Antes, falamos sobre o modo de transporte ecológico dos ônibus elétricos. No entanto, um ponto importante não foi mencionado: com o aumento do número de veículos elétricos, as cidades precisarão de mais eletricidade, que geralmente é obtida de maneiras ambientalmente inseguras. Felizmente, hoje o mundo aprendeu a obter energia com a ajuda do vento, sol e até hidrogênio. Decidimos dedicar o novo material à última das fontes e conversar sobre os recursos da energia do hidrogênio.
À primeira vista, o hidrogênio é um combustível ideal. Em primeiro lugar, é o elemento mais comum no Universo e, em segundo lugar, quando é queimado, uma grande quantidade de energia é liberada e a água é formada sem a liberação de gases nocivos. A humanidade há muito reconhece os benefícios da energia do hidrogênio, mas não tem pressa em usá-la em larga escala industrial.
Células a combustível de hidrogênio
A primeira célula a combustível de hidrogênio foi projetada pelo cientista inglês William Grove nos anos 30 do século XIX. Grove tentou precipitar cobre de uma solução aquosa de sulfato de cobre em uma superfície de ferro e percebeu que, sob a influência da corrente elétrica, a água se decompõe em hidrogênio e oxigênio. Após essa descoberta, Grove e Christian Schönbein, que trabalharam em paralelo com ele, demonstraram a possibilidade de gerar energia em uma célula a combustível de hidrogênio-oxigênio usando um eletrólito ácido.
Mais tarde, em 1959, Francis T. Bacon, de Cambridge, adicionou uma membrana de troca iônica à célula a combustível de hidrogênio para facilitar o transporte de íons hidróxido. O governo dos EUA e a NASA imediatamente se interessaram pela invenção de Bacon. A célula de combustível atualizada foi usada na espaçonave Apollo como a principal fonte de energia durante seus vôos.
Célula de combustível de hidrogênio do módulo de serviço Apollon, que gera eletricidade, calor e água para os astronautas. Fonte: James Humphreys / Wikimedia CommonsAgora, uma célula a combustível de hidrogênio se assemelha a uma célula galvânica tradicional, com apenas uma diferença: a substância para a reação não é armazenada na célula, mas é constantemente fornecida a partir do exterior. Escoando através do ânodo poroso, o hidrogênio perde elétrons, que entram no circuito elétrico, e os cátions passam pela membrana. Além disso, no cátodo, o oxigênio captura um próton e um elétron externo, como resultado da qual a água é formada.
O princípio de operação da célula a combustível de hidrogênio. Fonte: Geek.comUma tensão de cerca de 0,7 V é removida de uma célula de combustível; portanto, as células são combinadas em células de combustível maciças com uma tensão e corrente de saída aceitáveis. A tensão teórica de um elemento de hidrogênio pode atingir 1,23 V, mas
parte da energia entra em calor .
Do ponto de vista da energia verde, as células a combustível de hidrogênio têm uma eficiência extremamente alta de 60%. Para comparação: a eficiência dos melhores motores de combustão interna é de 35 a 40%. Para usinas de energia solar, o coeficiente é de apenas 15 a 20%, mas depende muito das condições climáticas. A eficiência dos melhores parques eólicos de palhetas chega a 40%, o que é comparável aos geradores de vapor, mas as turbinas eólicas também exigem condições climáticas adequadas e manutenção dispendiosa.
Como podemos ver, neste parâmetro, a energia de hidrogênio é a fonte de energia mais atraente, mas, no entanto, existem vários problemas que dificultam sua aplicação em massa. O mais importante deles é o processo de produção de hidrogênio.
Problemas de mineração
A energia de hidrogênio é ecológica, mas não autônoma. Para operação, uma célula de combustível precisa de hidrogênio, que não é encontrado na Terra em sua forma mais pura. O hidrogênio deve ser obtido, mas todos os métodos atualmente existentes são muito caros ou ineficazes.
O
método mais eficaz em termos de quantidade de hidrogênio recebido por unidade de energia gasta é
a conversão de vapor de gás natural . O metano é combinado com vapor de água a uma pressão de 2 MPa (cerca de 19 atmosferas, ou seja, pressão a uma profundidade de cerca de 190 m) e a uma temperatura de cerca de 800 graus, resultando em um gás convertido com um teor de hidrogênio de 55-75%. Plantas enormes são necessárias para a conversão de vapor, que só pode ser aplicada na produção.
