Hidrogênio e fontes alternativas de energia Experiência direta em engenharia

Em geral, um eletrolisador é um dispositivo para separar, quebrar e transformar um material ou molécula (reação redox) com a ajuda de energia elétrica. Em um eletrolisador de água, as moléculas de água (H₂O) são convertidas em moléculas de hidrogênio (H₂) e moléculas de oxigênio (O₂).

A reação real ocorre em células eletroquímicas com tensões de aprox. 1,4 V. Por questões de praticidade, algumas dessas células (conexão elétrica em série) são empilhadas em pilhas. Todos os equipamentos periféricos em torno das células eletromecânicas são denominados “Balanço de Planta”.

Balanço de Planta (em inglês, Balance of Plant ou BOP) é um termo geralmente usado em conexão com a tecnologia de energia. Ele se refere a todos os componentes de suporte e sistemas auxiliares necessários para a conversão de energia, com exceção da própria unidade geradora ou unidade de transformação.

Para eletrolisadores, isso inclui gerenciamento de energia (transformadores, inversores, controladores de potência etc.), gerenciamento de fluido e gás (condicionamento de água, separação de fases de fluido e gás, secagem de gás, compressão de gás) e gerenciamento térmico (sistemas de refrigeração para eletrônica de potência, pilha e secagem de condensação).

Uma célula de combustível consiste em dois eletrodos: o ânodo (lado do hidrogênio) e o cátodo (lado do ar). Ambos os eletrodos são separados por um eletrólito. Na célula de combustível PEM, é uma membrana semipermeável que é permeável apenas a prótons.

O hidrogênio é alimentado ao ânodo. Em seguida, ele é dividido em prótons e elétrons com a ajuda de um catalisador (geralmente platina). Os prótons então migram através da membrana para o cátodo. Os elétrons fluem para o cátodo através de um consumidor elétrico e a energia elétrica é fornecida. No cátodo, prótons e eletrodos se combinam com o oxigênio do ar circundante para formar água.

O termo “célula eletroquímica” é um termo abrangente para diferentes tipos de células, como células de eletrólise, células de acumuladores, células de bateria ou células galvânicas. Às vezes, esses tipos de células podem ser reversíveis, como células de acumuladores. Estas podem ser carregadas e descarregadas. Isso significa que elas podem converter energia elétrica em energia química e liberá-la novamente como energia elétrica. Além disso, alguns tipos de células de eletrólise podem ser operadas como células de combustível. Isso significa que a conversão de hidrogênio e oxigênio em água libera energia elétrica e calor.

As células de eletrólise e células de combustível consistem em placas bipolares, eletrodos e, dependendo da tecnologia, camadas de difusão de gás (GDL) e membranas. Quando “membranas de troca de prótons/ânions” (PEM/AEM) são usadas, elas geralmente são conectadas diretamente aos eletrodos e chamadas de “conjunto de membranas de troca” (MEA).

O conjunto eletrodo/membrana (MEA) pode ser interpretado de mais de uma maneira. Em alguns casos, ele é entendido como apenas a membrana com as camadas de catalisador revestidas (de um lado para a reação do cátodo; do outro lado para a reação do ânodo). Muitas vezes, no entanto, a(s) camada(s) de difusão de gás é(são) incluída(s), uma vez que esta(s) também deve(m) ser eletricamente condutora(s).

Dependendo da tecnologia, a membrana consiste em diferentes polímeros ou cerâmicas, cada um dos quais pode transportar prótons, ânions (por exemplo, ânions de hidróxido = OH) ou oxigênio seletivamente. As camadas de difusão de gás servem para transportar os gases produzidos (eletrólise) e, em particular, os gases utilizados (células de combustível) da forma mais homogênea possível para longe ou em direção aos locais de reação (camadas de catalisador). Esses gases são conduzidos para fora ou para dentro das células eletroquímicas por meio de canais nas placas bipolares.

