saneamento basico

Indústria de hidrogênio

Como a eletricidade, o hidrogênio não é uma fonte de energia primária, mas deve primeiro ser obtido artificialmente e com perdas de energia de outras fontes de energia (energias fósseis, nucleares ou renováveis).

Assim, uma economia de hidrogênio não é automaticamente sustentável, mas tão sustentável quanto a energia primária da qual o hidrogênio é produzido. Atualmente, isso é feito em grande parte com hidrogênio para uso na indústria química com base em combustíveis fósseis, conceitos para as futuras economias de hidrogênio, por outro lado, principalmente a geração de hidrogênio a partir de energias renováveis, o que poderia fazer uma economia de hidrogênio livre de emissões.

Embora atualmente não exista uma economia clássica de hidrogênio de ponta em muitos países, há planos de integrar hidrogênio ou combustíveis derivados de hidrogênio, como metano ou metanol, à infraestrutura energética existente como parte da transição energética e da expansão. energias renováveis. Um papel importante é desempenhado pela tecnologia power-to-gas, que é atribuída um papel importante como armazenamento a longo prazo.

hidrogenio-2

Os níveis de uma indústria de energia

As idéias são baseadas na implementação de hidrogênio em todos os níveis da indústria de energia:

  • Desenvolvimento de fontes de energia primária necessárias
  • Produção de energia
  • Armazenamento de energia
  • Uso de energia
  • Negociação e distribuição de energia
  • Vendas e faturamento
  • Garantir a segurança do fornecimento
  • Cada um desses níveis é tecnicamente pesquisado e parcialmente realizado para o hidrogênio.

Produção, armazenamento, infraestrutura

O hidrogênio de hoje é produzido principalmente (> 90%) a partir de fontes fósseis. Vincular sua produção centralizada a uma frota de veículos movidos a célula de combustível leve exigiria a localização e a construção de uma infraestrutura de distribuição com grande investimento de capital. Além disso, o desafio tecnológico de fornecer armazenamento seguro e denso de energia de hidrogênio a bordo do veículo deve ser superado para fornecer uma faixa suficiente entre os aterros.

Métodos de produção

O hidrogênio molecular não está disponível na Terra em reservatórios naturais convenientes. A maior parte do hidrogênio na litosfera é ligada ao oxigênio na água. A fabricação de hidrogênio elementar requer o consumo de um transportador de hidrogênio, como um combustível fóssil ou água. O antigo transportador consome o recurso fóssil e produz dióxido de carbono, mas muitas vezes não requer mais insumo energético além do combustível fóssil. A decomposição da água, a última transportadora, requer energia elétrica ou entrada de calor, gerada a partir de alguma fonte de energia primária (combustível fóssil, energia nuclear ou energia renovável). O hidrogênio também pode ser produzido refinando o efluente de fontes geotérmicas na litosfera. O hidrogênio produzido por fontes de energia renovável com emissão zero, como a eletrólise da água usando energia eólica, energia solar, energia hidrelétrica, energia das ondas ou energia das marés, é chamado de hidrogênio verde. O hidrogênio produzido por fontes de energia não renováveis ​​pode ser chamado de hidrogênio marrom. O hidrogênio produzido como um subproduto de resíduos ou subproduto industrial é às vezes chamado de hidrogênio cinza.

Métodos de produção atuais

O hidrogênio é produzido industrialmente a partir da reforma a vapor, que utiliza combustíveis fósseis, como gás natural, petróleo ou carvão. O conteúdo energético do hidrogênio produzido é menor que o conteúdo energético do combustível original, sendo que parte dele é perdida como calor excessivo durante a produção. A reforma a vapor leva às emissões de dióxido de carbono, da mesma forma que um motor de carro faria.

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Economia ambiental

Uma pequena parte (4% em 2006) é produzida por eletrólise usando eletricidade e água, consumindo aproximadamente 50 quilowatts-hora de eletricidade por quilo de hidrogênio produzido.

Processo de Kværner

O processo Kværner ou processo de negro de carbono e hidrogênio Kvaerner (CB & H) é um método desenvolvido na década de 1980 por uma empresa norueguesa com o mesmo nome, para a produção de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos (CnHm), como metano, gás natural e biogás. . Da energia disponível do alimento, aproximadamente 48% está contido no hidrogênio, 40% está contido no carvão ativado e 10% no vapor superaquecido.

