Ar sólido pode ser o impulso que faltava para Economia do Hidrogênio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/05/2023

Processo de liquefação do hidrogênio usando ar sólido. O principal objetivo é armazenar as temperaturas frias no hidrogênio líquido fornecido pelo N₂ ou O₂ sólidos, e usar esse frio para reduzir o consumo de energia no processo de liquefação.
[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."

Armazenar o frio em O₂ é tecnicamente mais vantajoso, mas há riscos envolvidos.
[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).

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