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Jornal iTEIA

06.01.2013 - 00h53

Fonte de energias práticas e Alternativas nao poluentes III

energia limpa

Tatiana Navarro

Reservatório de Hidrogênio Líquido
Sistemas de armazenamento de hidrogênio líquido resolvem vários problemas como peso e tamanho que estão associados aos sistemas de compressão em alta pressão.
Para que atingir o estado líquido o hidrogênio deve estar abaixo do seu ponto de ebulição (-253 °C) na pressão ambiente num tanque muito bem isolado, geralmente com vácuo entre duas camadas, muito parecido com uma garrafa térmica. Os tanques de armazenamento não precisam ser altamente reforçados como acontece com os cilindros de alta pressão, mas precisam ser adequadamente robustos para aplicações automotivas.

O hidrogênio não pode ser armazenado no estado líquido indefinidamente. Todos os tanques, mesmo aqueles com excelente isolamento, permitem a troca de calor com os ambientes externos. A taxa de transferência de calor depende do desenho e tamanho do tanque - neste caso, quanto maior o tanque, melhor. O calor faz com que parte do hidrogênio evapore e a pressão no tanque diminua. Para diminuir a perda por evaporação, a maioria dos tanques utilizam o desenho esférico pois oferecem a menor área para um determinado volume, tendo assim uma menor área de transferência.
Os tanques têm uma pressão máxima de operação de 72 psi (5 bar). Se o hidrogênio não for consumido mais rapidamente que sua evaporação, a pressão cresce até um ponto em que o hidrogênio descarrega através de uma válvula de alívio. O hidrogênio descarregado não só é uma perda direta deste combustível, como pode ter um poder de flamabilidade se o carro estiver estacionado em locais fechados. Para que este fluxo de perda seja controlado para não ocorrer uma possível acumulação em potencial, os veículos apresentam válvulas de alívio que liberam o gás numa taxa de 1 a 2% por dia.
Quando utilizado em motores à combustão, o hidrogênio líquido pode ser injetado diretamente nos cilindros. Quando utilizado em carros movidos por células a combustível, o hidrogênio gasoso atinge uma pressão suficiente para que ocorra as reações químicas nos eletrodos e catalisadores.
Embora o armazenamento de hidrogênio líquido elimine o perigo associado às altas pressões, eles introduzem perigos associados à baixa temperatura. O carbono tem problemas de exposição em temperaturas menores que -30 °C, tornando-o quebradiço e susceptível a fratura. Além disso, o ar pode se liquefazer no lado de fora ou dentro da área de isolamento resultando numa concentração de oxigênio que pode causar uma faísca ou explosão se entrar em contato com materiais combustíveis.
O hidrogênio líquido é mais denso que no estado gasoso mas mesmo assim é mais volumoso que a gasolina considerando-se uma quantidade de energia equivalente. Comparando-se com os tanques de gasolina, os sistemas de armazenamento de hidrogênio são de 4 a 10 vezes maiores e pesados para uma quantidade equivalente de energia.
Hidretos Metálicos
Os sistemas de armazenamento de hidrogênio através de hidretos metálicos são baseados no principio de que alguns metais absorvem o hidrogênio gasoso sob condições de alta pressão e temperatura moderada para formar os hidretos metálicos.
Esses metais liberam o gás hidrogênio quando aquecidos em baixa pressão e em alta temperatura. Resumindo, os metais absorvem e liberam o hidrogênio como uma esponja.
As vantagens do armazenamento utilizando hidretos metálicos está pelo fato de que o hidrogênio passa a fazer parte da estrutura química do metal e assim não precisa de altíssimas pressões ou estar no estado criogênico (baixíssima temperatura) para operar. Como o hidrogênio é liberado do hidreto para uso em baixas pressões os hidretos metálicos são a opção mais segura dentre todos os outros métodos para se armazenar o hidrogênio.
Há muitos tipos de hidretos metálicos, mas basicamente eles são metais como o magnésio, níquel, aço e titânio. No geral, estão divididos de acordo com a capacidade de liberar hidrogênio em baixa ou alta temperatura.
Os hidretos de alta temperatura são menos caros e podem absorver mais hidrogênio que os hidretos de baixa temperatura, mas requerem quantidades significativas de calor para liberar o hidrogênio. Os hidretos de baixa temperatura podem conseguir calor suficiente através do motor, mas os hidretos de alta temperatura precisam de uma fonte externa de calor.
Muitas vezes os hidretos de baixa temperatura podem ter problemas de liberar o hidrogênio na temperatura ambiente. Para resolver este problema, os hidretos de baixa temperatura precisam ser pressurizados, aumentando a complexidade do processo.
A maior desvantagem dos hidretos metálicos não é tanto a temperatura e pressão necessárias para liberar o hidrogênio, mas a sua baixa densidade de energia. Mesmo os melhores hidretos metálicos contém somente 8% de hidrogênio em relação ao peso e assim se tornam muito pesados e caros. Estes sistemas de armazenamento podem ser até 30 mais pesados e 10 vezes maiores que um tanque de gasolina considerando-se a mesma quantidade de energia.
Outra desvantagem do armazenamento através de hidreto metálico é que devem ser carregados somente com hidrogênio puro, pois podem ser contaminados e perderem a capacidade de armazenamento caso impurezas sejam inseridas. O oxigênio e a água são os principais problemas, pois quimicamente eles adsorvem na superfície do metal retirando potenciais ligações para o hidrogênio. A perda de capacidade de armazenamento devido a contaminantes pode ser resolvida com inserção de calor.
Outro problema associado aos hidretos de metal está relacionado à sua estrutura. Eles são geralmente produzidos na forma granular ou em pó possibilitando assim uma grande área para armazenar o gás. As partículas são suscetíveis ao atrito, o que pode diminuir a eficiência.
Até o momento nenhum hidreto metálico atingiu uma excelente performance considerando-se alta capacidade de absorção, alta densidade, necessidade de pouco calor e ter baixo custo. Em alguns casos, uma mistura de hidretos de baixa e alta temperatura pode ser usada para manter algumas vantagens inerentes a cada tipo ao mesmo tempo em que pode introduzir desvantagens.



