O hidrogênio é fundamental para a descarbonização, tanto na indústria química quanto nas nações desenvolvidas. No entanto, embora seja relativamente fácil e barato de produzir, o H2 puro é notoriamente difícil de transportar e armazenar. A maioria dos métodos exige altos custos operacionais e/ou de energia.
O H tem a menor massa de todos os elementos conhecidos, e o H2 é a mais leve de todas as moléculas. Portanto, o hidrogênio tem uma densidade extremamente baixa à pressão atmosférica. Para armazená-lo e transportá-lo de forma eficiente, ele precisa primeiro ser condensado. Os métodos convencionais incluem:
- Compressão de alta pressãoo– para H2 em um estado gasoso, pressões de 5.000 a 10.000 psi (350 a 700 bar) ou mais
- Liquefação criogênica – para H2 em estado líquido, resfriando-o abaixo de seu ponto de ebulição de -423°F (-253°C, 20,28 K)
- Armazenamento em estado sólido – adsorção para armazenamento de hidrogênio na superfície de sólidos; absorção para armazenamento de hidrogênio dentro da estrutura reticular de sólidos
Todas as três abordagens envolvem altos custos operacionais e/ou de energia (Rao & Yoon, 2020):
- Os tanques que podem resistir à essa alta pressão exigem o uso de materiais compostos caros.
- A liquefação do hidrogênio requer um processo de resfriamento com vários armazenamentos e gasta o equivalente a cerca de 40% do seu conteúdo energético.
- As desvantagens do armazenamento em estado sólido:
- baixa capacidade gravimétrica de <5,5 % em peso (o DOE tem como meta 6 % em peso)
- reversibilidade limitada sob pressões e temperaturas ideais
- instabilidade dos materiais de armazenamento
- necessidade de baixas temperaturas (−321°F / −196°C)
Esses custos, especialmente em termos de energia, têm um impacto negativo no potencial líquido zero do uso do hidrogênio, principalmente se a energia necessária for proveniente de fontes não renováveis. Os custos de energia para transportar o hidrogênio por longas distâncias e armazená-lo por longos períodos contribuem para esse dilema.
Por esses motivos, os pesquisadores estão trabalhando em novas formas de armazenamento de hidrogênio, que consumam menos energia. Um processo que se mostra promissor é o uso de transportadores de hidrogênio orgânico líquido (LOHCs), que também abre novas possibilidades para a captura de calor e a regeneração de catalisadores.
Sistemas LOHC: Muitos pontos positivos (e alguns negativos)
Como o próprio nome indica, os transportadores de hidrogênio orgânico líquido são compostos de carbono-hidrogênio ou carbono-carbono que permanecem líquidos em temperaturas e pressões ambientes. Para transportar o hidrogênio, os LOHCs com baixo teor de hidrogênio reagem com o hidrogênio em uma reação catalítica exotérmica em pressão elevada (435-725 psi / 30-50 bar) e altas temperaturas (302-392°F / 150-200°C). Uma vez saturada, a LOHC armazena o hidrogênio com relativa segurança em condições ambientais. Quando o hidrogênio é necessário, o LOHC rico em hidrogênio libera hidrogênio em uma reação catalítica endotérmica a temperaturas mais altas (482-608°F / 250-320°C). Esse processo de hidrogenação/desidrogenação é mais fácil e econômico do que comprimir ou liquefazer o hidrogênio e tem uma capacidade de carga maior do que o armazenamento em estado sólido.
Atualmente, os pesquisadores estão fazendo experimentos com diferentes compostos ricos e pobres em hidrogênio para ver quais deles oferecem mais pontos positivos e menos negativos. Esses pares incluem metilciclohexano (MCH)/tolueno e peridro-dibenziltolueno/dibenziltolueno, decalina/naftaleno.
Os sistemas LOHC estão recebendo tanta atenção porque, em princípio, permitem o armazenamento e o transporte de grandes quantidades de hidrogênio por um tempo quase ilimitado – e tudo isso sem o risco de vazamento do hidrogênio. De fato, as únicas limitações de quantidade e duração dependem do tamanho do tanque e das características técnicas do composto LOHC. Além disso, diferentemente de outros conceitos de Power-to-X*, os sistemas LOHC permitem o armazenamento de energia sem liberar CO2 ou N2 na atmosfera. Portanto, esse tipo de armazenamento de hidrogênio é um passo positivo para a realização do potencial do H2 como um combustível favorável ao clima.
No entanto, os sistemas LOHC têm algumas desvantagens. Por exemplo, embora a combustão do dibenziltolueno seja lenta, ele não deve ser tocado ou ingerido e é um perigo se entrar no abastecimento de água. Trabalhar com LOHCs requer a adoção das mais altas precauções de segurança, necessárias para proteger o meio ambiente, a saúde humana e as empresas. E isso requer um controle contínuo por meio de uma tecnologia de medição precisa e confiável.
Os Desafios da Permeação e Fragilização por Hidrogênio
A permeação e a fragilização do hidrogênio são problemas importantes que precisam ser superados para que se tenha uma infraestrutura de hidrogênio madura. O hidrogênio molecular (H2) pode atravessar a maioria dos materiais não metálicos. E quando o di-hidrogênio entra em contato com as superfícies metálicas, é preciso relativamente pouca energia – mesmo em condições ambientais – para dissociar o gás em sua forma atômica e, em seguida, nos íons H+ que podem penetrar tão facilmente na estrutura da rede da maioria dos metais. Quanto maior a energia no ambiente, como temperaturas e pressões extremas do processo, mais rapidamente ocorrerão a permeação e a fragilização nos tanques de armazenamento e tubulações.
Os instrumentos de medição também enfrentam os mesmos problemas, levando a desvios de sinal e falhas mecânicas. Felizmente, há maneiras de superar esses e outros desafios.
* Power-to-X refere-se a caminhos que convertem, armazenam e reconvertem a eletricidade excedente gerada por meio de energia solar, eólica e outras fontes renováveis (energia) em uma ampla gama de produtos (X), como combustíveis para transporte, produtos químicos e calor. Usado principalmente no norte da Europa, esse termo abrangente é uma abreviação para transformar energia verde em combustível verde.