Dave Edlund, fundador e CEO da Element 1 Corp, discute o combustível de hidrogênio, os problemas que enfrenta e seu grande potencial no abastecimento de veículos em todo o mundo.

À medida que aumenta o impulso para a eletrificação dos transportes, espera-se que o combustível hidrogénio desempenhe um papel significativo na facilitação da adopção de veículos, embarcações e aeronaves eléctricos.

Dada a ampla gama de requisitos de potência e energia em todo o espectro de opções de transporte, não é surpreendente que tanto os veículos eléctricos a células de combustível (FCEV) como os veículos eléctricos a bateria (BEV) apresentem um enorme potencial comercial. Este artigo se concentrará nos argumentos para a conversão de alta eficiência de metanol em hidrogênio para apoiar estações de abastecimento de FCEV, infraestrutura de carregamento de BEV e geração de hidrogênio a bordo de FCEVs.

Necessidades diferentes para veículos diferentes

É útil pensar em vários modos de transporte em termos de energia consumida entre eventos de recarga ou reabastecimento. A energia é expressa em unidades de quilowatt-hora (kWh) ou megawatt-hora (MWh). Com baixo kWh, as baterias são uma solução conveniente e acessível para eletrificar o transporte.

Com algumas centenas de kWh de energia, as células de combustível e o hidrogénio comprimido começam a mostrar vantagens em termos de autonomia. Com MWh de energia, as baterias são problemáticas devido ao peso da bateria e porque demoram muito para recarregar. Este segmento provavelmente será dominado por células de combustível de hidrogênio em uma configuração híbrida com um banco de baterias de tamanho modesto como reserva de energia. No entanto, o armazenamento de MWh de hidrogénio comprimido ou líquido a bordo de um veículo ou embarcação também apresenta desafios em termos de tamanho físico, peso e preocupações de segurança. Consequentemente, os transportadores de hidrogénio líquido podem ser alternativas atraentes para grandes quantidades de hidrogénio comprimido ou líquido a bordo de um veículo ou embarcação.

Ao longo de 2020, o crescimento global dos FCEVs foi constante, mas as vendas de FCEVs pós-pandemia registaram um declínio acentuado. O número limitado de estações de abastecimento de hidrogénio restringiu a implantação de FCEV. Nos Estados Unidos, a maior concentração de postos de abastecimento de hidrogênio está na região metropolitana de Los Angeles (sul da Califórnia). Estas estações distribuem em grande parte hidrogénio cinzento produzido a partir de gás natural ou eletrólise da água utilizando eletricidade da rede regional. As estações de abastecimento de hidrogénio são dispendiosas de construir e podem ser difíceis de instalar em ambientes urbanos densos devido a restrições de zoneamento e a contratempos de segurança resultantes da presença de grandes quantidades de hidrogénio comprimido ou líquido.

Em contraste com os FCEVs, os BEVs são populares, com todos os principais fabricantes de automóveis oferecendo pelo menos um modelo. Nos Estados Unidos, a venda de BEVs ultrapassou a venda de FCEVs em mais de 40/1, com uma previsão de quase cinco milhões de BEVs a serem vendidos nos Estados Unidos em 2030. Dada a popularidade dos BEVs, faz sentido considere a questão da infraestrutura de carregamento de BEV. Embora existam muitas vezes mais estações de carregamento públicas de BEV do que estações de abastecimento de hidrogénio, a construção de infraestruturas para estações de carregamento ainda é um enorme desafio que é dificultado pelas redes elétricas nacionais, que têm pouco espaço para expandir a capacidade.

Com os BEVs, a aposta do hidrogénio é facilitar a geração de energia eléctrica independente da rede, convertendo o hidrogénio de forma limpa e eficiente em electricidade através de uma célula de combustível. Dimensionado para centenas de kW, o gerador de energia com célula de combustível de hidrogênio pode ser uma instalação semipermanente ou uma solução portátil (montada em caminhão ou em reboque). Vale a pena notar que, independentemente da fonte de hidrogénio, as estações de carregamento independentes da rede podem ser implantadas mais rapidamente e a um custo menor em comparação com quaisquer conceitos de reconstrução ou expansão das redes eléctricas nacionais, que incluem necessariamente centrais de produção, transmissão de longa distância, e distribuição (da subestação à tomada).

Produzindo combustível de hidrogênio

A maior parte do hidrogênio hoje é produzida pela reforma a vapor do gás natural, embora outras fontes de hidrogênio ganhando popularidade incluam a eletrólise da água, a decomposição da amônia e a reforma do metanol. A escolha da matéria-prima e da via de conversão para o hidrogénio influencia fortemente a economia associada ($/kg de hidrogénio no ponto de utilização), bem como a intensidade de carbono (kgCO ₂ e/kg de hidrogénio).