Eletrólise da água

O hidrogênio pode ser feito através de eletrólise de alta pressão, eletrólise de baixa pressão de água, ou uma série de outros processos eletroquímicos emergentes, como eletrólise a alta temperatura ou eletrólise assistida por carbono. Entretanto, os melhores processos atuais para a eletrólise da água têm uma eficiência elétrica efetiva de 70-80%, de modo que produzir 1 kg de hidrogênio (que tem uma energia específica de 143 MJ / kg ou cerca de 40 kWh / kg) requer de 50 a 55 kWh de eletricidade. A um custo de eletricidade de US $ 0,06 / kWh, conforme estabelecido nas metas de produção de hidrogênio do Departamento de Energia para 2015, o custo do hidrogênio é de US $ 3 / kg. Com a faixa de preços do gás natural a partir de 2016, como mostra o gráfico (Roteiro da Equipe de Tecnologia de Produção de Hidrogênio, novembro de 2017), colocando o custo do hidrogênio SMR entre US $ 1,20 e US $ 1,50, o preço de custo do hidrogênio via eletrólise ainda preços-alvo. O preço alvo do DOE dos EUA para o hidrogênio em 2020 é de US $ 2,30 / kg, exigindo um custo de eletricidade de US $ 0,037 / kWh, o que é viável considerando as recentes licitações de PPA para energia eólica e solar em muitas regiões. Isso coloca o objetivo dispensado de $ 4 / gge H2 ao alcance e próximo de um custo de produção de gás natural levemente elevado para o SMR.

Em outras partes do mundo, a reforma do vapor de metano está entre US $ 1-3 / kg em média. Isso torna a produção de hidrogênio via custo de eletrólise competitiva em muitas regiões já, conforme descrito por Nel Hydrogen e outros, incluindo um artigo da AIE examinando as condições que poderiam levar a uma vantagem competitiva para eletrólise.

Produção biológica

A produção fermentativa de hidrogênio é a conversão fermentativa de substrato orgânico em biohidrogênio, manifestada por um grupo diversificado de bactérias, utilizando sistemas multienzimáticos envolvendo três etapas similares à conversão anaeróbica. Reações escuras de fermentação não requerem energia de luz, por isso são capazes de produzir constantemente hidrogênio a partir de compostos orgânicos durante o dia e a noite. A fotofermentação difere da fermentação escura porque só ocorre na presença de luz. Por exemplo, a foto-fermentação com Rhodobacter sphaeroides SH2C pode ser empregada para converter pequenos ácidos graxos moleculares em hidrogênio. A eletrohidrogênese é usada em células a combustível microbianas, onde o hidrogênio é produzido a partir de matéria orgânica (por exemplo, de esgoto ou matéria sólida), enquanto 0,2 – 0,8 V é aplicado.

Hidrogênio biológico pode ser produzido em um biorreator de algas. No final da década de 1990 descobriu-se que, se a alga fosse privada de enxofre, passaria da produção de oxigênio, isto é, da fotossíntese normal, para a produção de hidrogênio.

Hidrogênio biológico pode ser produzido em biorreatores que usam matérias-primas que não sejam algas, sendo a matéria-prima mais comum os fluxos de resíduos. O processo envolve bactérias alimentando-se de hidrocarbonetos e excretando hidrogênio e CO2. O CO2 pode ser sequestrado com sucesso por vários métodos, deixando o gás hidrogênio. Em 2006-2007, a NanoLogix demonstrou pela primeira vez um protótipo de biorreator de hidrogênio usando resíduos como matéria-prima na fábrica de suco de uva da Welch em North East, Pensilvânia (EUA).

Eletrólise Biocatalisada

Além da eletrólise regular, a eletrólise com micróbios é outra possibilidade. Com eletrólise biocatalisada, o hidrogênio é gerado depois de percorrer a célula de combustível microbial e uma variedade de plantas aquáticas pode ser usada. Estes incluem junco, capim-arroz, arroz, tomate, tremoço e algas.

Eletrólise de alta pressão

A eletrólise de alta pressão é a eletrólise da água pela decomposição de água (H2O) em oxigênio (O2) e gás hidrogênio (H2) por meio de uma corrente elétrica sendo passada através da água. A diferença com um eletrolisador padrão é a saída de hidrogênio comprimido em torno de 120-200 bar (1740-2900 psi, 12-20 MPa). Ao pressurizar o hidrogênio no eletrolisador, através de um processo conhecido como compressão química, a necessidade de um compressor externo de hidrogênio é eliminada, o consumo médio de energia para compressão interna é de cerca de 3%. A maior fábrica de produção de hidrogênio da Europa (1 400 000 kg / a, Eletrólise de alta pressão de água, tecnologia alcalina) opera em Kokkola, na Finlândia.

