Combustível de hidrogênio - Hydrogen fuel

Combustível de hidrogênio é um combustível com zero de carbono queimado com oxigênio; desde que seja criado de forma zero carbono. Pode ser usado em células de combustível ou motores de combustão interna (veja HICEV ). Com relação aos veículos movidos a hidrogênio , o hidrogênio começou a ser usado em veículos comerciais com células de combustível , como carros de passageiros, e tem sido usado em ônibus com células de combustível por muitos anos. Também é usado como combustível para a propulsão de naves espaciais .

No início da década de 2020, a maior parte do hidrogênio é produzida pela reforma do metano a vapor do gás fóssil . Apenas uma pequena quantidade é produzida por rotas alternativas como a gaseificação da biomassa ou eletrólise da água ou a termoquímica solar, um combustível solar sem emissões de carbono.

O hidrogênio é encontrado no primeiro grupo e no primeiro período da tabela periódica , ou seja, é o mais leve e o primeiro elemento de todos. Como o peso do hidrogênio é menor que o do ar, ele sobe na atmosfera e, portanto, raramente é encontrado em sua forma pura, H 2 . Em uma chama de gás hidrogênio puro, queimando no ar, o hidrogênio (H 2 ) reage com o oxigênio (O 2 ) para formar água (H 2 O) e libera energia.

2H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O (g) + energia

Se realizada no ar atmosférico em vez de oxigênio puro, como geralmente é o caso, a combustão do hidrogênio pode render pequenas quantidades de óxidos de nitrogênio , junto com o vapor d'água.

A energia liberada permite que o hidrogênio atue como combustível. Em uma célula eletroquímica, essa energia pode ser usada com eficiência relativamente alta. Se for usado simplesmente para aquecimento, aplicam-se os limites da termodinâmica usuais sobre a eficiência térmica .

O hidrogênio é geralmente considerado um transportador de energia, como a eletricidade, pois deve ser produzido a partir de uma fonte de energia primária, como energia solar, biomassa, eletricidade (por exemplo, na forma de energia solar fotovoltaica ou via turbinas eólicas), ou hidrocarbonetos, como gás natural ou carvão. A produção convencional de hidrogênio com gás natural induz impactos ambientais significativos; como acontece com o uso de qualquer hidrocarboneto, dióxido de carbono é emitido. Ao mesmo tempo, a adição de 20% de hidrogênio (uma parcela ótima que não afeta as tubulações e aparelhos de gás) ao gás natural pode reduzir o CO
2 emissões causadas pelo aquecimento e cozimento.

Produção

Artigo principal: Produção de hidrogênio

Como o hidrogênio puro não ocorre naturalmente na Terra em grandes quantidades, geralmente requer uma entrada de energia primária para ser produzido em escala industrial. O hidrogênio combustível pode ser produzido a partir do metano ou por eletrólise da água. Em 2020, a maior parte do hidrogênio (∼95%) é produzida a partir de combustíveis fósseis por reforma a vapor ou oxidação parcial do metano e gaseificação do carvão com apenas uma pequena quantidade por outras rotas, como gaseificação de biomassa ou eletrólise da água.

A reforma do metano a vapor, a tecnologia líder atual para a produção de hidrogênio em grandes quantidades, extrai o hidrogênio do metano . No entanto, essa reação libera dióxido de carbono fóssil e monóxido de carbono na atmosfera, que são gases de efeito estufa exógenos ao ciclo natural do carbono e, portanto, contribuem para as mudanças climáticas. Na eletrólise, a eletricidade passa pela água para separar os átomos de hidrogênio e oxigênio. Este método pode usar eólica, solar, geotérmica, hídrica, combustíveis fósseis, biomassa, nuclear e muitas outras fontes de energia. A obtenção do hidrogênio a partir desse processo está sendo estudada como uma forma viável de produzi-lo internamente com baixo custo.

Shinzo Abe visita as instalações FH2R em março de 2020

A maior instalação mundial de produção de hidrogênio combustível é considerada o Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R), uma unidade de produção de hidrogênio de classe 10 MW, inaugurada em 7 de março de 2020, em Namie , província de Fukushima . O local ocupa 180.000 metros quadrados de terreno, grande parte do qual ocupado por um painel solar ; mas a energia da rede também é usada para conduzir a eletrólise da água para produzir combustível de hidrogênio.

