Na época da universidade, eu tinha um professor, o de máquinas térmicas, que entusiasmava a classe com a idéia do uso do hidrogênio como combustível automotivo, “o combustível do futuro” , ele dizia, passando a enumerar as vantagens do “combustível dos foguetes”, “facilmente obtido a partir da eletrólise da água”. Isto foi em 1974.
Vê-se que a idéia não é nova e por muito tempo eu acreditei que o futuro automobilístico estaria associado ao hidrogênio, até que o conhecimento e o tempo desvelaram um mito. Factível mas impraticável. Meu entusiasta mestre era, na verdade, mais um sonhador.
Um artigo de autoria de Alice Friedman em skeptic.com , que reproduzo abaixo, oferece um panorama bastante elucidado da realidade envolvendo o assunto:
Há muito já se provou a impossibilidade do “moto-perpétuo” ou energia gratuita ou mesmo da fusão a frio. Mas o que se sabe a respeito da energia a partir do hidrogênio? Antes de investirmos trilhões em uma economia a hidrogênio, devemos estudar a ciência e a pseudociência por detrás do assunto. Comecemos pelo carro a hidrogênio.
Apesar do Motor de Combustão Interna (MCI) que move seu carro poder também queimar hidrogênio, a idéia é de que em algum dia, células de combustível, que se baseiam em processos eletromecânicos ao invés de combustão (que converte calor em trabalho), se tornarão mais eficientes e menos poluidores que os MCI’s. As células de combustível foram inventadas antes dos motores em 1839 por William Grove. Porém os MCI’s ganharam a corrida usando a abundante e barata gasolina, fácil de transportar e manusear, e grande quantidade em energia armazenada por volume.
Produção
Diferentemente da gasolina, o hidrogênio não é fonte de energia – é um armazenador de energia, como a bateria. Você tem que fazer o hidrogênio e colocar energia nele, ambos processos consomem energia.
O hidrogenio tem sido usado comercialmente por décadas, logo já sabemos como fazer. Existem dois modos de produzir hidrogênio: usando o gás natural como fonte e energia para separar o hidrogênio do carbono (CH4), ou usando a água como fonte e energia renovável para separar o hidrogênio do oxigênio (H2O).
1) Fazendo Hidrogênio a Partir de Combustíveis Fósseis. Atualmente, 96% do Hidrogênio é feito a partir de combustíveis fósseis, principalmente pelo refino e hidrogenação do óleo. Nos EUA 90% é feito a partir do gás natural, com uma eficiência de 72%, o que significa que se perde 28% da energia contida no gás natural no processo ( e não está incluída aí a energia gasta para extrair e transportar o gás natural até a usina de hidrogênio)
Um dos principais argumentos para a mudança da matriz energética é na prevenção do aquecimento global atribuído à queima de combustíveis fósseis. No entanto, quando o hidrogênio é produzido a partir do gás natural, são liberados óxidos nitrosos, que são 58 vezes mais poderosos na retenção do calor que o dióxido de carbono. Carvão libera grandes quantidades de CO2 e mercúrio. Petróleo é muito poderoso e precioso para desperdiçar com a produção de hidrogênio, ele é produto da concentração de energia solar “fermentada” por centenas de milhões de anos. Um litro de gasolina representa aproximadamente 20 toneladas de plantas fósseis, o equivalente a 40 acres de trigo.
O gas natural é ainda mais precioso. Ele é usado para tanto como matéria prima como fonte de energia para a fabricação de fertilizantes. Isto tem levado a multiplicação da produção das safras em várias vezes, permitindo a alimentação de bilhões de pessoas que de outra forma não seria possível. Nós também não temos gás natural suficiente para uso nesta empreitada.
2) Produzindo Hidrogênio a Partir da água. No mundo, somente 4% do hidrogênio é obtido via eletrólise da água. É feito quando se é requerido o gás em alta pureza Desde que a eletricidade provêm, em sua grande maioria, de combustíveis fósseis em usinas com 30% de eficiência, e eletrolise é 70% eficiente, voce acaba usando 4 unidades de energia para criar uma à hidrogênio: 70%*30% = 21% de eficiência.
Produzir hidrogênio usando combustíveis fosseis, tanto como energia como matéria prima, é um total despropósito, desde que o ponto central é se ver livre dos combustíveis fósseis. O objetivo seria o uso de energia renovável para fazer hidrogênio a partir da eletrolise da água. A partir do vento, por exemplo, as turbinas podem gerar eletricidade com 30 a 40% de eficiência e assim produzir o hidrogênio à uma eficiência final de 25%, ou seja, 3 unidades de energia do vento para se obter uma de hidrogênio.
