde será mesmo utilizado duas vezes: na produção industrial de microchips na Infineon e depois para reabastecer meios de transporte. O hidrogénio verde é dissociado após a produção e alimentado a uma instalação PSA (pressure swing absorption) na estação de reabastecimento de água, onde é purificado para utilização nos transportes. Em dezembro de 2022, os primeiros cinco autocarros que funcionam com hidrogénio verde reciclado já foram lançados na rede de transportes públicos da Caríntia.
Tecnologias de armazenamento e transporte de hidrogénio verde
Para que o hidrogénio possa ser transportado para ser utilizado noutro local, tem de ser armazenado. Este é um grande desafio, uma vez que se trata de uma substância química leve e bastante volátil. O hidrogénio pode ser armazenado em vários estados de agregação, acima do solo, em tanques ou no subsolo. Na forma líquida, o hidrogénio é armazenado a temperaturas extremamente baixas (menos 553 graus Celsius) em tanques criogénicos isolados, o que significa que se perde muita energia. Os tanques criogénicos devem ser muito bem isolados para que o hidrogénio não se vaporize.
O hidrogénio é armazenado sob a forma gasosa em reservatórios pressurizados ou em cavernas subterrâneas. Este tipo de armazenamento é o mais utilizado, pois garante uma boa mobilidade. As instalações de armazenamento em cavernas, em particular, têm um elevado volume de armazenamento. Além disso, não é necessário selar novas áreas. Existem também instalações de armazenamento de hidretos metálicos, onde uma grande quantidade de hidrogénio é armazenada em estruturas sólidas de treliça metálica (por exemplo, metais ou carbono) e pode ser libertada novamente por aquecimento. No entanto, o transporte torna-se mais difícil devido ao elevado peso morto. O hidrogénio também pode ser absorvido em suportes líquidos, como o óleo (suporte líquido orgânico de hidrogénio). No entanto, perde-se muita energia devido aos catalisadores.
O hidrogénio armazenado é então transportado por camião, navio ou comboio, por exemplo. No entanto, para que este transporte seja amigo do ambiente, o meio de transporte deve ser elétrico ou funcionar com hidrogénio verde. O hidrogénio também pode ser transportado em gasodutos existentes ou novos. A infraestrutura de gás natural é de particular interesse neste caso. O hidrogénio pode ser adicionado ao gás natural em determinadas proporções. Tubos de polietileno e tubos compostos de metal-plástico para o transporte de hidrogénio estão também a ser testados no Parque Químico de Bitterfeld-Wolfen.
Fonte: www.ntv.de
