Hidrogênio

O hidrogênio é revolucionário. Ele tem o potencial de transformar o planeta ao fornecer e armazenar energia verde. Poderia ser usado para abastecer caminhões, navios, aviões e até cidades. Mas, para tornar a revolução do hidrogênio realidade, a humanidade precisa superar vários desafios técnicos e econômicos. Então se prepare para uma viagem ao nível atômico e veja se o hidrogênio tem o que é preciso para mudar o mundo!

Se você abrisse um livro sobre o universo, encontraria o hidrogênio logo no primeiro capítulo. Isso porque ele é um dos blocos de construção do universo. Ele compõe 90% dos átomos das estrelas ^[1-4] e, na Terra, o hidrogênio é um dos principais componentes da água, das plantas e até do DNA de todos os seres vivos ^[4-7].

Ele também é um combustível extremamente energético, e é por isso que a NASA o usa para lançar foguetes em explorações espaciais ^[8,9,10]. Claramente, o hidrogênio já está levando a humanidade a novas alturas. E o melhor de tudo, ele não produz nenhum CO₂!

Então por que ele não é a principal escolha de energia no mundo? Bem, não é tão simples assim.

É difícil extrair hidrogênio da Terra em sua forma pura, embora existam depósitos naturais ^[11-17]. Ele normalmente se combina com outros elementos para formar compostos. Por exemplo, quando se junta ao oxigênio, forma água, ou H₂O. Ele também pode se juntar ao carbono para formar gás fóssil, também conhecido como metano, ou CH₄.

Então, para obter hidrogênio puro, é preciso separá-lo dos elementos aos quais está ligado. Quando o hidrogênio é retirado da água, isso libera oxigênio. Quando é separado do gás fóssil, isso libera carbono. Então, usar hidrogênio como combustível pode ser bom ou ruim para o planeta, dependendo de como esse hidrogênio é produzido.

Hoje, há três formas principais de produzir combustível de hidrogênio, classificadas como cinza, azul e verde: ^[18-21]

Hoje, a maior parte é feita a partir de combustíveis fósseis ^[22-28] e o tipo mais comum é o hidrogênio cinza, feito de gás fóssil. Mas, seja usando gás, carvão mineral ou petróleo, produzir hidrogênio a partir de combustíveis fósseis libera muito CO₂ na atmosfera ^{[19,26,27,28]}. Infelizmente, essas formas respondem por mais de 99% de toda a produção de hidrogênio ^[23,24,28]. Ai!

Na verdade, só a produção de hidrogênio cinza emite mais CO₂ do que o Reino Unido e a Austrália juntos ^[28,29]!

Nos últimos anos, avanços numa tecnologia conhecida como captura e armazenamento de carbono permitiram que usinas capturem suas emissões de CO₂ e as armazenem no subsolo ^[30,31,32]. Quando isso é combinado com a produção de hidrogênio, o resultado é chamado de hidrogênio azul ^[33,34].

Mas, embora esse método reduza as emissões de CO₂, ele atualmente tende a vazar metano (CH₄) ^[34-37], que pode ser mais de 80 vezes pior para a atmosfera num período de 20 anos ^[38,39,40]. Um estudo descobriu até que, se for feito de forma errada, o aumento nas emissões de CH₄ pode ser tão alto que seria melhor simplesmente queimar combustíveis fósseis desde o começo ^[35].

O que os cientistas realmente procuram, o El Dorado da energia limpa, é o hidrogênio verde. Ele é produzido a partir da água num processo químico conhecido como eletrólise: ^[41-45]

Imagine um grande tanque de água, ou H₂O. Para obter o hidrogênio, primeiro você precisa quebrar suas ligações com o oxigênio. Para isso, usa eletricidade para quebrar as ligações nas moléculas de água, produzindo o precioso gás hidrogênio. Simples!

Tudo isso pode ser movido por energia renovável, como solar e eólica, com quase zero emissões ^[41-45].

Esse hidrogênio verde tem o potencial de transformar o mundo ^{[21,28,43,44,45]}. Indústrias como a produção petroquímica e a fabricação de aço ^[44-47], que respondem por cerca de 3,6% e 7,2% das emissões globais ^[48], estão começando a ficar mais limpas ao usar hidrogênio verde em vez de combustíveis fósseis. Alguns países estão investindo nisso para descarbonizar a produção de amônia, um composto usado em fertilizantes, o que cortaria mais 1-2% das emissões globais ^{[44-46,49-53]}.

