Produção de hidrogénio: como é que o hidrogénio é produzido e o que é?
O hidrogénio está a tornar-se cada vez mais importante como um promissor transportador de energia limpa, especialmente com vista a um futuro mais ecológico. Mas já alguma vez se perguntou o que é o hidrogénio e como é produzido? Neste artigo, analisamos os conceitos básicos e as tecnologias utilizadas para produzir hidrogénio e o que o torna um elemento especial.
Hidrogénio: o elemento químico mais simples e a respetiva composição
Em termos simples, o hidrogénio é um gás incolor, inodoro e insípido. Goza da reputação de ser o elemento químico mais simples e abundante do universo. O hidrogénio é constituído por partículas pequenas, protões e eletrões.
É extremamente reativo e pode combinar-se com outros elementos para formar compostos como a água. Funciona como um poderoso combustível e pode ser utilizado para gerar eletricidade, operar veículos e gerar calor. Enquanto transportador de energia limpa, o hidrogénio tem o potencial de reduzir o impacto ambiental e contribuir para um fornecimento de energia sustentável
aplicações industriais de hidrogénio
Produção de hidrogénio através da utilização tecnológica
Existem várias tecnologias para a produção de hidrogénio que podem ser utilizadas consoante os requisitos específicos e os recursos disponíveis. Eis alguns métodos comuns:
- Reforma a vapor do gás natural: esta é atualmente a tecnologia mais utilizada para a produção de hidrogénio. Neste processo, o gás natural, que consiste principalmente em metano, é aquecido com vapor de água na presença de um catalisador. Figurativamente, a reforma a vapor pode ser considerada como a "decomposição" de gás natural.
Neste processo, o metano no gás natural reage com o vapor de água, produzindo hidrogénio (H2) e monóxido de carbono (CO). O hidrogénio obtido é purificado e pode então ser utilizado como combustível em veículos, para gerar eletricidade em células de combustível ou em várias aplicações industriais. Este processo é económico, mas também tem desvantagens, nomeadamente, o dióxido de carbono é libertado como um subproduto, prejudicando, assim, o ambiente.
- Eletrólise da água: na eletrólise, a água é dividida em hidrogénio e oxigénio com a ajuda de uma corrente elétrica. Para obter essa divisão, o processo de eletrólise é efetuado por equipamentos ou aparelhos denominados eletrolisadores.
- Produção solar de hidrogénio: neste método, o processo de eletrólise é efetuado utilizando energia solar em vez de energia elétrica. Isto pode ser feito através da luz solar direta ou da concentração da radiação solar com a ajuda de espelhos ou coletores solares. Esta nova tecnologia pode ser utilizada em países com grande exposição solar e permite uma produção de hidrogénio de forma particularmente rentável.
- Produção termoquímica de hidrogénio (produção biológica de hidrogénio): alguns microrganismos, como determinadas bactérias ou algas, podem produzir hidrogénio através de fermentação ou fotossíntese. Este método ainda está em desenvolvimento, mas tem potencial para ser uma fonte de hidrogénio sustentável e ecológica. No entanto, a desvantagem deste tipo de produção é o facto de os recursos serem finitos.
Sustentabilidade da produção de hidrogénio: escolher a fonte de energia adequada
Note-se que nem todos os processos de produção de hidrogénio são igualmente sustentáveis ou ecológicos. A sustentabilidade da produção de hidrogénio depende da fonte de energia utilizada e das emissões de CO2 durante o processo de produção. Para tirar o máximo partido dos benefícios do hidrogénio como fonte de energia limpa, é de grande importância utilizar fontes de energia renováveis para a produção de hidrogénio.
A utilização de energias renováveis, como a energia solar, a energia eólica ou a energia hidroelétrica, pode reduzir significativamente as emissões de CO2 na produção de hidrogénio, tornando-a mais sustentável e ecológica. Deste modo, é produzido hidrogénio ecológico, tratando-se de um passo importante no sentido de alcançar um futuro com baixas emissões de carbono e de combater as alterações climáticas.
O hidrogénio também é frequentemente referido como o "champanhe da transição energética". Porém, como podemos produzir hidrogénio a partir de energias renováveis em grande escala?
aplicação de hidrogénio na mobilidade
A eletrólise é o processo mais promissor. O processo de eletrólise permite uma produção ecológica de hidrogénio, especialmente se a eletricidade utilizada for proveniente de fontes de energia renováveis. Estas tecnologias desempenham um papel importante para permitir que o hidrogénio limpo surja como um transportador de energia sustentável para várias aplicações. Analisámos detalhadamente as diferentes tecnologias, bem como as vantagens e desvantagens de cada uma delas.
Eletrólise PEM:
A eletrólise PEM, também conhecida como eletrólise de membrana de troca de protões, divide a água em hidrogénio e oxigénio utilizando uma membrana de polímero e corrente elétrica.
Vantagens:
- Arranque e adaptação a cargas variáveis rápidos
- Elevada eficiência no funcionamento com carga parcial
- Baixa temperatura de funcionamento (50–80 °C), reduzindo a utilização de materiais dispendiosos
- Tamanho compacto e fácil integração em sistemas existentes
- Elevado nível de maturidade tecnológica (TRL 7–8)
Desvantagens:
- Sensível às impurezas presentes na água, pelo que requer um pré-tratamento da água
- Duração da assistência limitada da célula de combustível PEM (aprox. 10 000 horas de funcionamento)
- Custos mais elevados em comparação com a eletrólise alcalina
Eletrólise alcalina:
Na eletrólise alcalina, a água é dividida nos seus constituintes hidrogénio e oxigénio utilizando um eletrólito alcalino, por norma, uma solução aquosa de hidróxido de potássio.
Vantagens:
- Custos mais baixos em comparação com a eletrólise PEM
- Resistente a contaminantes presentes na água
- Duração da assistência prolongada da célula eletrolítica (aprox. 40 000–80 000 horas de funcionamento)
- O nível mais elevado de maturidade tecnológica (TRL 8–9)
Desvantagens:
- Taxa de reação mais lenta em comparação com a eletrólise PEM
- Temperaturas de funcionamento mais elevadas (70–100 °C), levando a um maior consumo de energia
- Integração mais difícil nos sistemas existentes devido aos diferentes parâmetros de funcionamento
SOEC (célula de eletrólise de óxido sólido):
SOEC significa "Solid Oxide Electrolysis Cell" (célula de eletrólise de óxido sólido) e refere-se a uma célula eletrolítica de alta temperatura que converte água em hidrogénio e oxigénio a altas temperaturas e com óxidos sólidos como eletrólito.
Vantagens:
- Elevada eficiência e recuperação de calor devido a temperaturas de funcionamento elevadas (800–1000 °C)
- Flexibilidade na utilização de diferentes combustíveis (por exemplo, vapor, CO2)
Desvantagens:
- As temperaturas de funcionamento elevadas requerem materiais dispendiosos e um isolamento térmico especial
- Arranque e adaptação a cargas variáveis lentos
- Dimensões maiores e integração complexa do sistema
- Pouca experiência operacional em grande escala
Eletrólise AEM (membrana de troca de aniões):
AEM significa "Anion Exchange Membrane" (membrana de troca de aniões) e refere-se a uma tecnologia de eletrolisação que utiliza uma membrana especial que permite a permeabilidade a iões com carga negativa e divide a água em hidrogénio e oxigénio utilizando corrente elétrica.
Vantagens:
- Custos mais baixos em comparação com a eletrólise PEM
- Resistente a contaminantes presentes na água
- Funcionamento a temperaturas mais baixas (aprox. 60–80 °C)
Desvantagens:
- Desenvolvimento e comercialização limitados em comparação com a eletrólise PEM e alcalina
- Potenciais desafios em relação à estabilidade da membrana a longo prazo
- Não existem instalações de grande escala disponíveis. Baixo nível de maturidade tecnológica.