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O que é o Hidrogénio ?
O hidrogénio é o elemento mais simples conhecido pelo Homem. Um átomo de hidrogénio é composto por um protão e um electrão.
Este é o elemento mais abundante no universo, e a fonte de toda energia que nos recebemos do sol, sendo a massa do sol constituída por mais de 30 % de hidrogénio atómico.
O sol é basicamente bola gigante de hidrogénio e hélio. Num processo que é designado por fusão, quatro átomos de hidrogénio combina-se para formar um átomo de hélio, libertando energia na forma de radiação. Esta energia radiante é para nós a mais abundante fonte de energia, dando-nos luz, calor, vento e permite o crescimento das plantas, sendo armazenada na forma de combustíveis fosseis, tais como o carvão, petróleo, metano (CH4), hidratos de metano e também encontra-se em todo o tipo de vegetação - biomassa.
O hidrogénio não aparece naturalmente na terra, ou seja, só existe na atmosfera com uma concentração muito reduzida de 1 ppm (partes por milhão), encontrando-se combinado com o oxigénio na forma de água (H2O), sendo assim, não pode ser considerado como um recurso de energia primária, tal como o petróleo ou o gás natural, mas sim como um transportador de energia.
Propriedades físicas do Hidrogénio
O Hidrogénio no seu estado livre e em condições de temperatura e pressão normais, é inodoro e não tem cor. Tem a maior quantidade de energia por unidade de peso - 141,9 mJ/kg - em relação a qualquer combustível conhecido, por exemplo 1kg de hidrogénio a mesma quantidade de energia do que 2.8 kg de gasolina. A sua densidade é de 0.0899 g/l, ou seja, o ar é 14.4 vezes mais denso, e a temperatura de mudança de fase de líquido para gás é de -252,77 ºC, tendo na fase líquida uma densidade de 70.99 g/l, ao passo que a gasolina tem uma densidade de 750 g/l, que o torna ideal para a propulsão de naves espaciais, que requer um combustível com um baixo peso com uma elevada energia.
O coeficiente de difusão do hidrogénio é de 0,61 cm3/s que é quatro vezes superior ao do metano. Consequentemente a mistura do Hidrogénio no ar é mais rápida do que o metano ou vapores de petróleo, o que se torna vantajoso num ambiente aberto, mas representa uma desvantagem em espaços fechados pouco ventilados, uma vez que o hidrogénio tem uma gama de concentrações para o qual se inflama ([4 - 75%] do volume) maior do que os outros combustíveis (metano queima a [5,3 - 15%] e o propano [2,1 - 9,5%] de concentrações por volume).
A chama do hidrogénio não é visível à luz do dia porque tem uma emissividade muito baixa (de 17 a 25 %), sendo assim a radiação emitida é mais baixa do que os outros combustíveis fosseis, como por exemplo o butano ou o propano, ou até mesmo a gasolina (de 34 a 43 %), sendo assim o hidrogénio torna-se menos perigoso em caso de acidente porque o calor transmitido pela radiação é menor.
Quando a combustão do hidrogénio se dá com oxigénio puro, o único produto da reacção é a água, libertando-se calor. Mas quando combustão é feita com ar, que possui cerca de 68% de azoto, dá-se a emissão de óxidos de azoto (NOx), que aumentam exponencialmente com a temperatura da chama. Quando a queima do hidrogénio se dá sob condições apropriadas nos motores de combustão ou em turbinas de gás, as emissões são muito pequenas ou negligenciáveis. Pode haver vestígios de hidrocarbonetos e emissões de monóxido de carbono, resultantes apenas da combustão do óleo do motor na câmara de combustão do motor de combustão interna.
