[Imagem: Hunt et al. - 10.1016/j.ijhydene.2023.03.405]
Transporte do hidrogênio
A "economia do hidrogênio" é um objetivo perseguido por pesquisadores e empresas em todo o mundo porque ela pode significar usar energia sem poluir o meio ambiente.
Os maiores entraves para isso estão na geração limpa do hidrogênio e em seu transporte, sobretudo por longas distâncias: Substituir os navios petroleiros por navios carregados de hidrogênio, por exemplo, não é fácil por razões técnicas e econômicas.
A melhor opção hoje para o transporte consiste em liquefazer o hidrogênio, o que requer resfriamento a 20 Kelvin (-253 ºC), mas este é um processo caro e requer cerca de 30% da energia contida no gás.
Ar sólido
Agora, uma equipe internacional, incluindo pesquisadores de três universidades brasileiras, está propondo uma abordagem alternativa que é mais barata: Usar ar em estado sólido como um meio de armazenamento para reciclar o frio em toda a cadeia de fornecimento da liquefação de hidrogênio.
À temperatura e pressão ambientes, o ar é um gás, mas é possível variar essas condições para que ele se torne um líquido ou um sólido.
A proposta, chamada Liquefação de Hidrogênio em Ar Sólido (LHAS), consiste em armazenar a energia de resfriamento da regaseificação do hidrogênio por meio da solidificação do ar, e então transportar o ar sólido de volta para onde o hidrogênio é liquefeito, essencialmente levando o frio de volta para liquefazer mais hidrogênio.
Em outras palavras, o ar sólido é usado para reduzir o consumo de energia para liquefazer o hidrogênio
(a) Processo de produção de N2 ou O2 sólido para produzir hidrogênio 99,99% puro e (b) recuperação da energia de resfriamento de hidrogênio durante o processo de liquefação do H2.
[Imagem: Hunt et al. - 10.1016/j.ijhydene.2023.03.405]
Reciclagem do frio
O processo é dividido em quatro etapas principais: regaseificação de hidrogênio, transporte de ar sólido, liquefação de hidrogênio e transporte de hidrogênio líquido.
Segundo os cálculos da equipe, em vez de usar o ar ambiente diretamente, a melhor solução técnica seria usar nitrogênio (N2) ou oxigênio (O2) sólidos. A solidificação é realizada dentro do próprio tanque de armazenamento do navio.
"O N2 ou O2 líquido é carregado no tanque criogênico pulverizando-o próximo a suas temperaturas de fusão (54 e 63 K, respectivamente) . Assim que o N2 ou O2 líquido submergir no H2 líquido, a 20 K, o N2 ou O2 solidificará, acumulará no fundo do tanque e reduzirá suas temperaturas para 20 K, enquanto o H2 evapora," descreve a equipe.
Outra vantagem da solidificação do ar para recuperação de energia para liquefação do hidrogênio é a produção extra de oxigênio: O oxigênio pode ser usado para aumentar a eficiência da geração de energia com a oxi-combustão e facilitar a captura, uso e armazenamento de carbono.
"Usar o ar sólido como um meio para reciclar a energia de resfriamento em toda a cadeia de fornecimento de liquefação de hidrogênio pode reduzir o custo e o consumo de energia para transportar hidrogênio entre os continentes," disse Julian Hunt, do Instituto Internacional de Análise de Sistemas Aplicados, na Áustria. "Isso aumentaria a viabilidade de uma economia global de hidrogênio no futuro e aumentaria o número de fornecedores de hidrogênio para regiões que demandam energia, como China, Europa e Japão. A possibilidade de vender hidrogênio pode resultar em uma expansão adicional da energia solar e da energia eólica em países em desenvolvimento, contribuindo para suas economias."
[Imagem:Julian David Hunt et al. - 10.1016/j.ijhydene.2023.03.405]
Melhor que amônia ou metanol
Segundo a equipe, o uso do ar sólido seria mais vantajoso do que as propostas atuais, que têm girado basicamente em torno do uso de substâncias em estado líquido, como a amônia, o metanol ou o próprio hidrogênio líquido puro.
"Em comparação com amônia ou metanol, o hidrogênio liquefeito é a melhor opção por vários motivos. Transportar hidrogênio como amônia e outras moléculas exigiria cerca de 30% da energia transportada para extrair o hidrogênio. O hidrogênio é liquefeito onde a eletricidade é barata. Além disso, a LHAS pode reduzir o consumo de energia para liquefação de hidrogênio em 25 a 50%," disse Hunt.
A energia necessária para liquefazer o hidrogênio é reduzida em 25,4% usando N2 e em 27,3% usando O2. Tecnicamente, o O2 sólido é um transportador de energia de liquefação do hidrogênio melhor do que o N2 sólido, mas a equipe recomenda o N2 devido ao risco de explosão no uso do O2.
A equipe conta com pesquisadores das universidades federais do Espírito Santo (UFES), Rio de Janeiro (UFRJ) e Rio Grande do Sul (UFRGS).
Bibliografia:
Artigo: Solid air hydrogen liquefaction, the missing link of the hydrogen economy
Autores: Julian David Hunt, Pedro Marin Montanari, Diego Nieto Hummes, Masoud Taghavi, Behanm Zakeri, Oldrich Joel Romero, Wenji Zhou, Marcos
Auréo Vasconcelos de Freitas, Nivalde José de Castro, Paulo Smith Schneider, Yoshihide Wada
Revista: International Journal of Hydrogen Energy
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.03.405