As placas bipolares que foram instaladas em uma configuração de células múltiplas ou empilhadas são, acima de tudo, responsáveis por conectar fisicamente e eletricamente o ânodo de uma célula com o cátodo da célula vizinha. Placas bipolares em células de combustível também são responsáveis por conduzir os gases de reação para a zona de reação. Para isso, os perfis de fluxo (campos de fluxo) são fresados ou pressionados nas placas em ambos os lados, através dos quais o hidrogênio flui de um lado e o ar é fornecido do outro.

Uma placa bipolar consiste em dois polos de uma única célula de combustível: a placa do ânodo que transporta hidrogênio (o polo negativo [-]) e a placa do cátodo (o polo positivo [+]) para alimentar o ar de reação. As placas também regulam a remoção de vapor de água e a saída de energia térmica e elétrica. Nas células de eletrólise, elas são usadas principalmente para refrigerar o eletrolisador, fornecer gases de reação para o lado do ânodo e remover o hidrogênio e os gases produzidos na reação.

Na eletrólise e na tecnologia de células de combustível, uma pilha é uma pilha de células eletroquímicas conectadas em série, incluindo a carcaça/estrutura/elementos de fixação. A conexão em série permite aumentar a tensão de alimentação e reduzir a corrente com o mesmo consumo de energia de acordo com a fórmula P=U*I. Independentemente disso, a conexão em série em uma pilha também simplifica o projeto geral do sistema.

O hidrogênio gasoso pode ser armazenado em um tanque após a compressão a alta pressão. Nos transportes, por exemplo, estabeleceu-se um nível de pressão de 350 bar para veículos comerciais e 700 bar para carros. A 700 bar a densidade é de aprox. 40 kg/m³ (24 kg/m³ a 350 bar). Os acumuladores de alta pressão oferecem uma solução de baixo custo para pequenas quantidades de armazenamento e, portanto, são usados principalmente em aplicações móveis, como carros e veículos comerciais.
Atualmente, existem quatro tipos diferentes de vasos de pressão no mercado:

• Tipo 1: o vaso de pressão consiste em apenas uma parede metálica (geralmente de aço). As pressões nominais estão na faixa de 200 bar.
• Tipo 2: além da parede metálica, os vasos de pressão possuem uma camisa de vidro impregnada com resina ou fibra de carbono com pressão nominal de até 1.000 bar.
• Tipo 3: os tanques possuem um forro metálico (geralmente alumínio) e uma camisa de fibra de carbono ao redor de todo o tanque. As pressões nominais são tipicamente 350 ou 700 bar.
• Tipo 4: os acumuladores têm um forro de plástico (tipicamente poliamida ou polietileno) e a camisa geralmente é feita de fibra de carbono, como nos vasos do tipo 3. As pressões nominais são geralmente 350, 500 ou 700 bar.

Comparado ao armazenamento de hidrogênio gasoso, o hidrogênio líquido como combustível oferece vantagens em termos de densidade de energia (71 kg/m³). A pressão no tanque também pode ser mantida baixa. Isso tem um efeito positivo no sistema de tanques em termos de peso do tanque de armazenamento e requisitos de espaço, custos (especialmente para grandes volumes de armazenamento) e segurança.

No entanto, os custos de produção do hidrogênio criogênico (-253 °C) não são insignificantes. O hidrogênio também aquece se não for constantemente refrigerado. Isso causa um aumento na pressão dentro do tanque. Isso pode levar a perdas por “ebulição”. Em outras palavras, o hidrogênio gasoso é expelido para o meio ambiente.

Um motor a hidrogênio é um motor a gás que funciona com hidrogênio gasoso em vez de combustível líquido (como diesel e gasolina). Existem motores a hidrogênio puro que são alimentados com hidrogênio puro. Existem também motores bicombustíveis a hidrogênio, movidos por uma mistura de combustível de hidrogênio e outros gases (como metano e gás natural).

Um motor a hidrogênio é considerado uma alternativa à célula de combustível, pois os motores de combustão existentes podem ser convertidos com relativamente pouco esforço técnico. No entanto, estudos mostram que a vantagem do custo diminuirá consideravelmente com o aumento das células de combustível. Além disso, os motores a hidrogênio possuem uma eficiência menor, requisitos de manutenção mais altos e o rótulo de não serem 100% neutros em carbono.