Os melhores painéis solares disponíveis apresentam uma eficiência de 10%, ou 9 unidades de energia solar para obter uma unidade de energia à hidrogênio. Não interessa sob qual ponto de vista voce analisa o assunto, produzir hidrogênio a partir da água sempre vai deficitário em termos energéticos (voce obterá menos energia armazenada na forma de hidrogênio do que a energia aplicada para obtê-lo). Se quiser uma forma mais dramática de dizer isso, mande-me 10 reais que eu te mandarei de volta um real.
Hidrogênio pode ser obtido a partir da biomassa, mas encontraremos numerosos problemas:
é bem sazonal;
depararemos com muita umidade, requerendo energia para armazenagem e secagem antes da gaseificação;
oferta limitada;
as quantidades não são o bastante para produção de hidrogênio em larga escala;
grande quantidade de terra é necessária porque mesmo o cultivo em solo bom tem baixa produtividade – 10 toneladas por 2,4 acres;
o solo se degradará por erosão e perda de fertilidade quando retirada a biomassa;
qualquer energia colocada na terra para crescimento da biomassa, tal como fertilizantes, plantações e colheitas, adicionarão custos ao processo;
os custos de uma usina central de energia deverão ser adicionados ao custo total do processo;
não é recomendável para a obtenção de hidrogênio puro.
Não interessa de como é feito, hidrogênio não tem energia nele mesmo. Ele é a forma de energia menos densa do planeta. Em condições normais de temperatura e pressão, hidrogênio toma três mil vezes mais espaço que a gasolina para a quantidade equivalente de energia.
Para colocar energia no hidrogenio, ele deve ser comprimido ou liquefeito. Para comprimi-lo para a pressão recomendada de 10.000 psi é necessário um processo de vários estágios que custa um adicional de 15% da energia contida no hidrogênio.
Se voce o liquefaz, voce será capaz de colocar toda a energia nele contida em um recipiente menor mas perderá, no processo, 30% a 40% da energia nele contida. O manuseio do hidrogênio neste estado requer precauções extremas porque estará tão frio (-253ºC) que o manuseio só será possível por robôs.
Armazenagem
Para estocagem e transporte de hidrogênio líquido, será necessário um pesado pesado sistema especial. O tanque é frio o suficiente para provocar o emperramento de válvulas e outros problemas. Se acrescentamos isolamento térmico para preveni-los, peso adicional será acrescentado ao já bastante pesado tanque com a adição de custos extras.
Digamos que um carro possa, de acordo com experimentos já realizados, andar cerca de 90 quilômetros com um quilo de hidrogênio. Um tanque que pode conter 3 kg deste gás pode render, então, 270 km e pesar 400 kg. Compare com o tanque do Honda Accord que pesa 11 kgs, custa US$ 100 e tem capacidade de conter 65 litros de gasolina. O peso total seria de apenas 73kg. A autonomia seria de 780 km à 12 km/l.
Veja abaixo a tabela comparativa do tanque de hidrogênio X tanque de gasolina para o Honda Accord:
Hidrogênio
Vê-se que a idéia não é nova e por muito tempo eu acreditei que o futuro automobilístico estaria associado ao hidrogênio, até que o conhecimento e o tempo desvelaram um mito. Factível mas impraticável. Meu entusiasta mestre era, na verdade, mais um sonhador.
Um artigo de autoria de Alice Friedman em skeptic.com , que reproduzo abaixo, oferece um panorama bastante elucidado da realidade envolvendo o assunto:
Há muito já se provou a impossibilidade do “moto-perpétuo” ou energia gratuita ou mesmo da fusão a frio. Mas o que se sabe a respeito da energia a partir do hidrogênio? Antes de investirmos trilhões em uma economia a hidrogênio, devemos estudar a ciência e a pseudociência por detrás do assunto. Comecemos pelo carro a hidrogênio.
Apesar do Motor de Combustão Interna (MCI) que move seu carro poder também queimar hidrogênio, a idéia é de que em algum dia, células de combustível, que se baseiam em processos eletromecânicos ao invés de combustão (que converte calor em trabalho), se tornarão mais eficientes e menos poluidores que os MCI’s. As células de combustível foram inventadas antes dos motores em 1839 por William Grove. Porém os MCI’s ganharam a corrida usando a abundante e barata gasolina, fácil de transportar e manusear, e grande quantidade em energia armazenada por volume.
Produção
Diferentemente da gasolina, o hidrogênio não é fonte de energia – é um armazenador de energia, como a bateria. Você tem que fazer o hidrogênio e colocar energia nele, ambos processos consomem energia.