Hidretos Alcalinos
É uma variação recente de hidretos que oferece algumas vantagens sobre os métodos anteriores e utiliza compostos como o sódio, potássio e o lítio. Estes compostos reagem com água para liberar o hidrogênio sem necessidade de calor. O processo mais desenvolvido comercialmente envolve o uso de hidróxido de potássio (NaOH), disponível facilmente como refugo de indústrias de papel, pintura, têxteis, plástico e petroquímicas. O hidróxido de sódio é convertido em hidreto de sódio (NaH) retirando-se o oxigênio pela adição de um pouco de calor.
As vantagens deste processo é que não precisam de altas pressões operar em temperaturas criogênicas, além da adição de calor para liberar o hidrogênio, não ter tanto problema com contaminação, problemas estruturais e ser relativamente fácil de manusear.
Assim como os outros sistemas, os hidretos de sódio são pesados e tem uma densidade de energia que pode ser comparada a obtida pelos hidretos metálicos de alta temperatura. As desvantagens são complicações mecânicas durante o processo relacionados ao corte em pequenas bolas com controle de desenho.


Outros Métodos
Outras formas de armazenar o hidrogênio também vêm sendo pesquisadas, e não estão disponíveis comercialmente. Entre elas estão técnicas de micro-esferas e adsorção de carbono.


Adsorção de Carbono
A adsorção de carbono é uma técnica similar à aplicada aos hidretos metálicos onde o hidrogênio salta quimicamente para a superfície dos grânulos de carbono porosos. O carbono é adsorvido na temperatura de -185°C a -85°C e na pressão de 300 a 700 psi (21 a 48 bar). A quantidade de carbono adsorvido aumenta em baixas temperaturas. O calor em excesso de aproximadamente 150°C libera o hidrogênio.


Micro-esferas
Os sistemas de armazenamento de micro-esferas utilizam pequenas esferas de vidro no qual o hidrogênio é forçado a entrar sob alta pressão. Uma vez armazenado, as esferas podem ser mantidas na temperatura ambiente sem perda de hidrogênio.
Dependendo da temperatura, o vidro é impermeável ao hidrogênio que está dentro da esfera (baixa temperatura) ou permeável (alta temperatura) para que seja libertado.
A adição de uma pequena quantidade calor é suficiente para liberar o hidrogênio. Para aumentar a taxa de hidrogênio libertado, experimentos de choque entre as esferas estão sendo feitos.






Célula Combustível no Brasil

No Brasil, as células a combustível terão uma grande importância na área automobilística - tradicionalmente uma grande consumidora de combustíveis fósseis, e uma das responsáveis pela emissão de grandes quantidades de CO2, o vilão do efeito estufa que ocasiona o aquecimento da atmosfera terrestre.
Na área de equipamentos eletrônicos, possibilitará que várias funções como vídeo, áudio, armazenamento e transmissão de dados sem fio sejam agregados num equipamento apenas, devido à maior quantidade de energia e potência que as CaCs oferecem, além de substituírem as baterias convencionais nocivas ao meio ambiente.
E na parte relacionada à geração de energia estacionária, também terá importância fornecendo energia próxima aos locais de consumo como em residências, comércio e indústrias, aliviando a sobrecarga nos grandes centros de produção de energia como as grandes hidrelétricas e termelétricas, e desfazendo investimentos onerosos em linhas de transmissão para atingir localidades remotas, como já é feito com as células solares.
Para que o desenvolvimento da tecnologia de células a combustível ocorra no Brasil, já existe um programa dedicado às CaCs:O Programa Brasileiro de Sistemas de Células a Combustível, lançado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT). E para que a construção e operação de CaCs ocorra no país, é necessária uma atuação conjunta e articulada de diversos setores. No programa, constam os primeiros subsídios para questões referentes a normas sobre propriedade intelectual, ética e de segurança dos experimentos a serem realizados nesta área. (Está disponível no link sobre Legislação).
O Brasil tem um grande potencial para ser referência em tecnologia do hidrogênio e ficar auto-suficiente em energia em todas as formas de aproveitamento de energia, incluindo o petróleo. É um ponto estratégico e crucial para o desenvolvimento e crescimento econômico do país. Com uma grande capacidade hidráulica e sucro-alcooleira, o Brasil poderá produzir hidrogênio para exportar e utilizar em suas próprias células a combustível. O nosso país poderá ser uma referência mundial em auto-suficiência em energia e exportador da tecnologia célula a combustível e de hidrogênio, além de outras tecnologias de energia alternativa, como o biodiesel.

Estamos começando a viver a era do hidrogênio onde os primeiros passos estão sendo dados para que a economia baseada no petróleo se transforme em breve na economia do hidrogênio.
Desafios
Especialistas acreditam que um futuro baseado em célula a combustível acontecerá dentro de uma década, mas muitos desafios devem ser superados. Para começar, programas de cooperação público-privada são necessários para demonstrar os benefícios das CaCs e alcançar a comercialização em massa no de ano 2012. Barreiras técnicas e econômicas também devem ser analisadas e vencidas para que as células a combustível sejam utilizadas em aplicações em transportes, energia portátil, estacionária, entre outras aplicações.

Publicado por: CERHTO em 06.01.2013 às 00h46
Tags: educação ambiental
Canais: Educação

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