Eletrólise de alta temperatura

O hidrogênio pode ser gerado a partir de energia fornecida sob a forma de calor e eletricidade através de eletrólise de alta temperatura (HTE). Como parte da energia do HTE é fornecida na forma de calor, menos energia deve ser convertida duas vezes (do calor para a eletricidade e depois para a forma química) e, portanto, é necessária uma quantidade muito menor de energia por quilograma de hidrogênio produzido.

Embora a eletricidade gerada por energia nuclear possa ser usada para eletrólise, o calor nuclear pode ser aplicado diretamente para separar o hidrogênio da água. Os reatores nucleares refrigerados a gás de alta temperatura (950 a 1000 ° C) têm o potencial de separar o hidrogênio da água por meios termo-químicos usando o calor nuclear. Pesquisas em reatores nucleares de alta temperatura podem levar a um suprimento de hidrogênio competitivo em termos de custo com a reforma a vapor a gás natural. A General Atomics prevê que o hidrogênio produzido em um reator resfriado a gás de alta temperatura (HTGR) custaria US $ 1,53 / kg. Em 2003, a reforma a vapor do gás natural produziu hidrogênio a US $ 1,40 / kg. Em 2005, os preços do gás natural, o hidrogênio custa US $ 2,70 / kg.

A eletrólise de alta temperatura foi demonstrada em laboratório, a 108 MJ (térmico) por quilograma de hidrogênio produzido, mas não em escala comercial. Além disso, trata-se de hidrogênio de grau “comercial” de baixa qualidade, inadequado para uso em células de combustível.

Divisão de água fotoeletroquímica

O uso de eletricidade produzida por sistemas fotovoltaicos oferece a maneira mais limpa de produzir hidrogênio. A água é quebrada em hidrogênio e oxigênio por eletrólise – um processo de célula fotoeletroquímica (PEC) que também é chamado de fotossíntese artificial. William Ayers, da Energy Conversion Devices, demonstrou e patenteou o primeiro sistema fotoeletroquímico de alta eficiência multijunções para divisão direta de água em 1983. Esse grupo demonstrou a divisão direta da água agora referida como uma “folha artificial” ou “divisão solar sem fio” com baixo custo filme fino de silício amorfo de película fina, imerso directamente em água. O hidrogênio evoluiu na superfície de silício amorfo frontal, decorado com vários catalisadores, enquanto o oxigênio evoluiu do substrato de metal de fundo. Uma membrana de Nafion acima da célula multijunções forneceu um caminho para o transporte de íons. Sua patente também lista uma variedade de outros materiais multijunativos semicondutores para a separação direta da água, além de silício amorfo e ligas de silício germânio. A pesquisa continua no sentido de desenvolver a tecnologia de célula multi-junção de alta eficiência nas universidades e na indústria fotovoltaica. Se este processo for assistido por fotocatalisadores suspensos diretamente na água, em vez de usar um sistema fotovoltaico e um eletrolítico, a reação ocorrerá em apenas uma etapa, o que pode melhorar a eficiência.

Produção fotoeletrocatalítica

Um método estudado por Thomas Nann e sua equipe na Universidade de East Anglia consiste em um eletrodo de ouro coberto por camadas de nanopartículas de fosfeto de índio (InP). Eles introduziram um complexo ferro-enxofre no arranjo em camadas, que quando submerso em água e irradiado com luz sob uma pequena corrente elétrica, produzia hidrogênio com uma eficiência de 60%.

Em 2015, foi relatado que a Panasonic Corp. desenvolveu um fotocatalisador baseado em nitreto de nióbio que pode absorver 57% da luz solar para suportar a decomposição de água para produzir gás hidrogênio. A empresa planeja conseguir aplicação comercial “o mais cedo possível”, não antes de 2020.