O hidrogenio tem sido usado comercialmente por décadas, logo já sabemos como fazer. Existem dois modos de produzir hidrogênio: usando o gás natural como fonte e energia para separar o hidrogênio do carbono (CH4), ou usando a água como fonte e energia renovável para separar o hidrogênio do oxigênio (H2O).
1) Fazendo Hidrogênio a Partir de Combustíveis Fósseis. Atualmente, 96% do Hidrogênio é feito a partir de combustíveis fósseis, principalmente pelo refino e hidrogenação do óleo. Nos EUA 90% é feito a partir do gás natural, com uma eficiência de 72%, o que significa que se perde 28% da energia contida no gás natural no processo ( e não está incluída aí a energia gasta para extrair e transportar o gás natural até a usina de hidrogênio)
Um dos principais argumentos para a mudança da matriz energética é na prevenção do aquecimento global atribuído à queima de combustíveis fósseis. No entanto, quando o hidrogênio é produzido a partir do gás natural, são liberados óxidos nitrosos, que são 58 vezes mais poderosos na retenção do calor que o dióxido de carbono. Carvão libera grandes quantidades de CO2 e mercúrio. Petróleo é muito poderoso e precioso para desperdiçar com a produção de hidrogênio, ele é produto da concentração de energia solar “fermentada” por centenas de milhões de anos. Um litro de gasolina representa aproximadamente 20 toneladas de plantas fósseis, o equivalente a 40 acres de trigo.
O gas natural é ainda mais precioso. Ele é usado para tanto como matéria prima como fonte de energia para a fabricação de fertilizantes. Isto tem levado a multiplicação da produção das safras em várias vezes, permitindo a alimentação de bilhões de pessoas que de outra forma não seria possível. Nós também não temos gás natural suficiente para uso nesta empreitada.
2) Produzindo Hidrogênio a Partir da água. No mundo, somente 4% do hidrogênio é obtido via eletrólise da água. É feito quando se é requerido o gás em alta pureza Desde que a eletricidade provêm, em sua grande maioria, de combustíveis fósseis em usinas com 30% de eficiência, e eletrolise é 70% eficiente, voce acaba usando 4 unidades de energia para criar uma à hidrogênio: 70%*30% = 21% de eficiência.
Produzir hidrogênio usando combustíveis fosseis, tanto como energia como matéria prima, é um total despropósito, desde que o ponto central é se ver livre dos combustíveis fósseis. O objetivo seria o uso de energia renovável para fazer hidrogênio a partir da eletrolise da água. A partir do vento, por exemplo, as turbinas podem gerar eletricidade com 30 a 40% de eficiência e assim produzir o hidrogênio à uma eficiência final de 25%, ou seja, 3 unidades de energia do vento para se obter uma de hidrogênio.
Os melhores painéis solares disponíveis apresentam uma eficiência de 10%, ou 9 unidades de energia solar para obter uma unidade de energia à hidrogênio. Não interessa sob qual ponto de vista voce analisa o assunto, produzir hidrogênio a partir da água sempre vai deficitário em termos energéticos (voce obterá menos energia armazenada na forma de hidrogênio do que a energia aplicada para obtê-lo). Se quiser uma forma mais dramática de dizer isso, mande-me 10 reais que eu te mandarei de volta um real.
Hidrogênio pode ser obtido a partir da biomassa, mas encontraremos numerosos problemas:
é bem sazonal;
depararemos com muita umidade, requerendo energia para armazenagem e secagem antes da gaseificação;
oferta limitada;
as quantidades não são o bastante para produção de hidrogênio em larga escala;
grande quantidade de terra é necessária porque mesmo o cultivo em solo bom tem baixa produtividade – 10 toneladas por 2,4 acres;
o solo se degradará por erosão e perda de fertilidade quando retirada a biomassa;
qualquer energia colocada na terra para crescimento da biomassa, tal como fertilizantes, plantações e colheitas, adicionarão custos ao processo;
os custos de uma usina central de energia deverão ser adicionados ao custo total do processo;
não é recomendável para a obtenção de hidrogênio puro.
Não interessa de como é feito, hidrogênio não tem energia nele mesmo. Ele é a forma de energia menos densa do planeta. Em condições normais de temperatura e pressão, hidrogênio toma três mil vezes mais espaço que a gasolina para a quantidade equivalente de energia.
Para colocar energia no hidrogenio, ele deve ser comprimido ou liquefeito. Para comprimi-lo para a pressão recomendada de 10.000 psi é necessário um processo de vários estágios que custa um adicional de 15% da energia contida no hidrogênio.