Hidrogénio - O Combustível do Futuro
O Hidrogénio, quando produzido por fontes de energia renováveis, a sua utilização através de células de combustível, é totalmente limpa, formando apenas como produtos da reacção água e calor, não havendo quaisquer emissões de partículas, monóxido de carbono, dióxido de carbono (CO2), óxidos de azoto (NOx) e óxidos de enxofre (SOx) que são responsáveis por problemas ambientais tais como chuvas ácidas, problemas respiratórios e pelo aquecimento global do planeta.
Sendo assim o hidrogénio tem um grande potencial ambiental, fazendo parte de um ciclo de vida limpo, tornando-se um sério candidato a substituir a actual economia baseada nos combustíveis fosseis. Para que isto seja possível terá que se criar as seguintes infra-estruturas:
Produção de Hidrogénio
Como o hidrogénio não se encontra disponível como uma fonte primaria terá de ser extraído através de outras fontes de energia. Sendo assim, a sua produção pode ser feita de a partir de:
Reformadores a vapor
Isto trata-se de um processo térmico que envolve a reacção do gás natural (CH4) ou outro hidrocarboneto leve com vapor de água.
Este processo realiza-se em duas fases: primeiro o gás natural é exposto a vapor de água a altas temperaturas, por forma a produzir hidrogénio, monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono CO2; na segunda fase o monóxido de carbono, produzido na segunda fase, é combinado com vapor de água por forma a obter dióxido de carbono e mais hidrogénio.
Do ponto de vista ambiental este sistema de produção de hidrogénio não é considerado sustentável, devido às emissões de CO2, que contribui para o efeito de estufa.
Oxidação parcial
Com este processo o combustível reage com uma quantidade limitada de oxigénio para produzir o hidrogénio, que depois é purificado. A oxidação parcial pode ser aplicada a uma vasta gama de hidrocarbonetos incluindo combustíveis pesados e hidrocarbonetos sólidos.
Na figura abaixo encontram-se as principais formas de produzir hidrogénio a partir de energias renováveis:
O hidrogénio pode ser considerado como um meio de armazenar energia produzida pelas energias renováveis, tais como energia solar, eólica, hídrica e geotérmica. O diagrama de cargas do consumo de electricidade na generalidade das ilhas dos Açores, regista diferenças de 50% entre as horas de vazio e as horas de ponta. Esta situação, obriga a empresa concessionária da produção e distribuição de energia eléctrica, a ter um adicional de potência térmica disponível que se multiplica por todas as ilhas, para fazer face ao consumo das horas de ponta. Uma das soluções para minimizar este problema, que se traduz num maior esforço financeiro para o investimento adicional requerido, seria a transferência de parte dos consumos que ocorrem nas horas de ponta, para as horas de vazio. Por outro lado, nos sistemas eléctricos das ilhas cujas estruturas englobem o aproveitamento de energias renováveis, poderiam ser instaladas unidades de produção de hidrogénio (através da electrolise da água) que, armazenado, seria posteriormente utilizado para produzir electricidade através de células de combustível ou sistemas de cogeração durante as horas de ponta. Existem disponíveis no mercado sistemas de produção de hidrogénio através da electrolise, como por exemplo a Hydrogen Systems da Vandenborre Technologies N.V.
Os principais sistemas de armazenagem de hidrogénio são:
- Reservatórios de gás comprimido
- Reservatórios para hidrogénio líquido
- Hidretos metálicos (alta e baixa temperatura)
- Absorção de gás em sólidos
- Micro-esferas
Reservatórios de gás comprimido
Com o desenvolvimento de novos materiais, permitiram o fabrico de reservatórios de armazenagem de gás comprimido que podem suportar o armazenamento do hidrogénio a altas pressões (no máximo de 800 atm). Actualmente os custos económicos e energéticos estão muito elevados mas a tecnologia está disponível.
Reservatórios de hidrogénio líquido
Através de técnicas criogénicas podem ser alcançadas temperaturas muito baixas, tornando possível condensar o hidrogénio gasoso (à volta de -253 ºC). Desta forma uma maior quantidade de hidrogénio pode ser armazenada e transportada.