Concentração térmica solar

Temperaturas muito altas são necessárias para dissociar a água em hidrogênio e oxigênio. Um catalisador é necessário para fazer o processo operar a temperaturas viáveis. O aquecimento da água pode ser conseguido através do uso de energia solar concentrada. Hydrosol-2 é uma planta piloto de 100 quilowatts na Plataforma Solar de Almería, na Espanha, que usa a luz solar para obter os 800 a 1.200 ° C necessários para aquecer a água. O Hydrosol II está em operação desde 2008. O projeto dessa planta piloto de 100 quilowatts é baseado em um conceito modular. Como resultado, pode ser possível que esta tecnologia possa ser prontamente escalada para a faixa de megawatts multiplicando as unidades de reatores disponíveis e conectando a usina aos campos heliostáticos (campos de espelhos de rastreamento solar) de tamanho adequado.

Produção termoquímica

Existem mais de 352 ciclos termoquímicos que podem ser usados ​​para separação de água, cerca de uma dúzia destes ciclos, tais como o ciclo de óxido de ferro, óxido de cério (IV) óxido-cério (III) ciclo, zinco-óxido de zinco, enxofre-iodo ciclo, ciclo de cobre-cloro e ciclo de enxofre híbrido estão em fase de pesquisa e em testes para produzir hidrogênio e oxigênio a partir de água e calor sem o uso de eletricidade. Esses processos podem ser mais eficientes do que a eletrólise de alta temperatura, típica da faixa de eficiência de 35% a 49% de LHV. A produção termoquímica de hidrogênio usando energia química de carvão ou gás natural geralmente não é considerada, porque o caminho químico direto é mais eficiente.

Nenhum dos processos de produção de hidrogênio termoquímicos foi demonstrado em níveis de produção, embora vários tenham sido demonstrados em laboratórios.

Hidrogênio como subproduto de outros processos químicos

A produção industrial de cloro e soda cáustica por eletrólise gera uma quantidade considerável de hidrogênio como subproduto. No porto de Antuérpia, uma usina de célula de combustível de demonstração de 1 MW é movida por esse subproduto. Esta unidade está em operação desde o final de 2011. O excesso de hidrogênio é frequentemente gerenciado com uma análise de pitada de hidrogênio.

Armazenamento

Embora o hidrogênio molecular tenha uma densidade de energia muito elevada numa base de massa, em parte devido ao seu baixo peso molecular, como um gás em condições ambientes tem uma densidade de energia muito baixa em volume. Se for para ser usado como combustível armazenado a bordo do veículo, o gás hidrogênio puro deve ser armazenado em uma forma densa de energia para fornecer faixa de condução suficiente.

Gás de hidrogênio pressurizado

O aumento da pressão do gás melhora a densidade de energia em volume, tornando os tanques de contêiner menores, mas não mais leves (consulte o recipiente de pressão). Atingir pressões mais altas exige maior uso de energia externa para alimentar a compressão. A massa dos tanques de hidrogênio necessários para o hidrogênio comprimido reduz a economia de combustível do veículo. Por ser uma molécula pequena, o hidrogênio tende a se difundir através de qualquer material de revestimento destinado a contê-lo, levando à fragilização ou enfraquecimento de seu recipiente. O método mais comum de armazenamento a bordo de hidrogênio nos veículos de demonstração atuais é como um gás comprimido a pressões de aproximadamente 700 bar (70 MPa).

Hidrogênio líquido

Alternativamente, pode-se utilizar hidrogênio líquido de alta densidade volumétrica de energia ou hidrogênio slush. No entanto, o hidrogênio líquido é criogênico e ferve a 20,268 K (-252,882 ° C ou -423,188 ° F). O armazenamento criogênico reduz o peso, mas requer grandes energias de liquidação. O processo de liquefação, envolvendo etapas de pressurização e resfriamento, consome muita energia. O hidrogênio liquefeito tem densidade de energia por volume menor que a da gasolina em aproximadamente quatro vezes, devido à baixa densidade de hidrogênio líquido – na verdade, há mais hidrogênio em um litro de gasolina (116 gramas) do que em um litro de líquido puro. hidrogio (71 gramas). Tanques de armazenamento de hidrogênio líquido também devem ser bem isolados para minimizar a evaporação.

O Japão tem uma instalação de armazenamento de hidrogênio líquido (LH2) em um terminal em Kobe, e espera-se que receba a primeira remessa de hidrogênio líquido via LH2 em 2020. O hidrogênio é liquidificado reduzindo sua temperatura a -253 ° C, similar a liquefeito natural gás (GNL) que é armazenado a -162 ° C. Uma perda potencial de eficiência de 12,79% pode ser alcançada, ou 4,26 kWh / kg de 33,3 kWh / kg.