Se voce o liquefaz, voce será capaz de colocar toda a energia nele contida em um recipiente menor mas perderá, no processo, 30% a 40% da energia nele contida. O manuseio do hidrogênio neste estado requer precauções extremas porque estará tão frio (-253ºC) que o manuseio só será possível por robôs.
Armazenagem
Para estocagem e transporte de hidrogênio líquido, será necessário um pesado pesado sistema especial. O tanque é frio o suficiente para provocar o emperramento de válvulas e outros problemas. Se acrescentamos isolamento térmico para preveni-los, peso adicional será acrescentado ao já bastante pesado tanque com a adição de custos extras.
Digamos que um carro possa, de acordo com experimentos já realizados, andar cerca de 90 quilômetros com um quilo de hidrogênio. Um tanque que pode conter 3 kg deste gás pode render, então, 270 km e pesar 400 kg. Compare com o tanque do Honda Accord que pesa 11 kgs, custa US$ 100 e tem capacidade de conter 65 litros de gasolina. O peso total seria de apenas 73kg. A autonomia seria de 780 km à 12 km/l.
Veja abaixo a tabela comparativa do tanque de hidrogênio X tanque de gasolina para o Honda Accord:
Hidrogênio
Quantidade de Combustível: 55kg a 3000 psi
Peso do Tanque: 400 kg
Autonomia: 270 km
Custo de Abastecimento: US$ 2.000
Gasolina
Quantidade de Combustível: 65 l
Peso do Tanque: 73 kg
Autonomia: 780 km
Custo de Abastecimento: Us$ 100
De acordo com a NHTSA ( administração de trafego e segurança nas estradas na sigla em inglês, ), “ A redução do peso do veículo é a tecnica mais poderosa para promover economia de combustivel. Cada 10% de redução de peso em novos projetos de veículos melhora a economia de combustível em aproximadamente 8%.”
Quanto mais se comprime o hidrogênio, menor o tanque pode ser. Mas se aumenta a pressão, terá que se aumentar também a espessura da parede do tanque e assim cresce também seu peso. O custo aumenta com a pressão. A 2000 psi é de US$ 400 por kg. A 8.000 psi é de US$ 2.100 por kg. E o tanque será enorme a 5.000 psi, e pode tomar dez vezes mais volume que um tanque de gasolina com igual quantidade de energia.
Células de combustível são pesadas. De acordo com Rosa Young, física e vice-presidente de uma empresa de pesquisa e desenvolvimento de novos materiais na área de energia em Michigan: “ Um sistema de armazenamento híbrido que possa conter 5 kg de hidrogênio, incluindo o tanque e os trocadores de calor, pesaria aproximadamente 300 Kg, o que diminuiria a eficiência do veículo.
As celulas de combustivel são também caras. Em 2003 custavam US$ 1 milhão ou mais embora já estivessem desenvolvidas o suficiente para necessitarem de menos catalisadores caros como a platina. Ainda pouco confiáveis, podem se tornar pesadas e perder potência se existir impurezas no hidrogênio, e não duram mais que 1.000 horas, não alcançam ainda autonomia de 200 Km e perdem de longe para os híbridos como Toyota Prius, que já possuem eficiência energética maior e menor emissão de CO2 do que os ainda projetos de veículos à células de combustível.
Sendo o mais leve de todos os gases, assim que o coloca em um tanque, ele já procura sair, toma um bocado de esforço em mantê-lo confinado. Dispositivos relacionados a estocagem, como selos, juntas e válvulas são de complexidade extrema. Tanques a hidrogênio líquido perdem do gás entre 3-4 por cento ao dia.
O hidrogenio tende a criar fissuras no metal e assim provocar vazamentos. Fissuras em tubulações de hidrogênio são potencialmente catastróficas. Construir um metal robusto o suficiente para trabalhar com o0 hidrogenio acrescenta peso e custo. Vazamentos também se tornam mais freqüentes com o aumento da pressão. Podem ocorrer vazamentos em juntas não soldadas, linhas de combustível, e selos não metálicos como juntas, o-rings, veda-roscas e gaxetas. Um motor à célula de combustível para trabalhos pesados pode ter milhares desses selos. De todos os combustíveis, o hidrogênio é o que possui o menor ponto de ignição, 20 vezes menor que o da gasolina. Logo, na ocorrência de um vazamento ele pode sofrer ignição por diversos dispositivos presentes no motor. E para piorar, os vazamentos não são visíveis- algumas vezes a única maneira de detectá-los é pela baixa performance do motor.
