Sobre as duas formas de utilização do hidrogénio para fins de energia: células de combustível e combustão direta
Os processos de conversão de energia estão hoje sob especial consideração devido a dois fatores a eles associados, a saber, a disponibilidade limitada de portadores de energia primária e a emissão de poluentes, com inerentes efeitos negativos locais e globais sobre o meio ambiente. Os processos de conversão de energia que visam a geração de energia elétrica revelam eficiências não muito superiores a 30%, o que indica que as perdas na forma de calor ou substâncias químicas chegam a mais de dois terços da energia primária. Os processos convencionais, por exemplo aqueles usados numa central elétrica baseadas em motores térmicos, são processos de volume, como a combustão, que resulta em energia mecânica e, em seguida, elétrica. Em contraste, outras tecnologias, como fotovoltaica ou eletroquímica (baterias, células de combustível), são baseadas na transferência interfacial de energia e / ou carga. Em contraste com o desempenho dos motores térmicos, que é limitado pela eficiência de Carnot, as reações interfaciais são geralmente de eficiência termodinâmica muito maior.
A chama de H₂ queima cerca de 8 vezes mais rápido que a do gás natural. A gama de inflamabilidade do H₂ é extremamente ampla (4-77 vol% em comparação com 4-16 vol% para gás natural). Em termos de ignição, o H₂ precisa 15 vezes menos energia na faísca para entrar em ignição do que o gás natural (0,02 mJ).
As aplicações/indústrias mais importantes para caldeiras a hidrogénio são: refinarias, indústria química, indústria automóvel, indústria têxtil e de papel, produção de aço e metal, indústria de materiais de construção, centrais de fornecimento de energia e calor, e o transporte.
Em caldeiras convencionais a hidrogénio, este reage rapidamente com o oxigénio, levando a uma alta temperatura de chama e emissões de NOx prejudiciais ao meio ambiente. Por conta disso, o uso prático de queimadores de hidrogénio tem-se revelado um desafio. Os queimadores recém-desenvolvidos [pela Toyota, em 2018,] incorporam duas novas estruturas que permitem que o hidrogénio entre em combustão mais lentamente. Os novos queimadores também têm emissões zero de CO₂ e emissões de NOx bastante reduzidas, resultando em excelente desempenho ambiental. Veja o vídeo abaixo.
Os motores térmicos são capazes de usar apenas uma parte da energia (geralmente 35 a 41%). O calor restante é geralmente desperdiçado. Numa central de energia de ciclo combinado (CCPP), ou central de turbina a gás de ciclo combinado (CCGT), um gerador de turbina a gás produz eletricidade e o calor residual é usado para produzir vapor para gerar eletricidade adicional com uma turbina a vapor. Esta última etapa aumenta a eficiência de geração de eletricidade para cerca de 60%, pois a diferença de temperatura entre os níveis de calor de entrada e saída é maior, levando a um aumento na eficiência de Carnot. A maioria das centrais de energia modernas na Europa e na América do Norte são desse tipo.
(...) [A grande crítica aos motores térmicos, relaciona-se] com a sua eficiência limitada, que é determinada pelo ciclo de Carnot. (...) Questões práticas reduzem a eficiência das máquinas a vapor, devido aos limites de transferência de calor por convecção e fluxo viscoso (fricção). Existem também considerações mecânicas, por exemplo, limitações impostas pelos materiais, como propriedades não ideais do gás de trabalho, condutividade térmica, resistência à tração, fluidez, resistência à ruptura e ponto de fusão.
O Hidrogénio e o seu uso em células de combustível
Célula de combustível de óxido sólido (SOFC)
a operar com hidrogénio como combustível.
A fim de encontrar alternativas para a combustão, as vias de conversão eletroquímica de energia, que não apresentam a limitação de Carnot, estão tem vindo a ser intensamente pesquisadas. As células a combustível são dispositivos de conversão de energia que convertem eletroquimicamente combustíveis como hidrogénio e gás natural em eletricidade com alta densidade de potência, alta eficiência e baixas emissões de gases com efeito de estufa [1]. Entre muitos tipos de células a combustível, as células a combustível de óxido sólido (SOFCs) surgem como uma das opções mais adequadas para aplicações de combustível fóssil devido às temperaturas de operação mais altas e durabilidade / adequação dos materiais da pilha. SOFCs têm flexibilidade de combustível em que se pode alimentar gás natural, amônia, hidrogênio, metanol, biogás, gás de síntese, etc.
Num trabalho que teve por objeto realizar uma análise de ciclo de vida de células de combustível do tipo SOFC, mostra-se que o menor impacto ao indicador "alterações climáticas" ocorre para o caso do hidrogénio obtido por eletrólise de fonte eólica, correspondendo a cerca de 50 g CO₂ eq. por kWh de eletricidade. (...) Neste caso, 27% do impacto nas alteraçãos climáticas deve-se à manutenção da SOFC, na qual a produção de óxido de ferro constitui quase metade do impacto. Sob a manutenção de SOFC, a fabricação de aço inoxidável tem participação de quase 25% nos processos gerais.
Resultados do impacto no indicador "mudança climática"
de sistemas SOFC alimentados por diferentes combustíveis.
Os resultados deste estudo mostram que alimentar os sistemas SOFC com combustíveis livres de carbono elimina as emissões de gases de efeito estufa durante a operação, no entanto, etapas adicionais necessárias para a conversão do gás natural em hidrogénio, amónia e metanol tornam o processo completo mais ambientalmente problemático. No entanto, se o hidrogénio e a amónia forem produzidos a partir de fontes renováveis, como a eletricidade de fonte eólica, os impactos ambientais reduzem significativamente, gerando cerca de 0,05 e 0,16 kg de CO₂ eq.
