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Energia do Hidrogênio

O hidrogênio é o elemento mais abundante no Universo e também o mais leve, sendo também o primeiro elemento da Tabela Periódica de Mendelev.
. O átomo de hidrogênio tem apenas um próton e um elétron.
Muitas estrelas, cometas e planetas são feitos de hidrogênio ou contem grandes percentagens desse elemento. Acredita-se que o hidrogênio tenha sido o primeiro elemento na formação do Universo.
O hidrogênio quando coletado por forças gravitacionais pelas estrelas, ele é convertido em Hélio, por fusão nuclear, sendo esta conversão à fonte da energia solar e de todas as estrelas. O planeta Júpiter é constituído de hidrogênio sólido, líquido e gasoso.
Na terra, não existe o hidrogênio livre, ele está sempre associado aos outros elementos e para obtê-lo puro é necessário gastar energia de dissociação de uma fonte primária. Na figura abaixo vemos o fluxograma do hidrogênio, tomando-se por base a eletrólise da água.
Desde o momento em que se tornou evidente que os combustíveis fósseis não eram ilimitados e que cresceram as preocupações com meio ambiente, que, o interesse dos homens de ciência responsáveis pelo planejamento do futuro da terra, voltou-se para a potencialidade energética do sistema do hidrogênio, como substituto dos combustíveis fosseis.
Neste sistema que estamos focalizando, o hidrogênio não é uma fonte primaria de energia, mas, sim, uma forma intermediária, por isso não podemos nos referir a ele como uma fonte energética, ele é apenas um vetor energético, uma moeda energética.
Júlio Verne em seu livro A Ilha Misteriosa, já vislumbrava o papel do hidrogênio no futuro, "água decomposta em seus elementos constituintes... e decomposta sem duvida pela eletricidade... Acredito que a água será um dia usado como combustível, que o hidrogênio e o oxigênio que a constituem, usados juntos ou separados, fornecerão uma fonte inesgotável de calor e luz, com intensidade bem maior do que o carvão é capaz”.
O sistema energético do hidrogênio está esquematizado na figura abaixo, onde estão indicadas as várias possibilidades para a sua produção e uso numa sociedade industrial. A variedade de fontes, diversidade de métodos de produção, opções para armazenamento e distribuição, e o vasto espectro de usos finais possíveis do hidrogênio, permitem o desenvolvimento de um sistema energético muito flexível.
O hidrogênio como combustível universal tem uma particularidade que lhe é exclusiva, da sua queima resulta apenas água, da qual ele pode ser obtido, o que é muito importante do ponto de vista ecológico.
Deve-se frisar que eletricidade e hidrogênio são interconversíveis, seja usando-se a eletrólise da água, com eficiência de 60% ou células a combustível, o que contribui para aumentar a flexibilidade desse sistema energético.

A Economia do Hidrogênio

Pelos registros que se dispõem, a idéia de uma economia baseada na utilização do hidrogênio, surgiu em 1972 (época da cries energética) por proposição de D.P. Gregory, num Congresso em New York. A característica mais importante da Economia do Hidrogênio está na substituição de matérias-prima obtidas dos combustíveis fosseis, em diversos segmentos industriais, como na produção de fertilizantes, na siderurgia, na redução direta do minério Fe2 O3, para produção de ferro esponja.
No mesmo ano, W. Leeth Hauz, na Reunião da "American Chemical Society", sobre conversão de energia, propunha a utilização do hidrogênio como Eco-energia, considerando os problemas de poluição ambiental e o hidrogênio como forma de preservação do meio ambiente.
O hidrogênio como combustível universal tem uma particularidade que lhe é exclusiva, da sua queima resulta apenas água, da qual ele pode ser obtido, o que é muito importante do ponto de vista ecológico. Do ponto de vista da preservação de recursos energéticos, é inesgotável, sendo esta vantagem uma dádiva da natureza, principalmente nas regiões ou países bastante industrializados.
Eletrólise x Hidrelétrica