Especialistas também estão investigando seu uso no sistema de transporte. Carros têm baixa prioridade por causa da eficiência dos veículos elétricos, mas caminhões de longa distância, transporte marítimo internacional e aviões de longo alcance têm prioridade maior. Como não podem usar baterias pesadas para obter energia, o hidrogênio verde é uma alternativa ideal ^{[21,28,44,45,54]}.

Em teoria (e desde que seja feito de forma sustentável), a única emissão direta do uso de hidrogênio como combustível é água. Na verdade, essa água é até usada nos ônibus espaciais da NASA, onde os astronautas realmente a bebem! ^[55,56]

Então qual é a pegadinha?

Bem, se você simplesmente queimar hidrogênio, ele também pode fazer o nitrogênio do ar reagir e produzir óxidos de nitrogênio, que são poluentes nocivos do ar ^[57-61].

Isso ainda é mais limpo do que queimar combustíveis fósseis, mas a opção mais limpa é evitar queimá-lo de vez e usar uma célula a combustível de hidrogênio, que converte diretamente a energia química do hidrogênio em eletricidade ^[62-65]. Isso não só é mais eficiente, como produz zero emissões de óxido de nitrogênio e, claro, zero CO₂! ^{[57-59,63-65]}

Parece bom, né? Então por que menos de 1% do hidrogênio produzido hoje é verde? ^[23,24,28] Por que todo mundo não está aderindo a essa versão ecológica?

No momento, o hidrogênio é caro e precisa de muita eletricidade para ser produzido ^[66-69]. Se você quisesse alimentar seu celular com hidrogênio verde em vez de carregá-lo diretamente com energia renovável, primeiro precisaria converter eletricidade de fontes renováveis em hidrogênio e depois usar uma célula a combustível para convertê-lo de volta em eletricidade. Nesse processo, você poderia perder até 70% da energia que você receberia se tivesse carregado seu celular diretamente com painéis solares desde o começo! ^[70,71,72]

Parece que o hidrogênio verde não oferece muito retorno pelo que custa. Então por que as pessoas deveriam usá-lo para abastecer suas casas e cidades?

A resposta está numa das propriedades mais poderosas do hidrogênio… Sua capacidade de armazenar grandes quantidades de energia para uso futuro.

Como turbinas eólicas precisam de vento e painéis solares precisam de luz solar, gás e carvão mineral muitas vezes precisam entrar em cena nos dias escuros e sem vento para manter a eletricidade funcionando. Mas aqui vai uma ideia mais verde:

Você abastece casas com energia renovável por meio de uma rede elétrica inteligente e flexível, e constrói parques eólicos e solares suficientes para gerar um excedente de energia. A energia extra pode então ser direcionada a usinas de hidrogênio verde, onde é usada para produzir hidrogênio. Esse hidrogênio pode então ser armazenado e usado para gerar eletricidade quando a energia solar e eólica não der conta da demanda ^[73-76].

E, se isso não bastasse, o hidrogênio pode ser armazenado em grandes quantidades no subsolo por longos períodos, em minas antigas, cavernas de sal ou até reservatórios esgotados de petróleo e gás ^[77-80]. Isso significa que ele pode ser usado o ano todo, até nos meses frios de inverno.

Isso é chamado de armazenamento intersazonal, e muitos países já estão investindo nisso ^{[23,81,82,83]}. Um dia, isso poderia até ajudar a eliminar a dependência de combustíveis fósseis. Melhor ainda, esses enormes estoques de hidrogênio dão aos países mais independência energética, tornando-os menos dependentes de importações de energia para que não precisem contar com outros países para manter as luzes acesas ^[84,85,86].

Mas as baterias não poderiam fazer o mesmo?

Não exatamente. A quantidade de baterias necessária para armazenar semanas ou meses de energia de reserva para uma cidade seria muito, muito mais cara ^[87-90]. O hidrogênio, por outro lado, pode ser muito barato de armazenar em larga escala e poderia resolver esse problema de armazenamento de energia ^[91,92].

Então o hidrogênio poderia ter um papel na descarbonização do planeta? Bem, só se for hidrogênio verde feito com fontes renováveis ^[93], e só se o custo for viável ^[66-69]. Para isso acontecer, é preciso expandir e atualizar a infraestrutura, e implantar energia renovável em larga escala.

Mas há boas notícias! A energia eólica e solar agora é mais barata que os combustíveis fósseis ^[27,94-97]. E, graças a avanços tecnológicos recentes nos eletrolisadores, o preço da produção de hidrogênio verde também está caindo rapidamente ^[98-102].

Então, desde que a humanidade apoie essa tecnologia emergente, o hidrogênio verde pode ser uma das estrelas brilhantes que estávamos esperando.