Densidade do hidrogénio: 0,071 kg/litro
Densidade da Gasolina : 0,73 kg/litro
Poder calorífico Inferior do hidrogénio: 8600 kJ/litro
Poder calorífico Inferior da gasolina: 31700 kJ/litro
Hidretos metálicos (alta e baixa temperatura)
Existem diversos metais puros e ligas metálicas que podem combinar-se com o hidrogénio produzindo hidretos metálicos. Os hidretos decompõem-se normalmente quando atingem temperaturas entre os 60 e 70 ºC, e libertam o hidrogénio. Assim, o hidrogénio pode ser armazenado numa forma condensada, através de uma compressão relativamente simples. Este sistema de armazenamento promete tornar-se seguro e eficiente, mas a razão entre o hidrogénio armazenado e o peso da "esponja do hidreto metálico" necessita de ser aumentada.
Absorção de gás em sólidos
A absorção de moléculas de hidrogénio em carbonos activos pode armazenar quantidades interessantes de hidrogénio. Tal como hidretos metálicos esta tecnologia promete tornar-se segura e eficiente.
Micro-esferas
Existem esferas de vidro muito pequenas que podem armazenar o hidrogénio a pressões elevadas, sendo o processo de armazenagem feito com o gás a temperaturas elevadas, no qual o mesmo pode passar através da estrutura de vidro. Dependendo da temperatura, o vidro é impermeável ao hidrogénio que está dentro da esfera (baixa temperatura) ou permeável (alta temperatura) por forma a ser libertado.
Transporte e distribuição
O transporte do hidrogénio pode ser feita de forma similar ao transporte de gás natural (na forma gasosa de H2).
O hidrogénio gasoso pode ser transferido e distribuído através de condutas (tubos) de hidrogénio longas; durante muitos anos este meio de transporte e distribuição tem sido realizado para fins industriais em muitos países, sem problemas de maior.
A possibilidade de usar pipelines como condutas de gás para transportar o hidrogénio ainda não esta completamento provado devido à alta difusibilidade do hidrogénio.
O Hidrogénio líquido é em princípio mais fácil de lidar, mas terá de se manter uma temperatura extremamente baixa de -253ºC através de todo o sistema de armazenamento, transporte e distribuição.
Embora só existam actualmente cerca de 700 milhas de pipelines de hidrogénio nos Estados Unidos da América, Alemanha e Inglaterra, o que não representa muito quando comparado com o gás natural, é importante notar que os pipelines de hidrogénio em operação hoje em dia, têm-se revelado fiáveis.
Outrora, já existiu na América um gás chamado "Town Gas" que era fabricado a partir do carvão e continha tipicamente 50 % de hidrogénio e os restantes 50 % era composto sobretudo por metano e CO2, com 3% a 6% de CO. Este gás era utilizado para iluminar as ruas ao anoitecer e para o aquecimento e iluminação de habitações da classe média. Este tipo de gás é ainda hoje utilizado extensivamente em algumas partes do mundo, tal com a China e outros países asiáticos.
Bibliografia:
- National Hydrogen Association (*.hydrogenus.com)
- Social Assessment and Monitoring of Hydrogen Energy Systems - SAMHES, Prof. Fabio ORECCHINI , University of Ancona, Italy.
O hidrogénio pode ser submetido a uma utilização energética de uso corrente. Nas pilhas de combustível (células de combustível), nos motores de combustão interna, turbinas, caldeiras e fornos, o hidrogénio pode ser utilizado directamente para produzir energia mecânica e/ou calor e electricidade.
As tecnologias e aplicações actualmente existentes no mercado, que se espera conduzam ao aparecimento de uma economia baseada no hidrogénio são:
- Aplicações móveis;
- Aplicações estacionárias.
Actualmente todos os principais fabricantes de automóveis estão em investigação na área das células de combustível.