A produção é geralmente classificada em termos de cor; 'hidrogênio cinza' é produzido como um subproduto de um processo industrial, 'hidrogênio azul' é produzido através de um processo de produção onde CO
2também é produzido e posteriormente capturado via CCS e, finalmente, o ' hidrogênio verde' é produzido inteiramente a partir de fontes renováveis.

Energia

O hidrogênio está preso em enormes quantidades na água, nos hidrocarbonetos e em outras matérias orgânicas. Um dos desafios de usar o hidrogênio como combustível vem da capacidade de extrair o hidrogênio de maneira eficiente desses compostos. Agora, a reforma a vapor, que combina vapor de alta temperatura com gás natural, é responsável pela maior parte do hidrogênio produzido. Este método de produção de hidrogênio ocorre em temperaturas entre 700-1100 ° C e tem uma eficiência resultante entre 60-75%. O hidrogênio também pode ser produzido a partir da água por meio da eletrólise, que é menos intensiva em carbono se a eletricidade usada para impulsionar a reação não vier de usinas de combustível fóssil, mas sim de energia renovável ou nuclear. A eficiência da eletrólise da água está entre cerca de 70-80%, com uma meta definida para atingir a eficiência de 82-86% até 2030 usando eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM). Uma vez produzido, o hidrogênio pode ser usado da mesma maneira que o gás natural - pode ser entregue às células de combustível para gerar eletricidade e calor, usado em uma turbina a gás de ciclo combinado para produzir maiores quantidades de eletricidade produzida centralmente ou queimado para executar uma combustão motor; todos os métodos que não produzem emissões de carbono ou metano . Em cada caso, o hidrogênio é combinado com o oxigênio para formar água. Esta também é uma de suas vantagens mais importantes, pois o combustível de hidrogênio é ecologicamente correto. O calor em uma chama de hidrogênio é uma emissão radiante das moléculas de água recém-formadas. As moléculas de água estão em um estado excitado na formação inicial e então passam para o estado fundamental; a transição liberando radiação térmica. Ao queimar no ar, a temperatura é de aproximadamente 2.000 ° C (a mesma do gás natural). Historicamente, o carbono tem sido o transportador de energia mais prático, pois o hidrogênio e o carbono combinados são mais volumetricamente densos, embora o próprio hidrogênio tenha três vezes a densidade de energia por massa do metano ou da gasolina. Embora o hidrogênio seja o menor elemento e, portanto, tenha uma propensão ligeiramente maior para vazar de veneráveis ​​tubos de gás natural, como os feitos de ferro, o vazamento de tubos de plástico (polietileno PE100) deve ser muito baixo, cerca de 0,001%.

A razão pela qual a reforma do metano a vapor tem sido tradicionalmente preferida em relação à eletrólise é que, enquanto a reforma do metano usa diretamente o gás natural, a eletrólise requer eletricidade. Como o custo de produção de eletricidade (por meio de turbinas eólicas e fotovoltaicas) cai abaixo do custo do gás natural, a eletrólise se torna mais barata do que o SMR.

Usos

Artigo principal: Economia de hidrogênio

O combustível de hidrogênio pode fornecer força motriz para foguetes de propelente líquido , carros, caminhões, trens, barcos e aviões, aplicações de células de combustível portáteis ou aplicações de células de combustível estacionárias , que podem alimentar um motor elétrico. O hidrogênio é considerado a principal fonte sustentável de energia renovável e é "altamente necessário para sistemas avançados de conversão de energia".

Os problemas de usar combustível de hidrogênio em carros surgem do fato de que o hidrogênio é difícil de armazenar em tanques de alta pressão ou criogênicos. Meios de armazenamento alternativos, como hidretos metálicos complexos, estão em desenvolvimento. Em geral, as baterias são mais adequadas para veículos do tamanho de carros ou menores, mas o hidrogênio pode ser melhor para veículos maiores, como caminhões pesados.