Armazenamento como hidreto

Distinto de armazenar hidrogênio molecular, o hidrogênio pode ser armazenado como um hidreto químico ou em algum outro composto contendo hidrogênio. O gás hidrogênio é reagido com alguns outros materiais para produzir o material de armazenamento de hidrogênio, que pode ser transportado com relativa facilidade. No ponto de uso, o material de armazenamento de hidrogênio pode ser decomposto, produzindo gás hidrogênio. Além dos problemas de densidade de massa e volume associados ao armazenamento de hidrogênio molecular, as barreiras atuais aos esquemas práticos de armazenamento se originam das condições de alta pressão e temperatura necessárias para a formação de hidreto e liberação de hidrogênio. Para muitos sistemas potenciais, a cinética de hidratação e desidratação e o gerenciamento de calor também são questões que precisam ser superadas. A empresa francesa McPhy Energy está desenvolvendo o primeiro produto industrial, à base de hidrato de magnésio, já vendido para alguns grandes clientes como Iwatani e ENEL.

Adsorção

Uma terceira abordagem é a adsorção de hidrogênio molecular na superfície de um material de armazenamento sólido. Ao contrário dos hidretos mencionados acima, o hidrogênio não se dissocia / recombina ao carregar / descarregar o sistema de armazenamento e, portanto, não sofre com as limitações cinéticas de muitos sistemas de armazenamento de hidreto. Densidades de hidrogênio semelhantes ao hidrogênio liquefeito podem ser obtidas com materiais adsorventes apropriados. Alguns adsorventes sugeridos incluem carbono ativado, carbono nanoestruturado (incluindo CNTs), MOFs e hidrato de clatrato de hidrogênio.

Armazenamento de hidrogênio subterrâneo

O armazenamento subterrâneo de hidrogênio é a prática do armazenamento de hidrogênio em cavernas subterrâneas, domos de sal e campos de petróleo e gás esgotados. Grandes quantidades de hidrogênio gasoso foram armazenadas em cavernas subterrâneas pela ICI por muitos anos sem quaisquer dificuldades. O armazenamento de grandes quantidades de hidrogênio líquido no subsolo pode funcionar como armazenamento de energia da rede. A eficiência de ida e volta é de aproximadamente 40% (vs. 75-80% para hidroelétrica bombeada (PHES)), e o custo é ligeiramente maior do que o da hidro-bomba. Outro estudo referenciado por um documento de trabalho da equipe européia descobriu que para armazenamento em larga escala, a opção mais barata é o hidrogênio a € 140 / MWh para 2.000 horas de armazenamento usando um eletrolisador, armazenamento de caverna salgada e usina de ciclo combinado. O projeto europeu Hyunder indicou em 2013 que, para o armazenamento de energia eólica e solar, são necessárias 85 cavernas adicionais, uma vez que não podem ser cobertas pelos sistemas PHES e CAES. Um estudo de caso alemão sobre o armazenamento de hidrogênio em cavernas salinas descobriu que se o excedente de energia alemão (7% da geração renovável variável total em 2025 e 20% até 2050) fosse convertido em hidrogênio e armazenado no subsolo, essas quantidades exigiriam cerca de 15 cavernas de 500 mil metros cúbicos cada até 2025 e cerca de 60 cavernas até 2050 – correspondendo a aproximadamente um terço do número de cavernas subterrâneas de gás atualmente operadas na Alemanha. Nos EUA, a Sandia Labs está realizando uma pesquisa sobre o armazenamento de hidrogênio em campos esgotados de petróleo e gás, que poderiam facilmente absorver grandes quantidades de hidrogênio produzido de forma renovável, já que existem cerca de 2,7 milhões de poços esgotados.

Poder de gás

A energia para o gás é uma tecnologia que converte energia elétrica em combustível a gás. Existem 2 métodos, o primeiro é usar a eletricidade para dividir a água e injetar o hidrogênio resultante na rede de gás natural. O segundo método (menos eficiente) é usado para converter dióxido de carbono e água em metano (veja gás natural) usando eletrólise e a reação de Sabatier. O excesso de potência ou potência de pico gerada por geradores eólicos ou painéis solares é então usado para balanceamento de carga na rede de energia. Usando o sistema de gás natural existente para hidrogênio A fabricante de células de combustível Hydrogenics e a distribuidora de gás natural Enbridge se uniram para desenvolver esse sistema de energia para gás no Canadá.