Fonte: Arena
O hidrogénio é o elemento mais simples conhecido pelo Homem. Um átomo de hidrogénio é composto por um protão e um electrão.
Este é o elemento mais abundante no universo, e a fonte de toda energia que nos recebemos do sol, sendo a massa do sol constituída por mais de 30 % de hidrogénio atómico.
O sol é basicamente bola gigante de hidrogénio e hélio. Num processo que é designado por fusão, quatro átomos de hidrogénio combina-se para formar um átomo de hélio, libertando energia na forma de radiação. Esta energia radiante é para nós a mais abundante fonte de energia, dando-nos luz, calor, vento e permite o crescimento das plantas, sendo armazenada na forma de combustíveis fosseis, tais como o carvão, petróleo, metano (CH4), hidratos de metano e também encontra-se em todo o tipo de vegetação - biomassa.
O hidrogénio não aparece naturalmente na terra, ou seja, só existe na atmosfera com uma concentração muito reduzida de 1 ppm (partes por milhão), encontrando-se combinado com o oxigénio na forma de água (H2O), sendo assim, não pode ser considerado como um recurso de energia primária, tal como o petróleo ou o gás natural, mas sim como um transportador de energia.
Propriedades físicas do Hidrogénio
O Hidrogénio no seu estado livre e em condições de temperatura e pressão normais, é inodoro e não tem cor. Tem a maior quantidade de energia por unidade de peso - 141,9 mJ/kg - em relação a qualquer combustível conhecido, por exemplo 1kg de hidrogénio a mesma quantidade de energia do que 2.8 kg de gasolina. A sua densidade é de 0.0899 g/l, ou seja, o ar é 14.4 vezes mais denso, e a temperatura de mudança de fase de líquido para gás é de -252,77 ºC, tendo na fase líquida uma densidade de 70.99 g/l, ao passo que a gasolina tem uma densidade de 750 g/l, que o torna ideal para a propulsão de naves espaciais, que requer um combustível com um baixo peso com uma elevada energia.
O coeficiente de difusão do hidrogénio é de 0,61 cm3/s que é quatro vezes superior ao do metano. Consequentemente a mistura do Hidrogénio no ar é mais rápida do que o metano ou vapores de petróleo, o que se torna vantajoso num ambiente aberto, mas representa uma desvantagem em espaços fechados pouco ventilados, uma vez que o hidrogénio tem uma gama de concentrações para o qual se inflama ([4 - 75%] do volume) maior do que os outros combustíveis (metano queima a [5,3 - 15%] e o propano [2,1 - 9,5%] de concentrações por volume).
A chama do hidrogénio não é visível à luz do dia porque tem uma emissividade muito baixa (de 17 a 25 %), sendo assim a radiação emitida é mais baixa do que os outros combustíveis fosseis, como por exemplo o butano ou o propano, ou até mesmo a gasolina (de 34 a 43 %), sendo assim o hidrogénio torna-se menos perigoso em caso de acidente porque o calor transmitido pela radiação é menor.
Quando a combustão do hidrogénio se dá com oxigénio puro, o único produto da reacção é a água, libertando-se calor. Mas quando combustão é feita com ar, que possui cerca de 68% de azoto, dá-se a emissão de óxidos de azoto (NOx), que aumentam exponencialmente com a temperatura da chama. Quando a queima do hidrogénio se dá sob condições apropriadas nos motores de combustão ou em turbinas de gás, as emissões são muito pequenas ou negligenciáveis. Pode haver vestígios de hidrocarbonetos e emissões de monóxido de carbono, resultantes apenas da combustão do óleo do motor na câmara de combustão do motor de combustão interna.
Hidrogénio - O Combustível do Futuro
O Hidrogénio, quando produzido por fontes de energia renováveis, a sua utilização através de células de combustível, é totalmente limpa, formando apenas como produtos da reacção água e calor, não havendo quaisquer emissões de partículas, monóxido de carbono, dióxido de carbono (CO2), óxidos de azoto (NOx) e óxidos de enxofre (SOx) que são responsáveis por problemas ambientais tais como chuvas ácidas, problemas respiratórios e pelo aquecimento global do planeta.