Um forno de tubo para conversão de vapor de metano não é a maneira mais ergonômica de produzir hidrogênio. Fonte: CTK-EuroUm método mais conveniente e simples é a eletrólise da água. Quando a corrente elétrica passa pela água tratada, ocorrem uma série de reações eletroquímicas, como resultado da qual o hidrogênio é formado. Uma desvantagem significativa desse método é o grande consumo de energia necessário para a reação. Ou seja, acaba por ser uma situação um tanto estranha: para obter energia de hidrogênio, você precisa de ... energia. Para evitar custos desnecessários durante a eletrólise e economizar recursos valiosos, algumas empresas estão se esforçando para desenvolver sistemas de ciclo completo "eletricidade - hidrogênio - eletricidade" nos quais a energia pode ser obtida sem recarga externa. Um exemplo desse sistema é o desenvolvimento do Toshiba H2One.
Estação de energia móvel Toshiba H2One
Desenvolvemos a mini-central móvel H2One, que converte água em hidrogênio e hidrogênio em energia. Para manter a eletrólise, são usadas baterias solares, e o excesso de energia é acumulado nas baterias e assegura a operação do sistema na ausência de luz solar. O hidrogênio resultante é alimentado diretamente às células de combustível ou enviado para armazenamento em um tanque integrado. Em uma hora, o eletrolisador H2One gera até 2 m
3 de hidrogênio e, na saída, fornece energia de até 55 kW. São necessários até 2,5 m
3 de água para a produção de 1 m
3 de hidrogênio.
Até agora, a estação H2One não é capaz de fornecer eletricidade a uma grande empresa ou a toda a cidade, mas sua energia será suficiente para o funcionamento de pequenas áreas ou organizações. Devido à sua mobilidade, ele pode ser usado como solução temporária em condições de desastres naturais ou quedas de energia de emergência. Além disso, ao contrário de um gerador a diesel, que requer combustível para a operação normal, uma usina de hidrogênio precisa apenas de água.
Agora, o Toshiba H2One é usado em apenas algumas cidades do Japão - por exemplo, fornece eletricidade e água quente a uma
estação ferroviária na cidade de Kawasaki.
Instalação do H2One em KawasakiFuturo do hidrogênio
Atualmente, as células a combustível de hidrogênio fornecem energia para bancos de energia portáteis, ônibus urbanos com carros e transporte ferroviário
(falaremos mais sobre o uso de hidrogênio na indústria automobilística em nosso próximo post). As células de combustível de hidrogênio inesperadamente se mostraram uma excelente solução para os quadrocopters - com uma massa semelhante à de uma bateria, o suprimento de hidrogênio fornece até cinco vezes mais tempo de vôo. Nesse caso, o gelo não afeta a eficiência de forma alguma. Os drones experimentais de células de combustível fabricados pela empresa russa AT Energy foram usados para filmar nas Olimpíadas de Sochi.
Tornou-se conhecido que nos próximos Jogos Olímpicos de Tóquio, o hidrogênio será usado em carros, na produção de eletricidade e calor, e também se tornará a principal fonte de energia para a vila olímpica. Para isso, encomendado pela Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Na cidade japonesa de Namie, está sendo construída uma das maiores estações de produção de hidrogênio do mundo. A estação consumirá até 10 MW de energia recebida de fontes "verdes", gerando até 900 toneladas de hidrogênio por ano por eletrólise.
A energia de hidrogênio é nossa "reserva para o futuro", quando teremos que abandonar completamente os combustíveis fósseis, e as fontes de energia renováveis não serão capazes de cobrir as necessidades da humanidade. De acordo com a previsão da Markets & Markets, a produção global de hidrogênio, que agora é de US $ 115 bilhões, aumentará para US $ 154 bilhões até 2022. Mas, em um futuro próximo, é improvável que ocorra a introdução em massa de tecnologia, ainda é necessário resolver uma série de problemas associados à produção e operação de usinas especiais e reduzir seus custos. . Quando as barreiras tecnológicas forem superadas, a energia do hidrogênio alcançará um novo nível e, possivelmente, será tão difundida quanto a tradicional ou a hidrelétrica atualmente.