10 termos relevantes do hidrogênio verde

Entender os principais conceitos relacionados ao hidrogênio verde e sua produção é essencial para compreender seu potencial para construir uma sociedade mais limpa. A Iberdrola lidera o desenvolvimento mundial do hidrogênio verde com mais de 60 projetos em países como Espanha, Reino Unido, Austrália, Brasil e Estados Unidos, que respondem às necessidades de eletrificação e descarbonização de setores importantes como a indústria e o transporte pesado.

Hidrogênio

O hidrogênio é o elemento químico mais abundante e mais leve do universo, com peso atômico 1. É um elemento essencial para a vida na Terra e faz parte de toda a matéria viva, assim como da água, e está presente na atmosfera da Terra em uma proporção de cerca de 0,00005%, principalmente no vapor de água. 

O hidrogênio também é encontrado em hidrocarbonetos e outros compostos. É possível obter hidrogênio molecular de forma artificial. O hidrogênio é usado principalmente na indústria, na energia e no transporte.

Hidrogênio verde

O hidrogênio verde é a geração de hidrogênio por meio de um processo químico conhecido como eletrólise, utilizando fontes de energia limpa. Esse método usa corrente elétrica para separar o hidrogênio do oxigênio na água. Portanto, se essa eletricidade for obtida de fontes renováveis, a energia será produzida sem emissões de dióxido de carbono na atmosfera, o que faz com que este tipo de hidrogênio seja considerado verde.

Fonte de energia renovável 

Na geração de hidrogênio verde, a fonte de energia elétrica que alimenta o eletrolisador é fundamental. Na verdade, para que a geração de hidrogênio seja certificada como verde, é necessário contar com uma fonte de energia 100% renovável. No nosso caso, usamos energia renovável de usinas eólicas, solares ou hidrelétricas.

Eletrólise

A eletrólise é um processo pelo qual os elementos de um composto químico são separados pela aplicação de uma corrente elétrica. Nesse tipo de reação, os elétrons são liberados pelos ânions no ânodo (oxidação) e capturados pelos cátions no cátodo (redução).

A eletrólise da água, em específico, nos permite obter os componentes básicos desse líquido por meio da eletricidade. Em outras palavras, a partir do H₂O, obtemos H₂, por um lado, e O₂, por outro. A origem da eletricidade, ou seja, se ela vem de fontes renováveis ou não, é o que determina se obtemos um hidrogênio verde ou não.

Reações de oxidação-redução

As reações de oxidação-redução são processos químicos nos quais ocorre uma transferência de elétrons entre substâncias. No caso específico da eletrólise da água, ao aplicar uma corrente contínua por meio de eletrodos imersos em água (PEM) ou solução de potássio (alcalina), o hidrogênio aparece no cátodo (onde os elétrons entram na água) e o oxigênio no ânodo. O gás hidrogênio liberado dessa forma pode ser usado como combustível, mas deve ser mantido separado do oxigênio. Caso contrário, será gerada uma mistura explosiva.

As reações do tipo PEM podem ser compreendidas com a explicação dos conceitos de oxidação e redução. A reação de oxidação também é conhecida como reação anódica, pois ocorre no ânodo durante a eletrólise. Nesse processo, os íons de oxigênio (O₂-) são oxidados para formar oxigênio molecular (O₂). O oxigênio produzido é liberado como um subproduto do processo de geração de hidrogênio verde.

A outra reação, a reação de redução, é conhecida como reação catódica porque ocorre no cátodo. No caso da eletrólise da água, essa é a reação pela qual os íons de hidrogênio (H+) são reduzidos a di-hidrogênio (H₂). Esse gás hidrogênio pode ser armazenado e usado como combustível limpo em diversas aplicações.

Eletrolisador

O eletrolisador é a peça central de todo o processo de produção de hidrogênio verde. O que pode parecer um simples galpão industrial visto de fora é, na verdade, um sistema de conversores, pilhas, separadores de gás, trocadores de calor, válvulas, instrumentação e outros componentes necessários para a realização do processo de eletrólise. No centro estão as peças-chave que fazem com que as reações de oxidação-redução ocorram, o que é conhecido como pilha de eletrólise. 

Pilha

A pilha de eletrólise é o principal elemento de um eletrolisador, já que é o local onde ocorrem as reações de oxidação-redução e, portanto, onde a molécula de água é quebrada em seus compostos elementares (hidrogênio e oxigênio). A pilha consiste em um conjunto de células de eletrólise, e cada célula de eletrólise é composta por placas bipolares, ânodo, cátodo e membrana. 

Uma única célula de eletrólise produz apenas uma pequena quantidade de hidrogênio, e é por isso que centenas de células de eletrólise são empilhadas em série para obter uma produção de hidrogênio considerável.

Ao aplicar uma diferença de potencial de corrente contínua entre os ânodos e os cátodos de cada célula de eletrólise, a molécula de água é quebrada e são produzidos hidrogênio, oxigênio e calor (já que a eficiência do processo não é de 100%).

Compressor 

O hidrogênio tem uma alta densidade de energia por unidade de massa, mas uma densidade de energia muito baixa por unidade de volume. Isso significa que é necessário realizar a compressão, liquefação ou conversão do hidrogênio ao longo dos diferentes estágios da cadeia de suprimentos, desde as unidades de eletrólise até a conversão, o armazenamento e a distribuição, com o objetivo de disponibilizar energia suficiente em um volume razoável. 

Se nos referimos à compressão como uma forma de aumentar a densidade de energia do hidrogênio, o compressor de hidrogênio é o principal elemento. 

Os principais compressores de hidrogênio atualmente em uso são os seguintes:

• Compressores de pistão são os compressores mais usados para aplicações que exigem taxas de fluxo moderadas e aumentos de pressão elevados.
• Compressores centrífugos são os compressores mais usados para aplicações em que uma alta taxa de fluxo precisa ser movimentada com um aumento moderado na pressão.
• Compressores iônicos são semelhantes aos compressores de pistão, mas usam líquidos iônicos em vez de pistões. A vantagem desse tipo de compressor é que é impossível que o hidrogênio seja contaminado pelo contato com o óleo.

Armazenamento

O armazenamento de hidrogênio é uma parte essencial da cadeia de suprimentos para essa fonte de energia. O hidrogênio é um gás leve e altamente inflamável, portanto, deve ser armazenado com segurança e eficiência. Existem dois tipos de armazenamento de hidrogênio, dependendo de sua portabilidade: estacionário e não estacionário. Por outro lado, ele também pode ser armazenado em várias formas, de acordo com suas propriedades físicas e o tipo de tecnologia de armazenamento, incluindo armazenamento líquido, sólido e gasoso, assim como sistemas de alta pressão.

A forma de armazenamento mais comum e com o maior nível de desenvolvimento tecnológico é o de gás comprimido. A pressão de armazenamento que pode ser alcançada depende do material usado para fabricar os tanques. Atualmente, são utilizados materiais compostos para a construção desses tanques, com o objetivo de aumentar a pressão e, ao mesmo tempo, reduzir o tamanho do contêiner para a mesma quantidade de gás.

Estações de hidrogênio

As estações de hidrogênio são postos de abastecimento que fornecem hidrogênio como combustível para todos os tipos de veículos, embora os que funcionam com hidrogênio sejam os veículos pesados (ônibus, caminhões, navios, aviões). Essas instalações são vitais para a infraestrutura de transporte baseada em hidrogênio e desempenham um papel fundamental na promoção da mobilidade sustentável.