Os recursos hídricos brasileiros, bem como energias solares, eólicas, de marés, geotérmica e nuclear são compatíveis com um sistema energético baseado em hidrogênio eletricidade. Cada uma das fontes citadas pode contribuir de maneira diferente para amenizar o problema energético do país.
A grande vantagem do sistema conjugado (hidrogênio-eletricidade) é que pode acomodar grande quantidade de opções e conveniências regionais, sem ter que transformar a estrutura atual de distribuição e utilização final.
O Brasil recebeu a bênção de possuir o segundo hidro-potencial do mundo (255 mil MW) de grandes quedas, sem contar com 100 mil de mini-quedas, cujo potencial, facultará o atendimento das nossas necessidades em energia elétrica até meados do século XXI, quando aproveitadas as quedas da área norte da Amazônia e Territórios.
Nas usinas hidrelétricas, existem horários de demanda mais alta e horária de demanda baixa, ou seja, de menor consumo, que mesmo nos casos de turbinas ajustáveis, não aproveitam toda energia potencial da queda d'água, porque nessas horas, a água que passa e gera energia não consumida é potencial desperdiçado.
Estamos reformulando planos, visando aproveitar a parte ociosa para gerar hidrogênio por eletrólise, ficando essa produção, reduzida a um custo simbólico, pois o custo da energia hidrelétrica, gerada nas horas de ociosidade é praticamente nulo, já que está sendo desperdiçado, pois energia não consumida, jamais será aproveitada, por isso o hidrogênio seria produzido a custo mínimo, transportado por gasodutos construídos para gás natural, chegando ao consumidor enriquecendo o gás natural ou biogás, que teria maior poder calorífico.

 

Combustão do Hidrogênio   

Quando duas moléculas de hidrogênio combinam-se com uma molécula de oxigênio, em presença de um agente ignidor, a reação é do tipo oxidante, exotérmica violenta, produzindo luz e calor intenso, gerando 28.890 kcal/kg e água vaporizada (PCI) e a liberação de tanta energia térmica, pode ser aproveitada de várias maneiras, sem preocupação com a poluição, pois o subproduto é novamente água. O hidrogênio pode ser também utilizado, para outras finalidades:
Industria alimentícia, na hidrogenação de gorduras.      
Industria sabão em pó, na hidrosulfurização do óleo.
Industria química, para fertilizantes, amônia, etc.
Industria farmacêutica, auxilia processos específicos.
Industria de vidros, aumenta a temperatura de fusão.
Industria metalúrgica, redução de minérios e aço.
Dessulfuração de combustíveis retira enxofre.
Produzir energia elétrica em célula combustível.

 

Potencialidade do Brasil

O Brasil, segundo Marcus Zwanziger da Unicamp, já tem tecnologia suficiente para entrar na era do hidrogênio, sem pedir ou comprar "know-how" no exterior.
Na área de geração e armazenamento de hidrogênio, as inovações que foram introduzidas pela Unicamp, colocaram o Brasil em igualdade de condições com cinco ou seis países dos mais desenvolvidos nesse campo.

 

O hidrogênio pode ser obtido de várias formas:
Eletrólise da água..............................Unicamp
Decomposição da amônia..........................Unicamp
Decomposição de metanol.........................Japão
Reação de hidretos metálicos....................Unicamp
De ligas de ferro-titânio.......................Unicamp
De ligas de níquel-magnézio.....................Unicamp
Cloroplastos artificiais (Melvin Calvin)...Berkeley-USA
Bioenergia - Engenharia Genética.......C.Marchetti-USA
No Brasil, na Unicamp, já podem ser construídos eletrolizadores tipo tanque ou tipo filtro, para capacidade de produção até 100 Nm3/h. Experiências feitas na Unicamp foi obtido o hidrogênio a partir da amônia.
No Japão já foi obtido hidrogênio puro a partir do metanol misturado com água num reator tubular a temperatura de 280 a 300oC em presença de catalisadores específicos, verificando-se a seguinte reação:
CH3OH + H2O → CO2 + 3H2
Para uma unidade típica, produzindo 350Nm3/h, se faz necessário 240 Kg de metanol, 144 Kg de H2O (desmineralizada), 14 kW de energia elétrica DC e 7m3 de água para refrigeração do sistema.
Na área de Bioenergia o uso de cloroplastos artificiais desenvolvidos por Melvin, na Califórnia, galhas (nódulos) nas raízes do tipo Rhizobium podem ser conectadas a tubulações e por meio de bombas coletoras, retira-se o hidrogênio. Também Marchetti através de alterações de DNA e RNA, em carvalho, conseguiu produzir galhas, desde a dimensão de uma cabeça de alfinete, até o tamanho de uma bola de futebol, para produção de hidrogênio.
Vetor Energético do Hidrogênio

