O armazenamento do hidrogênio

Várias questões técnicas ainda impedem o uso generalizado de hidrogênio como vetor de energia, no topo da qual está como armazenar o hidrogênio de maneira acessível, sustentável e segura. Essa dificuldade vem das propriedades físicas do hidrogênio – o hidrogênio é o primeiro elemento da tabela periódica e é o mais leve. O hidrogênio livre existe como uma molécula diatômica (H2) e tem uma densidade, a temperatura e pressão normal (0 °C e 0,1 MPa) de cerca de 0,09 kg/m3, o que é significativamente menos do que o ar (1,3 kg/m3) Seus pontos normais de ebulição e fusão estão em torno de -253 °C e -259 °C, respectivamente, e mesmo como líquido ou sólido, possui densidades extremamente baixas.

A maneira mais convencional de armazenar hidrogênio e o estado da arte atual na indústria química é armazenar hidrogênio como gás após a compressão. Nos sistemas de armazenamento veicular, o hidrogênio geralmente é armazenado em cilindros de hidrogênio comprimido a 35 ou 70 MPa. Para comparação, um pneu típico de um carro tem uma pressão de 0,23 MPa. Os cilindros de armazenamento de hidrogênio são classificados em quatro tipos diferentes: aço inoxidável ou alumínio (tipo I), compósitos de resina de fibra com revestimento metálico grosso (tipo II), compósitos de resina de fibra com revestimentos metálicos totalmente embrulhados (tipo III) e revestimentos poliméricos totalmente envolto em compósitos de resina de fibra (tipo IV), com volumes geralmente variando de 0,050 a 0,200 m 3.

Cilindros tipo IV são a opção mais comum, com um revestimento polimérico como o polietileno de alta densidade (HDPE) usado como barreira de permeação de gás. É importante lembrar que o hidrogênio pode permear facilmente a maioria dos materiais, razão pela qual o revestimento adequado dos cilindros é tão importante. Um dos principais problemas da compressão de hidrogênio é o fato de ter uma grande penalidade de energia – a energia usada na compressão de hidrogênio a 35 MPa é de 14,5 MJ por kg de hidrogênio e, se comprimida em 70 MPa, é de 18 MJ por kg de hidrogênio.

Isso significa que, se armazenado a 70 MPa, cerca de 15% da energia contida no hidrogênio é gasta comprimindo-o. Ainda assim, o hidrogênio comprimido é a tecnologia de escolha para a indústria química e para a maioria dos atuais veículos comerciais de células a combustível de hidrogênio.

Outro método de armazenamento convencional para atingir densidades volumétricas mais altas é liquefazer o hidrogênio. Os problemas associados à liquefação são que o ponto de ebulição normal do hidrogênio é –252,9 °C (20,2 K), que é uma temperatura muito difícil de alcançar e manter. Como líquido, o hidrogênio é tipicamente armazenado a 20,0 K e com pressões variando de 0,1 a 1 MPa. Nesse estado, o hidrogênio tem uma densidade volumétrica de 70,3 kg/m3, que se compara às densidades volumétricas de 23,2 kg/m3 e 39,0 kg/m3 para compressão à temperatura ambiente em 35 e 70 MPa, respectivamente. Apesar das boas densidades volumétricas de hidrogênio, o hidrogênio líquido tem alguns problemas, no topo dos quais é evaporação. É muito difícil isolar completamente o sistema de armazenamento, para que um pouco de hidrogênio aqueça e deixe ferver, criando altas pressões no tanque, que deve ser despressurizada pela ventilação do hidrogênio. Esse é um problema ainda maior se o tanque for deixado inativo por longos períodos de tempo. Além da evaporação, também há uma grande penalidade de energia com a liquefação de hidrogênio, que pode chegar a 36 a 47 MJ por kg de hidrogênio, que é cerca de 30 a 40% do seu menor valor de aquecimento, tornando a liquefação de hidrogênio, um método que consome muita energia.

Devido a deficiências no armazenamento líquido e no comprimido, outros métodos alternativos de armazenamento físico estão sendo investigados. Uma delas é a compressão criogênica de hidrogênio, que é uma combinação de compressão e armazenamento de líquidos, e tenta atenuar os problemas que afetam os dois métodos, evitando altas pressões e temperaturas muito baixas. A principal vantagem da compressão criogênica é sua flexibilidade, pois pode operar a temperaturas de até 20 K (-253 °C) e a pressões de até 25 MPa, com condições operacionais típicas entre 20 e 60 K (-253 °C e -213 °C, respectivamente). Ter hidrogênio comprimido e em temperaturas criogênicas cria um balanço maior da planta, mas as capacidades gravimétricas de hidrogênio para sistemas inteiros podem chegar a 45,0 kg/m3. Grande parte do trabalho realizado sobre compressão criogênica se originou de pesquisas nos laboratórios do Departamento de Energia dos EUA, e alguns fabricantes de automóveis, como a BMW, estão investigando a tecnologia.

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Fonte:

The Chemical Engineer