Os veículos elétricos a célula de combustível (em inglês, “fuel cell electric vehicles” ou (FCEV) são movidos exclusivamente por um motor elétrico, assim como os veículos elétricos a bateria (em inglês, “battery electric vehicles” ou (BEV).

Ao contrário do BEV, a energia elétrica necessária não é fornecida por uma grande bateria de acionamento (conhecida como bateria de tração). Ao vez disso, ela é disponibilizada pela conversão de energia química da fonte de energia alternativa em energia elétrica, possibilitada pela célula de combustível.

No momento, as células de combustível ainda não foram projetadas para mudanças de carga tão rápidas e duradouras quanto os motores a combustão. Por esta razão, também é instalada uma (pequena) bateria de acionamento que é alimentada quando a carga é baixa e fornece energia adicional quando a carga é alta. Isso permite que a célula de combustível seja operada com uma carga relativamente constante quando o FCEV está sendo acionado.

As usinas elétricas a células de combustível (FCPP), as usinas combinadas de calor e energia (CHP) e as usinas combinadas de calor e energia com células de combustível (FC-CHPPP) impressionam com seu alto nível de eficiência geral. Dependendo da tecnologia de célula de combustível utilizada, a eficiência elétrica está atualmente em torno de 30 a 60%. A eficiência geral pode ser superior a 95%, pois a eletricidade e o calor são gerados diretamente da reação eletroquímica sem nenhuma etapa de conversão adicional.

Até agora, as usinas elétricas a células de combustível foram desenvolvidas principalmente na faixa de potência de 10 kW a 3 MW. No entanto, nos últimos anos, o desenvolvimento na faixa de potência mais baixa tem se voltado cada vez mais para as usinas combinadas de calor e energia com micro e nanocélulas de combustível, com potência elétrica de 0,3 a 1,5 kW e potência térmica de 0,6 a 2,0 kW para casas geminadas e independentes. Na faixa de potência superior, usinas elétricas já atingiram cerca de 80 MW e isso deve aumentar ainda mais nos próximos anos por meio de projetos modulares.

Power-to-X (também chamado PtX ou P2X) refere-se ao uso de excedentes de eletricidade de energias renováveis variáveis para auxiliar todos os tipos de tecnologias. Por exemplo, esses excedentes podem ser armazenados diretamente em baterias (power-to-power), convertidos em calor (power-to-heat) ou usados para produzir fontes químicas de energia (power-to-gas, power-to-liquid).

Se a eletricidade excedente for usada para produzir fontes de energia química, muitas vezes é feita uma diferenciação adicional (por exemplo, energia para hidrogênio, energia para gás de síntese, energia para amônia, energia para combustível).

A amônia (NH3) é um composto químico de nitrogênio e hidrogênio, que está presente na forma gasosa em condições normais. Desde o desenvolvimento da fertilização nitrogenada por Justus Liebig (por volta de 1840), a amônia tem sido um dos produtos químicos básicos mais importantes. Mas não foi até que o processo Haber-Bosch foi usado em escala industrial na BASF em Ludwigshafen por volta de 1913 que um aumento significativo na produção anual foi possível. Hoje, a amônia é um dos produtos químicos mais produzidos (146,5 milhões de toneladas em 2021, 80% das quais para fertilizantes) e a base para a produção de todos os outros compostos de nitrogênio.

Considerando o desenvolvimento da economia sustentável do hidrogênio, pode-se esperar um aumento adicional na produção anual de amônia. O motivo: a amônia é mais adequada para transporte e armazenamento do que o hidrogênio puro.

Devido ao ponto de ebulição bastante alto de -33 °C, é muito mais fácil e barato liquefazer a amônia em comparação com o hidrogênio (ponto de ebulição -252 °C). O maior valor energético volumétrico da amônia em comparação com o hidrogênio (3,2 kWh/l em comparação com 2,8 kWh/l) também é altamente relevante, especialmente para a logística de transporte.