Transporte
Carretas tanque de US$ 250.000 cada, podem carregar combustível suficiente para 60 carros. Essas carretas pesam em torno de 40 toneladas, mas tem capacidade para carregar somente 400 Kg de hidrogênio. Para uma entrega à 250 Km ( em estrada em excelentes condições) a energia usada para transporte corresponderá à aproximadamente 20 % da energia transportada. A 500 Km, 40 %. Uma carreta do mesmo tamanho transportando gasolina, tem a capacidade de 40.000 litros, o suficiente para abastecer 800 carros.
Uma outra alternativa seria os dutos. O custo médio de um gasoduto pra gás natural é de aproximadamente US$ 500 mil por Km, e existe nos USA cerca de 300 mil Km em gasodutos para o gás natural, que não poderão ser reutilizados porque a composição do metal não é apropriada ( o hidrogênio poderá criar fissuras) além do diâmetro incorreto com vistas a maximizar a vazão do gás. Uma infra-estrutura similar para o hidrogênio custaria cerca de US$ 200 trilhões. O maior custo de operação estaria por conta da energia para os compressores e manutenção.
Os compressores no gasoduto é o que mantém o gás em movimento, usando o próprio hidrogênio para manter o fluxo. Após 1.000 Km, 8 % do hidrogênio teria sido gasto neste processo.
Conclusão
Em algum ponto ao longo da cadeia de produção, energia de consumo, estocagem, e distribuição do hidrogênio, estaremos usando mais energia do que recebemos de volta, e isto ainda sem contar a energia para a fabricação das células de combustível, tanques de estocagem, sistemas de distribuição e veículos.
Quando a fusão (nuclear) for capaz de fazer hidrogênio barato, quando células de combustíveis duráveis surgirem das pesquisas, e quando tanques leves e tubulações a prova de vazamentos feitos em polímeros e fibra de carbono estiverem disponíveis a preços módicos, então poderemos pensar em construir uma infra-estrutura econômica á base de hidrogênio. Até lá, é puro sonho. Todos estes obstáculos técnicos têm que ser bem resolvidos antes de qualquer coisa acontecer. Enquanto isso, o governo americano deve parar de colocar dinheiro no programa Freedom Car, que canaliza milhões de dólares para as três grandes da industria automotiva para trabalhar com as células de combustível à hidrogênio. Ao invés disso, os fabricantes de automóveis deveriam melhorar a eficiência de seus veículos, obrigando-os pela revisão das normas vigentes.
Em algum tempo no futuro, o preço do petroleo e do gas natural crescerá significantemente devido ao esgotamento geológico e à crises políticas nas nações produtoras. Desde que a infra-estrutura do hidrogênio será construída aproveitando a infra-estrutura existente para o óleo (i.e. motores de combustão interna, usinas elétricas, plásticos etc..), o preço do hidrogênio subirá também – ele nunca será mais barato que os combustíveis fosseis. Com o crescer do esgotamento, industrias irão saindo do negócio pelos altos custos dos combustíveis e as partes necessárias para a construção de um sistema de estocagem altamente complexo deixarão de estar disponíveis no mercado.
Pelas leis da física, uma economia a base de hidrogênio será sempre inviável em termos de balanço energético. As propriedades do hidrogênio requerem que se gaste mais energia do que se pode obter, porque neste intuito terá que se quebrar a ligação hidrogênio-oxigênio da água, fabricar carros bem mais pesados, prevenir fissuras e vazamentos e transporte e distribuição do hidrogênio. Não interessa que todos estes problemas fiquem resolvidos, ou quanto dinheiro se gaste. Sempre se gastará mais energia para obter, armazenar, transportar e distribuir da energia que se obterá no final do processo.
Qualquer desvio do uso de combustiveis fosseis para a alimentação de uma economia a hidrogênio, significa subtrair seu uso em outras áreas possíveis, tais como plantio, colheita, cozinha, calefação e outras atividades essenciais.
De acordo com Joseph Romm, integrante do Departamento de Energia, que conduziu pesquisa sobre o hidrogênio e transporte durante a administração Clinton: “Os problemas ambientais e energéticos que desafiam o globo, principalmente o aquecimento global, são de longe, muito sérios para nos expormos à riscos de uma política errônea na alocação de recursos escassos.”
Referências
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Ibid., 14.
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Romm, 2004. The Hype About Hydrogen, 8.
Um comentário:
Excelente artigo. Muito difícil encontrar algo assim em português.
Vou utilizar alguns comentários na apresentação de um trabalho na faculdade, obrigado.
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