Armazenamento de pipeline

Uma rede de gás natural pode ser usada para o armazenamento de hidrogênio. Antes de mudar para o gás natural, as redes de gás alemãs eram operadas usando towngas, que na maior parte consistia de hidrogênio. A capacidade de armazenamento da rede de gás natural alemã é superior a 200.000 GW • h, o que é suficiente para vários meses de necessidade de energia. Em comparação, a capacidade de todas as usinas alemãs de armazenamento reversível é de apenas 40 GW • h. O transporte de energia através de uma rede de gás é feito com muito menos perdas (<0,1%) do que em uma rede de energia (8%). A utilização dos gasodutos existentes para o gás natural foi estudada pela NaturalHy A infraestrutura A infraestrutura de hidrogênio consistiria principalmente de transporte de dutos de hidrogênio industrial e postos de abastecimento equipados com hidrogênio, como os encontrados em uma rodovia de hidrogênio. Estações de hidrogênio que não estavam situadas perto de um oleoduto de hidrogênio receberiam suprimento via tanques de hidrogênio, reboques de tubos de hidrogênio comprimido, trailers de hidrogênio líquido, caminhões-tanques de hidrogênio líquido ou produção dedicada no local. Por causa da fragilização por hidrogênio do aço, e da corrosão, os tubos de gás natural exigem revestimentos internos ou substituição, a fim de transportar hidrogênio. Técnicas são bem conhecidas; Mais de 700 milhas de gasoduto de hidrogênio existem atualmente nos Estados Unidos. Embora caros, os oleodutos são a maneira mais barata de mover hidrogênio. A tubulação de gás hidrogênio é rotina nas grandes refinarias de petróleo, porque o hidrogênio é usado para extrair os combustíveis do petróleo bruto. A tubulação de hidrogênio pode, em teoria, ser evitada em sistemas distribuídos de produção de hidrogênio, onde o hidrogênio é rotineiramente feito no local usando geradores de tamanho médio ou pequeno que produzem hidrogênio suficiente para uso pessoal ou talvez uma vizinhança. No final, uma combinação de opções para distribuição de gás hidrogênio pode ter sucesso. Enquanto milhões de toneladas de hidrogênio elementar são distribuídas ao redor do mundo a cada ano de várias maneiras, trazer hidrogênio para consumidores individuais exigiria uma evolução da infraestrutura de combustível. Por exemplo, de acordo com a GM, 70% da população dos EUA vive perto de uma instalação geradora de hidrogênio, mas tem pouco acesso público a esse hidrogênio. O mesmo estudo, no entanto, mostra que construir a infraestrutura de maneira sistemática é muito mais factível e acessível do que a maioria das pessoas pensa. Por exemplo, um artigo observou que estações de hidrogênio poderiam ser colocadas a cada 10 milhas no metrô de Los Angeles, e nas rodovias entre Los Angeles e cidades vizinhas como Palm Springs, Las Vegas, San Diego e Santa Bárbara, pelo custo de um Starbucks. latte para cada um dos 15 milhões de residentes que vivem nessas áreas. Uma troca importante: produção centralizada versus produção distribuída Em uma economia de hidrogênio completa no futuro, fontes de energia primária e matéria-prima seriam usadas para produzir gás hidrogênio como energia armazenada para uso em vários setores da economia. A produção de hidrogênio a partir de fontes de energia primária que não sejam carvão, petróleo e gás natural resultaria em menor produção dos gases de efeito estufa característicos da combustão desses recursos de energia fóssil. Uma característica fundamental de uma economia de hidrogênio seria que, em aplicações móveis (principalmente transporte veicular), a geração de energia e o uso poderiam ser desacoplados. A fonte de energia primária não precisaria mais viajar com o veículo, como faz atualmente com os combustíveis de hidrocarbonetos. Em vez de saídas de escapamento criando emissões dispersas, a energia (e a poluição) poderiam ser geradas a partir de fontes pontuais, como instalações centralizadas de larga escala com maior eficiência. Isso permitiria a possibilidade de tecnologias como o sequestro de carbono, que são impossíveis para aplicações móveis. Alternativamente, esquemas de geração de energia distribuída (como fontes de energia renováveis ​​de pequena escala) poderiam ser usados, possivelmente associados a estações de hidrogênio. Além da geração de energia, a produção de hidrogênio pode ser centralizada, distribuída ou uma mistura de ambas. Embora a geração de hidrogênio em usinas de energia primária centralizada prometa maior eficiência de produção de hidrogênio, dificuldades em transporte de hidrogênio de grande volume e longo alcance (devido a fatores como danos ao hidrogênio e a facilidade de difusão de hidrogênio através de materiais sólidos) tornam a distribuição de energia elétrica atrativa dentro do hidrogênio economia. Nesse cenário, pequenas usinas regionais ou mesmo estações de abastecimento locais poderiam gerar hidrogênio usando energia fornecida através da rede de distribuição elétrica. Embora a eficiência de geração de hidrogênio seja provavelmente menor que a geração centralizada de hidrogênio, as perdas no transporte de hidrogênio podem tornar esse esquema mais eficiente em termos da energia primária usada por quilo de hidrogênio entregue ao usuário final. O equilíbrio adequado entre distribuição de hidrogênio e distribuição elétrica de longa distância é uma das principais questões que surgem sobre a economia do hidrogênio. Novamente, os dilemas das fontes de produção e transporte de hidrogênio podem agora ser superados usando a geração de hidrogênio no local (casa, empresa ou estação de combustível) a partir de fontes renováveis ​​da rede. Eletrólise distribuída A eletrólise distribuída contornaria os problemas de distribuição de hidrogênio através da distribuição de eletricidade. Ele usaria as redes elétricas existentes para transportar eletricidade para pequenos eletrolisadores localizados nas estações de abastecimento. No entanto, a contabilização da energia usada para produzir as perdas de eletricidade e transmissão reduziria a eficiência geral. As usinas de ciclo combinado de gás natural, que respondem por quase toda a construção de novas usinas de geração de eletricidade nos Estados Unidos, geram eletricidade com eficiências de 60% ou mais.