Sendo assim o hidrogénio tem um grande potencial ambiental, fazendo parte de um ciclo de vida limpo, tornando-se um sério candidato a substituir a actual economia baseada nos combustíveis fosseis. Para que isto seja possível terá que se criar as seguintes infra-estruturas:
Produção de Hidrogénio
Como o hidrogénio não se encontra disponível como uma fonte primaria terá de ser extraído através de outras fontes de energia. Sendo assim, a sua produção pode ser feita de a partir de:
* Fontes de energia não renováveis
Reformadores a vapor
Isto trata-se de um processo térmico que envolve a reacção do gás natural (CH4) ou outro hidrocarboneto leve com vapor de água.
Este processo realiza-se em duas fases: primeiro o gás natural é exposto a vapor de água a altas temperaturas, por forma a produzir hidrogénio, monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono CO2; na segunda fase o monóxido de carbono, produzido na segunda fase, é combinado com vapor de água por forma a obter dióxido de carbono e mais hidrogénio.
Do ponto de vista ambiental este sistema de produção de hidrogénio não é considerado sustentável, devido às emissões de CO2, que contribui para o efeito de estufa.
Oxidação parcial
Com este processo o combustível reage com uma quantidade limitada de oxigénio para produzir o hidrogénio, que depois é purificado. A oxidação parcial pode ser aplicada a uma vasta gama de hidrocarbonetos incluindo combustíveis pesados e hidrocarbonetos sólidos.
Na figura abaixo encontram-se as principais formas de produzir hidrogénio a partir de energias renováveis:
* Fontes de energia renováveis
O hidrogénio pode ser considerado como um meio de armazenar energia produzida pelas energias renováveis, tais como energia solar, eólica, hídrica e geotérmica. O diagrama de cargas do consumo de electricidade na generalidade das ilhas dos Açores, regista diferenças de 50% entre as horas de vazio e as horas de ponta. Esta situação, obriga a empresa concessionária da produção e distribuição de energia eléctrica, a ter um adicional de potência térmica disponível que se multiplica por todas as ilhas, para fazer face ao consumo das horas de ponta. Uma das soluções para minimizar este problema, que se traduz num maior esforço financeiro para o investimento adicional requerido, seria a transferência de parte dos consumos que ocorrem nas horas de ponta, para as horas de vazio. Por outro lado, nos sistemas eléctricos das ilhas cujas estruturas englobem o aproveitamento de energias renováveis, poderiam ser instaladas unidades de produção de hidrogénio (através da electrolise da água) que, armazenado, seria posteriormente utilizado para produzir electricidade através de células de combustível ou sistemas de cogeração durante as horas de ponta. Existem disponíveis no mercado sistemas de produção de hidrogénio através da electrolise, como por exemplo a Hydrogen Systems da Vandenborre Technologies N.V.
Armanezamento DO Hidrogénio
Os principais sistemas de armazenagem de hidrogénio são:
- Reservatórios de gás comprimido
- Reservatórios para hidrogénio líquido
- Hidretos metálicos (alta e baixa temperatura)
- Absorção de gás em sólidos
- Micro-esferas
Reservatórios de gás comprimido
Com o desenvolvimento de novos materiais, permitiram o fabrico de reservatórios de armazenagem de gás comprimido que podem suportar o armazenamento do hidrogénio a altas pressões (no máximo de 800 atm). Actualmente os custos económicos e energéticos estão muito elevados mas a tecnologia está disponível.
Reservatórios de hidrogénio líquido
Através de técnicas criogénicas podem ser alcançadas temperaturas muito baixas, tornando possível condensar o hidrogénio gasoso (à volta de -253 ºC). Desta forma uma maior quantidade de hidrogénio pode ser armazenada e transportada.