O hidrogênio, pela potencialidade que oferece, considerando a quantidade d'água da superfície do planeta terra, (326 bilhões de m3), pode ser considerado como vetor de energia de módulo infinito, se considerarmos que as reações são verdadeiras nos dois sentidos:
H2 + ½ O2 → H2O + 33.890 kcal/kg
H2O - 39,41 WDC -----> H2 + ½ O2 ( * )
(*) Considerando energia hidrelétrica ociosa.
Pelo seu potencial, pela ausência de ruídos ou resíduo poluente, pela facilidade de ser obtido e armazenado, o hidrogênio pode otimizar a eficiência das Usinas Termelétricas, utilizando hidrogênio gerado nas horas ociosas, para funcionar as turbinas a gás.
Célula à Combustível

A célula à combustível a hidrogênio produz eletricidade diretamente do combustível, através de processo eletroquímico, com eficiência de 90%. Essa eficiência pode ser obtida em sistema de potência, utilizando célula a combustível a hidrogênio com cogeração.
A tecnologia atual consiste de potência, com três subsistemas:
1 - Processamento do combustível convertendo-o a uma mistura gasosa, rica em hidrogênio.
2 - A célula converte a energia química da mistura em corrente contínua e energia térmica.
3 - O inversor transforma a corrente contínua em corrente alternada e a energia térmica gera vapor.

Bio-Energia

O cientista Melvin Calvin (Prêmio Nobel de Química de 1964), conhece as potencialidades em biomassas do Brasil, depois de várias visitas para pesquisas, divulga seus estudos sobre a Bio-Energia-Genética, focalizando "A arvore de Hidrogênio" (Rhizobium) de onde se pode colher o hidrogênio ou gás metano, de uma cavidade fechada, chamada galha, que pode ser esvaziada por meio de uma bomba, no circuito das reações químicas, produzidas pelas reações da fotossíntese, conforme descrito abaixo:
A galha provoca o inverso da fotossíntese e torna o hidrogênio ou metano, disponível em uma cavidade fechada que pode ser esvaziada com uma bomba coletora apropriada.
Hidrogênio , símbolo H, elemento gasoso reativo. Seu número atômico é 1 e pertence ao grupo 1 (ou IA) do sistema periódico.
Há três isótopos: hidrogênio simples, composto de um próton; deutério,( Deutério : isótopo de hidrogênio, estável e não radioativo, com uma massa atômica de 2,01363, cujo símbolo é D ou 2H. A água pesada (óxido de deutério, D2O) tem um ponto de ebulição de 101,42 °C e um ponto de congelamento de 3,81 °C. À temperatura ambiente, sua densidade é 10,79% maior do que a da água normal.
Junto com o trítio, o deutério, sob a forma de deuterino de lítio, é um componente essencial das armas de fusão nuclear.) Com um próton e um nêutron; e trítio, um isótopo radioativo e instável, que contém um próton e dois nêutrons.
É abundante no Sol e outras estrelas, sendo o elemento mais comum no Universo. Na Terra, o composto mais abundante e importante do hidrogênio é a água, H2O. É ainda parte essencial de todos os hidrocarbonetos e dos ácidos.
O hidrogênio reage com elementos não metálicos: com nitrogênio, formando amônia; com enxofre, ácido sulfídrico; com cloro, cloreto de hidrogênio, e com oxigênio para formar água. Combina-se ainda com certos metais, como sódio e lítio, formando hidretos. É empregado, em grandes quantidades, na elaboração do amoníaco e na síntese do álcool metílico. A hidrogenação também requer quantidades expressivas de hidrogênio.



Na natureza, são encontrados dois isótopos de hidrogênio: o hidrogênio normal ou leve e o hidrogênio pesado (deutério). O terceiro isótopo, o trítio, é radioativo, com uma vida média de 12,26 anos. Embora o trítio seja conhecido, sobretudo por seu papel na fusão nuclear, também é usado como traçador para estudar reações biológicas. O carbono tem três isótopos naturais: o carbono 12 constitui 98,89% do carbono natural e serve de padrão para a escala de massas atômicas; o carbono 13 é o único isótopo magnético do carbono e é usado em estudos estruturais de compostos que contêm este elemento; o carbono 14, produzido pelo bombardeio de nitrogênio com raios cósmicos, radioativos (com uma vida média de 5.760 anos), é empregado para datar objetos arqueológicos.



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