O aumento da demanda por eletricidade, seja devido a carros movidos a hidrogênio ou outras demandas, teria o impacto marginal da adição de novas usinas de ciclo combinado. Nesta base, a produção distribuída de hidrogênio seria aproximadamente 40% eficiente. No entanto, se o impacto marginal é referido à rede de energia de hoje, com uma eficiência de cerca de 40% devido ao seu mix de combustíveis e métodos de conversão, a eficiência da produção de hidrogênio distribuído seria de aproximadamente 25%. Espera-se que a produção distribuída de hidrogênio dessa maneira gere emissões de poluentes e dióxido de carbono no ar em vários pontos da cadeia de suprimento, por exemplo, eletrólise, transporte e armazenamento. Tais externalidades, como a poluição, devem ser pesadas contra as vantagens potenciais de uma economia de hidrogênio. Uso energético de hidrogênio O elemento mais importante no uso do hidrogênio é a célula de combustível. Converte a energia contida no hidrogênio em calor e eletricidade. Use na casa Na geração de energia doméstica pela célula de combustível pode, como no equipamento de cogeração, uma cogeração ser realizada, o que aumenta a eficiência global. Como esse modo de operação se concentra na produção de calor, esses sistemas são controlados de acordo com a necessidade de calor, com a corrente elétrica gerada sendo alimentada na rede elétrica pública. A Vaillant desenvolveu um aquecedor de célula de combustível que também pode ser operado com gás natural por meio de um reformador. A eficiência relacionada com o poder calorífico teoricamente possível é de aprox. 83%. Se a eficiência, como é o caso das usinas térmicas e dos motores de combustão interna, geralmente é baseada no valor calorífico, isso resulta em uma eficiência máxima teórica de aprox. 98%. Dependendo do tipo de célula de combustível, as eficiências do sistema variam entre 40% e 65%, embora não esteja claro se elas são valor calorífico ou valores calóricos. Use no trânsito Um veículo movido a hidrogênio tem i. A. um tanque pressurizado (por exemplo, 700 bar) que pode ser reabastecido em uma estação de reabastecimento de hidrogênio. Como métodos de geração de força, é possível um motor de combustão interna amplamente convencional, semelhante a dirigir com gás natural, ou uma “combustão fria” em uma célula de combustível. No veículo de célula de combustível, a energia elétrica é gerada com a célula de combustível, que aciona um motor elétrico. Motor de combustão interna Como gás combustível, o hidrogênio pode ser queimado em um motor de combustão interna convencional (“motor de combustão de hidrogênio”), semelhante a veículos movidos a gás natural, a energia rotacional mecânica (por exemplo, no BMW Hydrogen 7). Célula de combustível No veículo de célula de combustível, a energia elétrica é gerada com a célula de combustível, que aciona um motor elétrico. A tecnologia de hidrogênio também está sendo testada na prática em ônibus. A atual geração de ônibus a hidrogênio (2009) alcança um alcance de cerca de 250 km com 35 kg de hidrogênio. Carros de célula de combustível são muito mais caros que carros elétricos. De acordo com Fritz Henderson (CEO da General Motors), esse veículo custará cerca de US $ 400.000 (a partir de 2009). Os fabricantes de veículos Toyota, Nissan, Mercedes-Benz e Honda reduziram drasticamente os custos de produção de veículos movidos a hidrogênio. (O Toyota Mirai, por exemplo, está disponível na Alemanha por pouco menos de 80.000 €.) A Toyota produz carros H 2 em pequenas séries e se ajusta de maneira significativa à célula de combustível. Com o Mercedes B-Class F-Cell e dois veículos de pré-produção do Hyundai ix35 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), as gamas de 500 km foram alcançadas a velocidades máximas de 80 km / h. A fim de demonstrar a adequação para o uso diário da unidade de hidrogênio, a Daimler completou com sucesso uma “circunavegação” do mundo com vários veículos de célula de combustível Classe B. Os veículos da série 200 deste tipo foram entregues aos clientes em 2010. Existem agora alguns ônibus, z. Por exemplo, o híbrido Mercedes-Benz Citaro FuelCELL de vários fabricantes que trabalham com células de combustível. Além disso, com a tecnologia do Hydrail desde 2005, os veículos ferroviários entraram na perspectiva da economia do hidrogênio. Como uma das primeiras empresas a japonesa East Railroad Company levou para testar uma locomotiva híbrida em operação. No final de 2017, 14 trens com acionamento de célula de combustível foram encomendados ao fabricante Alstom na Baixa Saxônia. A Swiss Federal Railways (SBB) vem introduzindo células de combustível de hidrogênio em seus minibares rolantes desde a primavera de 2014, a fim de ter energia suficiente para a máquina de café expresso integrada na estrada, que agora também pode oferecer cappuccino aos passageiros. Os acumuladores usuais utilizados até agora teriam sido pesados ​​demais para essa tarefa que consome energia. Segurança do hidrogênio.