O combustível de hidrogênio também pode ser usado para alimentar usinas de geração de energia estacionárias ou fornecer uma alternativa ao gás natural para aplicações de aquecimento.

Células de combustível

Artigo principal: Veículo de célula de combustível

As células a combustível apresentam a escolha mais atraente para a conversão de energia do hidrogênio diretamente em eletricidade, devido à sua alta eficiência, baixo ruído e um número limitado de peças móveis. As células de combustível são de interesse para a geração de energia estacionária e móvel a partir do hidrogênio. As células de combustível são freqüentemente consideradas como parte do sistema de propulsão de um veículo.

Usar uma célula de combustível para alimentar um trem de força eletrificado incluindo uma bateria e um motor elétrico é duas a três vezes mais eficiente do que usar um motor de combustão, embora parte desse benefício esteja relacionado ao trem de força eletrificado (ou seja, incluindo frenagem regenerativa). Isso significa que uma economia de combustível muito maior está disponível usando o hidrogênio em uma célula de combustível, em comparação com a de um motor de combustão a hidrogênio.

Conversões de motor de combustão interna para hidrogênio

Artigo principal: Veículo com motor de combustão interna de hidrogênio

Juntamente com a combustão de hidrogênio monocombustível, os motores de combustão em veículos comerciais têm o potencial de ser convertidos para funcionar com uma mistura de hidrogênio-diesel. Isso foi demonstrado em protótipos no Reino Unido, onde até 40% do CO
2as emissões foram reduzidas em condições normais de direção. Essa flexibilidade de combustível duplo elimina a ansiedade de autonomia, pois os veículos podem, alternativamente, abastecer apenas com diesel quando não houver reabastecimento de hidrogênio disponível. São necessárias modificações relativamente menores nos motores, bem como a adição de tanques de hidrogênio a uma compressão de 350 bar. Testes também estão em andamento para testar a eficiência da conversão de 100% de um caminhão pesado Volvo FH16 para usar apenas hidrogênio. O alcance é esperado em 300 km / 17 kg; o que significa uma eficiência melhor do que um motor diesel padrão (onde a energia incorporada de 1 galão de gasolina é igual a 1 quilograma de hidrogênio ).

Em comparação com os combustíveis convencionais, se o hidrogênio tiver um preço de baixo custo (€ 5 / kg), uma economia significativa de combustível poderá ser obtida por meio de tal conversão na Europa ou no Reino Unido. Um preço mais baixo seria necessário para competir com o diesel / gasolina nos EUA, uma vez que esses combustíveis não estão expostos a altos impostos na bomba.

Motores de combustão usando hidrogênio são interessantes, uma vez que a tecnologia oferece uma mudança menos substancial para a indústria automotiva e, potencialmente, um custo inicial mais baixo do veículo em comparação com alternativas totalmente elétricas ou de célula de combustível. No entanto, a natureza de emissão diferente de zero do motor significa que ele não será capaz de operar em zonas de emissão zero da cidade, a menos que seja parte de um trem de força híbrido.

Desvantagens

Embora o hidrogênio tenha um alto teor de energia por unidade de massa, em temperatura e pressão atmosférica ambientes muito baixo teor de energia por unidade de volume, se comparado aos combustíveis líquidos ou mesmo ao gás natural . Por essa razão, ele geralmente é comprimido ou liquefeito, baixando sua temperatura para menos de 33 K. Os tanques de alta pressão pesam muito mais do que o hidrogênio que podem conter. Por exemplo, em 2014 Toyota Mirai , um tanque cheio contém apenas 5,7% de hidrogênio, o resto do peso sendo o tanque.

O combustível hidrogênio é perigoso devido à baixa energia de ignição e alta energia de combustão do hidrogênio, e porque tende a vazar facilmente dos tanques. Explosões em postos de abastecimento de hidrogênio foram relatadas. Os postos de abastecimento de hidrogênio geralmente recebem entregas de hidrogênio por caminhão de fornecedores de hidrogênio. Uma interrupção em uma instalação de abastecimento de hidrogênio pode fechar várias estações de abastecimento de hidrogênio.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia