Produção de hidrogênio: como o hidrogênio é feito e o que é?

O hidrogênio está se tornando cada vez mais importante como um promissor transportador de energia limpa, especialmente tendo em vista um futuro mais favorável ao clima. Mas você já se perguntou o que realmente é o hidrogênio e como ele é produzido? Neste artigo, examinamos os princípios básicos e as tecnologias usadas para produzir hidrogênio e o que torna o hidrogênio um elemento especial.

Simplificando, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. Goza da reputação de ser o elemento químico mais simples e abundante do universo. O hidrogênio consiste em pequenas partículas, prótons e elétrons.

É extremamente responsivo e pode ser combinado com outros elementos para formar compostos como água. Ele atua como um combustível potente e pode ser usado para gerar eletricidade, operar veículos e gerar calor. Enquanto portador de energia limpa, o hidrogênio tem o potencial de reduzir o impacto ambiental e contribuir para um fornecimento de energia sustentável

Existem diversas tecnologias para a produção de hidrogênio, que podem ser usadas dependendo dos requisitos específicos e dos recursos disponíveis. Aqui estão alguns métodos comuns:
 

• Reforma a vapor do gás natural: essa é atualmente a tecnologia mais usada para a produção de hidrogênio. Nesse 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 "quebra" do gás natural.
  
  Nesse processo, o metano no gás natural reage com o vapor de água, produzindo hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO). O hidrogênio obtido é purificado e pode então ser utilizado como combustível em veículos, para gerar eletricidade em células de combustível ou em várias aplicações industriais. Esse processo é barato, mas também tem desvantagens. O dióxido de carbono é liberado como um subproduto, o que tem impacto no meio ambiente.

• Eletrólise de água: na eletrólise, a água é dividida em hidrogênio e oxigênio com a ajuda de uma corrente elétrica. Equipamentos conhecidos como eletrolisadores realizam o processo de eletrólise para isso.

• Produção solar de hidrogênio: nesse método, a energia solar é utilizada em vez de energia elétrica para realizar o processo de eletrólise. Isso pode ser feito pela luz solar direta ou pela concentração da radiação solar com a ajuda de espelhos ou coletores solares. Essa nova tecnologia pode ser utilizada em países onde existe sol suficiente e possibilita a produção de hidrogênio de forma particularmente econômica.

• Produção termoquímica de hidrogênio (produção biológica de hidrogênio): alguns microrganismos, como certas bactérias ou algas, podem produzir hidrogênio por fermentação ou fotossíntese. Esse método ainda está em desenvolvimento, mas tem potencial como fonte de hidrogênio sustentável e ecologicamente correta. No entanto, a desvantagem desse tipo de produção são os recursos finitos.

Deve-se observar que nem todos os processos de produção de hidrogênio são igualmente sustentáveis ou ecológicos. A sustentabilidade da produção de hidrogênio depende da fonte de energia utilizada e das emissões de CO2 durante o processo de produção. Para aproveitar ao máximo os benefícios do hidrogênio como fonte de energia limpa, é de grande importância utilizar fontes de energia renováveis para a produção de hidrogênio.

A utilização de energias renováveis, como a energia solar, a energia eólica ou a energia hídrica, pode reduzir significativamente as emissões de CO2 na produção de hidrogênio, tornando-o mais sustentável. É produzido hidrogênio ecologicamente correto. Esse é um passo importante para alcançar um futuro com baixas emissões de carbono e combater alterações climáticas.

A eletrólise é o processo mais promissor. O processo de eletrólise permite a produção ecológica de hidrogênio, especialmente se a eletricidade utilizada vier de fontes de energia renováveis. Essas tecnologias desempenham um papel importante ao permitir que o hidrogênio limpo surja como um transportador de energia sustentável para diversas aplicações. Analisamos detalhadamente as diferentes tecnologias e analisamos as vantagens e desvantagens de cada uma.

A eletrólise PEM, também conhecida como eletrólise de membrana de troca de prótons, divide a água em hidrogênio e oxigênio usando uma membrana polimérica e corrente elétrica.

Vantagens:

• Inicialização rápida e adaptação rápida a cargas variáveis
• Alta eficiência na operação em carga parcial
• Baixa temperatura operacional (50-80 °C), reduzindo o uso de materiais caros
• Tamanho compacto e fácil integração em sistemas existentes
• Alto nível de maturidade tecnológica (TRL 7-8)

Desvantagens:

• Sensível a impurezas na água, portanto, requer pré-tratamento da água
• Vida útil limitada da célula de combustível PEM (aprox. 10.000 horas de operação)
• Custos mais altos em comparação com a eletrólise alcalina

Na eletrólise alcalina, a água é dividida em seus constituintes hidrogênio e oxigênio usando um eletrólito alcalino, geralmente uma solução aquosa de hidróxido de potássio.

Vantagens:

• Custos mais baixos em comparação com a eletrólise PEM
• Robusto contra contaminantes na água
• Longa vida útil da célula eletrolítica (aprox. 40.000 a 80.000 horas de operação)
• Maior nível de maturidade tecnológica (TRL 8-9)

Desvantagens:

• Taxa de reação mais lenta em comparação com a eletrólise PEM
• Temperaturas operacionais mais altas (70-100 °C) levam a um maior consumo de energia
• Integração mais difícil aos sistemas existentes devido a diferentes parâmetros operacionais

SOEC significa célula de eletrólise de óxido sólido e refere-se a uma célula eletrolítica de alta temperatura que converte água em hidrogênio e oxigênio em altas temperaturas e com óxidos sólidos como eletrólito.

Vantagens:

• Alta eficiência e recuperação de calor devido às altas temperaturas de operação (800-1000 °C)
• Flexibilidade no uso de diferentes combustíveis (por exemplo, vapor, CO2)

Desvantagens:

• Altas temperaturas operacionais exigem materiais caros e isolamento térmico especial
• Inicialização lenta e adaptação a cargas variáveis
• Dimensões maiores e integração de sistemas complexos
• Pouca experiência operacional em larga escala

AEM significa membrana de troca aniônica e refere-se a uma tecnologia de eletrolisador que utiliza uma membrana especial que permite a permeabilidade a íons carregados negativamente e divide a água em hidrogênio e oxigênio usando corrente elétrica.

Vantagens:

• Custos mais baixos em comparação com a eletrólise PEM
• Robusto contra contaminantes na água
• Operação em temperaturas mais baixas (aprox. 60-80 °C)

Desvantagens:

• Desenvolvimento e comercialização limitados em comparação com PEM e eletrólise alcalina
• Desafios potenciais para a estabilidade a longo prazo da membrana
• Não há instalações em grande escala disponíveis. Baixo nível de maturidade tecnológica.