Densidade do hidrogénio: 0,071 kg/litro
Densidade da Gasolina : 0,73 kg/litro
Poder calorífico Inferior do hidrogénio: 8600 kJ/litro
Poder calorífico Inferior da gasolina: 31700 kJ/litro
Hidretos metálicos (alta e baixa temperatura)
Existem diversos metais puros e ligas metálicas que podem combinar-se com o hidrogénio produzindo hidretos metálicos. Os hidretos decompõem-se normalmente quando atingem temperaturas entre os 60 e 70 ºC, e libertam o hidrogénio. Assim, o hidrogénio pode ser armazenado numa forma condensada, através de uma compressão relativamente simples. Este sistema de armazenamento promete tornar-se seguro e eficiente, mas a razão entre o hidrogénio armazenado e o peso da "esponja do hidreto metálico" necessita de ser aumentada.
Absorção de gás em sólidos
A absorção de moléculas de hidrogénio em carbonos activos pode armazenar quantidades interessantes de hidrogénio. Tal como hidretos metálicos esta tecnologia promete tornar-se segura e eficiente.
Micro-esferas
Existem esferas de vidro muito pequenas que podem armazenar o hidrogénio a pressões elevadas, sendo o processo de armazenagem feito com o gás a temperaturas elevadas, no qual o mesmo pode passar através da estrutura de vidro. Dependendo da temperatura, o vidro é impermeável ao hidrogénio que está dentro da esfera (baixa temperatura) ou permeável (alta temperatura) por forma a ser libertado.
Transporte e distribuição
O transporte do hidrogénio pode ser feita de forma similar ao transporte de gás natural (na forma gasosa de H2).
O hidrogénio gasoso pode ser transferido e distribuído através de condutas (tubos) de hidrogénio longas; durante muitos anos este meio de transporte e distribuição tem sido realizado para fins industriais em muitos países, sem problemas de maior.
A possibilidade de usar pipelines como condutas de gás para transportar o hidrogénio ainda não esta completamento provado devido à alta difusibilidade do hidrogénio.
O Hidrogénio líquido é em princípio mais fácil de lidar, mas terá de se manter uma temperatura extremamente baixa de -253ºC através de todo o sistema de armazenamento, transporte e distribuição.
Embora só existam actualmente cerca de 700 milhas de pipelines de hidrogénio nos Estados Unidos da América, Alemanha e Inglaterra, o que não representa muito quando comparado com o gás natural, é importante notar que os pipelines de hidrogénio em operação hoje em dia, têm-se revelado fiáveis.
Outrora, já existiu na América um gás chamado "Town Gas" que era fabricado a partir do carvão e continha tipicamente 50 % de hidrogénio e os restantes 50 % era composto sobretudo por metano e CO2, com 3% a 6% de CO. Este gás era utilizado para iluminar as ruas ao anoitecer e para o aquecimento e iluminação de habitações da classe média. Este tipo de gás é ainda hoje utilizado extensivamente em algumas partes do mundo, tal com a China e outros países asiáticos.
Bibliografia:
- National Hydrogen Association (*.hydrogenus.com)
- Social Assessment and Monitoring of Hydrogen Energy Systems - SAMHES, Prof. Fabio ORECCHINI , University of Ancona, Italy.
Utilização final do Hidrogénio
O hidrogénio pode ser submetido a uma utilização energética de uso corrente. Nas pilhas de combustível (células de combustível), nos motores de combustão interna, turbinas, caldeiras e fornos, o hidrogénio pode ser utilizado directamente para produzir energia mecânica e/ou calor e electricidade.
As tecnologias e aplicações actualmente existentes no mercado, que se espera conduzam ao aparecimento de uma economia baseada no hidrogénio são:
- Aplicações móveis;
- Aplicações estacionárias.
Actualmente todos os principais fabricantes de automóveis estão em investigação na área das células de combustível.
Fonte: Arena