A divisão da água em hidrogénio e oxigénio requer cerca de 50 kWh de eletricidade por kg de hidrogénio produzido. Portanto, este processo não é viável para geração de energia independente da rede. Ao contrário da eletrólise, o metanol e a amônia são convertidos em hidrogênio por meio de um processo termoquímico e, quando considerados como transportadores de hidrogênio, cada um tem seus prós e contras exclusivos.

Como mostrado na Fig. 3, o metanol puro contém mais hidrogênio em cada volume do que o mesmo volume de hidrogênio líquido, tornando o metanol um carreador de hidrogênio atraente. Melhor ainda, a adição de água suplementar ao metanol aumenta o rendimento de hidrogênio em 50%, e o conteúdo volumétrico correspondente de hidrogênio é duas vezes maior que o do hidrogênio líquido. Além disso, o metanol é um líquido sob todas as condições ambientais e é facilmente armazenado em tanques leves e conformados de metal ou plástico.

Como a amônia é um gás liquefeito comprimido com pressão de vapor de cerca de 1,5 MPa a 40°C, ela é armazenada em tanques cilíndricos pesados. Quando esta geometria é levada em consideração (mau uso do espaço a bordo de um veículo), a amônia é menos atraente como transportador de hidrogênio em comparação ao metanol. Além disso, a amônia é prejudicada por diversas questões de segurança únicas, de modo que colocar grandes quantidades de amônia liquefeita em locais urbanos densos será, na melhor das hipóteses, um desafio.

Igualmente importante, o custo de produção de combustível de hidrogénio de alta pureza a partir da mistura metanol/água no ponto de utilização (como uma estação de abastecimento de hidrogénio ou uma estação de carregamento de BEV) é de cerca de 3,45 dólares/kg de hidrogénio, assumindo que o metanol é entregue a 500 dólares/tonelada métrica. Isto é atraente e se compara favoravelmente ao preço na bomba da gasolina nos Estados Unidos.

Superando problemas com hidrogênio

A utilização do metanol como transportador de hidrogénio tem sido criticada porque o metanol contém carbono e as emissões locais de CO2 _são  um subproduto necessário da conversão do metanol em hidrogénio. No entanto, tal como acontece com o amoníaco e a produção de energia eléctrica, são as emissões globais de gases com efeito de estufa (GEE) que são importantes e não apenas as emissões locais de GEE. Assim como a síntese de amônia e a geração de eletricidade podem estar associadas a baixas emissões de GEE, o mesmo se aplica ao metanol, conforme mostrado na Figura 4.

Intensidades de carbono baixas e até negativas são obtidas usando metanol renovável. Em comparação, a elevada intensidade de carbono é o resultado quando a eletricidade da rede é utilizada para dividir a água em hidrogénio e oxigénio. O gás natural em hidrogênio também produz uma alta intensidade de carbono.

Vários caminhos diferentes para o metanol renovável produzem o hidrogénio mais verde, em alguns casos com uma intensidade de carbono fortemente negativa devido às emissões de metano evitadas. O metanol renovável resulta da utilização de matérias-primas biogénicas (biomassa, resíduos sólidos urbanos, estrume animal e estrume humano) ou dióxido de carbono capturado diretamente do ar ou de fluxos de resíduos industriais (e-metanol) para produzir metanol. O metanol renovável está disponível comercialmente há décadas, mas a nova procura está a estimular uma onda de investimentos em novas capacidades. Atualmente, mais de 90 projetos são anunciados ou estão em andamento em todo o mundo para produzir biometanol ou e-metanol, com uma capacidade de produção combinada prevista de oito milhões de toneladas anuais até 2027.

O setor marítimo está preparado para ser particularmente adequado à utilização do metanol como transportador de combustível de hidrogénio para permitir a eletrificação de embarcações. Vários programas de demonstração atuais com balsas elétricas a bateria destacaram o desafio de carregar a bateria dessas embarcações. O rebocador M/V Hydrogen One representa o primeiro de uma classe de barcos de trabalho que incorporará geradores de metanol para hidrogênio e módulos de células de combustível a bordo para gerar 1,4 MW de energia para propulsão e cargas de hotéis. O abastecimento de metanol a bordo dará a este barco de trabalho um alcance de 550 milhas antes do reabastecimento. O M/V Hydrogen One está programado para ser lançado em 2024.

Fonte: Innovation News Network

Disponível em: https://www.innovationnewsnetwork.com/hydrogen-fuel-future-transportation/37554/