O hidrogênio possui uma das mais amplas faixas de mistura de explosivos / ignição com ar de todos os gases, com poucas exceções, como acetileno, silano e óxido de etileno. Isso significa que qualquer que seja a proporção de mistura entre ar e hidrogênio, um vazamento de hidrogênio provavelmente levará a uma explosão, não a uma mera chama, quando uma chama ou faísca acender a mistura. Isso torna o uso de hidrogênio particularmente perigoso em áreas fechadas, como túneis ou estacionamentos subterrâneos. Chamas de hidrogênio-oxigênio puro queimam na faixa de cor ultravioleta e são quase invisíveis a olho nu, então um detector de chama é necessário para detectar se um vazamento de hidrogênio está queimando. O hidrogênio é inodoro e vazamentos não podem ser detectados pelo cheiro. Os códigos e padrões de hidrogênio são códigos e padrões para veículos com célula de combustível a hidrogênio, aplicações de células de combustível estacionárias e aplicações de células de combustível portáteis.Existem código e padrões para a gestão e proteção de hidrogênio, por exemplo, o padrão para a instalação de sistemas de energia de células estacionárias da Associação Nacional de Proteção contra Incêndios. Códigos e ilustrações foram repetitivamente identificados como uma barreira institucional importante para uma implantação de tecnologias de hidrogênio e o desenvolvimento de uma economia de hidrogênio. Para permitir a propagação de DNA, os produtos de consumo, os novos códigos e as propriedades de construção de modelos e de outras projeções, são emitidos de acordo com as leis federal, estadual e municipal. Uma das medidas mais rotineiras foi a introdução de padrões de segurança mais altos, como a remoção precoce de vazamentos com sensores de hidrogênio.O Programa Canadense de Segurança do Hidrogênio (CNS). A Comissão Europeia financiou o primeiro programa educacional do mundo em engenharia de segurança de hidrogênio na Universidade de Ulster. Espera-se que o público em geral pode usar as tecnologias de hidrogênio na vida cotidiana com pelo menos o mesmo nível de segurança e de conforto que os atuais são úteis.

Fonte: Hisour

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