Aplicações de hidrogênio

Hidrogênio verde

é produzido por meio da eletrolise da água. A eletricidade necessária para isso vem de fontes de energia renováveis, como energia solar, eólica ou hídrica. Por esse motivo, a produção de CO2 é neutra e favorável ao clima.

Hidrogênio cinza

é produzido a partir de combustíveis fósseis, como gás natural, carvão ou petróleo, por meio de reforma a vapor. A produção de uma tonelada de hidrogênio resulta em dez toneladas de CO2 como produto residual. Não é neutro em relação ao clima.

Hidrogênio azul

é produzido, como o hidrogênio cinza, por meio de reforma a vapor. No entanto, o CO2 liberado é armazenado no subsolo (tecnologia CCS: Carbon Capture and Storage). Como o CO2 não é liberado na atmosfera, o hidrogênio azul é neutro em termos de CO2.

Hidrogênio turquesa

é produzido durante a pirólise do metano. O gás natural (metano) é dividido em hidrogênio e carbono sólido em um processo termoquímico. O carbono sólido pode ser armazenado como granulado e reutilizado em uma data posterior.

Hidrogênio vermelho/rosa

é produzido por meio da eletrolise da água como o hidrogênio verde. No entanto, a eletricidade necessária vem da energia nuclear. Embora esse tipo de hidrogênio seja neutro em termos de CO2, ele produz resíduos radioativos que devem ser armazenados com segurança.

Existem muitas tecnologias para a produção de hidrogênio. Atualmente, ele é obtido principalmente pela reforma a vapor de combustíveis fósseis, que também produz CO2. Um processo que está se tornando cada vez mais importante devido à sua neutralidade climática é a eletrólise. Nesse processo, a água é dividida em seus componentes, hidrogênio e oxigênio, usando eletricidade de fontes de energia renováveis.

Os tipos mais relevantes de eletrólise para a indústria são a eletrólise alcalina (AEC), a eletrólise de membrana de troca de prótons (PEM) e a eletrólise de óxido sólido (SOEC). Em todos os processos, a água é dividida em seus componentes, hidrogênio e oxigênio. As tecnologias diferem na escolha da membrana e do eletrólito.

Eletrólise alcalina (AEC)

A eletrólise alcalina é a tecnologia mais frequentemente usada na prática. Uma solução de hidróxido de potássio (KOH) é usada como eletrólito. A tecnologia já está disponível em grande escala. Além dos baixos custos de investimento e da longa vida útil, praticamente não são utilizadas matérias-primas críticas. A principal desvantagem é a baixa resposta dinâmica às mudanças de carga.

Eletrólise por membrana de troca de prótons (PEMEC)

Em comparação com a eletrólise alcalina, a eletrólise por membrana de troca de prótons é muito mais recente, mas também está disponível em escala industrial. O componente central é a membrana de troca de prótons. Ele garante que os dois produtos, oxigênio e hidrogênio, não se misturem, resultando em maior pureza do hidrogênio. A eletrólise PEM permite mudanças rápidas de carga e um design compacto. Por outro lado, existem materiais catalisadores caros.

Óxido sólido ou eletrólise de alta temperatura (SOEC)

A água é alimentada no sistema sob forma de vapor de água. Como resultado, é possível obter um nível de eficiência muito alto, de até 85%. As células operam em temperaturas de até 900 °C. Um material cerâmico sólido serve de eletrólito. Outra vantagem do SOEC é que ele também é adequado para a eletrólise de CO para produzir gás de síntese. No entanto, as altas temperaturas levam a uma baixa capacidade de mudança de carga e a altos requisitos de material.

Existem muitas tecnologias para armazenar o hidrogênio. Os sistemas de armazenamento físico têm uma densidade de energia gravimétrica e volumétrica mais alta. Os tanques de armazenamento baseados em materiais permitem o armazenamento sob pressões e temperaturas gerenciáveis. As duas tecnologias mais relevantes são o armazenamento de hidrogênio gasoso sob pressão de até 700 bar e do hidrogênio líquido a -253 °C em tanques isolados a vácuo. Outras tecnologias incluem armazenamento de hidreto metálico, LOHC ou armazenamento químico, como amônia ou metanol.

O hidrogênio pode ser usado em uma ampla variedade de setores. A maior demanda é esperada no setor industrial, pois é nesse setor que o hidrogênio é necessário devido às suas propriedades químicas. As possíveis aplicações incluem a produção de amônia e metanol ou a produção de aço e cimento. Também há uma alta demanda no setor da mobilidade. O hidrogênio é usado sempre que as baterias não oferecem alternativa, ou seja, para cargas elevadas e longas distâncias. Isso inclui aplicações aeroespaciais e marítimas, bem como o setor de transportes.

O hidrogênio consiste em apenas um próton e um único elétron. Portanto, é o menor e mais leve elemento, e é por isso que se difunde muito rapidamente em uma variedade de materiais. Dependendo do material de base, da pressão, da temperatura e da duração da exposição, isso pode levar à fragilização por hidrogênio e, assim, à fadiga prematura do componente. Para garantir que as tubulações permaneçam estanques e seguras, é essencial selecionar o material certo e a concepção de componente certa para a aplicação.

Os aços cromo-níquel austeníticos de alta liga com baixo teor de carbono e alto teor de níquel são os mais adequados para uso em aplicações de hidrogênio. O baixo teor de carbono e o alto teor de níquel tornam esses aços altamente resistentes à corrosão intergranular e evitam amplamente a fragilização por hidrogênio.

A fragilização por hidrogênio refere-se à penetração e ao armazenamento de hidrogênio atômico na estrutura da rede de um material. Isso causa uma redução na resistência, que pode levar à fadiga prematura devido a fissuras ou à propagação muito acelerada de fissuras e à falha repentina do material. A fragilização do hidrogênio é altamente dependente do material, da pressão, da temperatura e de muitos outros fatores de influência.