Transporte e armazenamento de hidrogênio

Os combustíveis fósseis energizam a maior parte da infraestrutura atual, mas, quando queimados, emitem poluentes, principalmente dióxido de carbono. Este é um gás de efeito estufa (GEE), que tem sido associado ao aquecimento global e às mudanças climáticas.

Por outro lado, a combustão do hidrogênio produz vapor de água inócuo e um pouco de óxido nítrico (NOx), sem emitir dióxido de carbono ou outros poluentes, como o dióxido de enxofre (SOx). Além disso, o hidrogênio é compatível com muitas turbinas a gás natural existentes com motores de combustão interna que podem operar com hidrogênio, gás natural ou uma mistura dos dois. No entanto, o hidrogênio é uma substância perigosa quando manuseado de forma inadequada.

Primeiramente, suas moléculas são as menores de todos os elementos, portanto, os vazamentos — que representam um risco de incêndio e explosão — em tanques e tubulações são uma preocupação séria. Deve-se dar atenção especial aos materiais e técnicas usados para vedar esses sistemas, como conexões, juntas, válvulas e outros equipamentos de vedação. Equipamentos de monitoramento ambiental, como detectores de chamas e detectores de gás combustível — ou equipamentos em linha, como transmissores de pressão e temperatura — devem ser aplicados para detectar eventos anormais, como perda de contenção. Como o hidrogênio é diatômico, as tecnologias mais recentes, como os detectores de gás baseados em infravermelho, geralmente usados em aplicações de gás natural, não podem ser usadas para a detecção de gás hidrogênio.

Os vazamentos são resultado principalmente da fragilização, que se forma mais frequentemente quando o aço e outros metais absorvem átomos de hidrogênio. Esses átomos podem se recombinar para formar moléculas de hidrogênio que se difundem pelo metal e formam bolhas que enfraquecem o material, causando deteriorização e rachaduras, mesmo em temperatura ambiente. Portanto, é fundamental mitigar esses problemas especificando materiais adequados com base na aplicação.

O armazenamento seguro de hidrogênio é um fator essencial para o avanço das tecnologias de hidrogênio e células de combustível.

O hidrogênio pode ser armazenado fisicamente como gás comprimido ou líquido criogênico. O hidrogênio gasoso comprimido é normalmente mantido em tanques de 350 a 700 bar (5.000 a 10.000 psi). O hidrogênio totalmente líquido pode ser armazenado a aproximadamente -253 °C (-423 °F), enquanto o hidrogênio criocomprimido pode ser armazenado a aproximadamente -233 °C (-387 °F). O armazenamento gasoso tem menos requisitos de equipamentos e é significativamente mais econômico, mas o armazenamento líquido tem suas vantagens, principalmente uma densidade de armazenamento de energia muito maior

O hidrogênio líquido tem sido usado há muito tempo como combustível de foguetes para lançamentos espaciais. No espaço, ele é armazenado como gás comprimido ou líquido criogênico em cilindros, tubos e tanques esféricos. Na forma gasosa, o hidrogênio é normalmente armazenado em cilindros. No entanto, os tanques esféricos são preferidos para armazenar hidrogênio líquido para minimizar a área de superfície, o que se correlaciona diretamente com a transferência de calor do ambiente.

O hidrogênio também pode ser armazenado em sistemas baseados em materiais sólidos nas superfícies de sólidos (adsorção) ou dentro deles (absorção). Esses procedimentos estão sendo desenvolvidos para atender aos requisitos de densidade do combustível e aumentar a segurança do processo, pois reduzem o potencial de vazamentos e combustão descontrolada.

Medidas de segurança para todos os sistemas de armazenamento de hidrogênio incluem:

• Localizar o armazenamento em áreas externas bem ventiladas e sem fumantes, longe de estruturas, veículos, calor, faíscas e chamas abertas
• Nunca arrastar, rolar, deslizar ou derrubar recipientes de armazenamento
• Usar somente ferramentas à prova de faíscas e equipamentos à prova de explosão para manusear o hidrogênio
• Aterrar todos os equipamentos e tubulações
• Verificar regularmente se há vazamentos nos sistemas de hidrogênio usando água com sabão e nunca com uma chama

Os requisitos para armazenamento de hidrogênio de alta densidade representam desafios significativos para os sistemas de transporte. A densidade de energia do hidrogênio é muito menor do que a da gasolina, de modo que são necessários tanques maiores para armazenar a mesma quantidade de energia. De modo geral, os tanques de hidrogênio veicular são maiores do que as variantes de gás natural e são capazes de suportar pressões mais altas.

Essa necessidade de espaço adicional prejudica a funcionalidade de um veículo para transportar confortavelmente pessoas e objetos de maneira eficiente em termos de espaço, e o peso extra afeta negativamente a distância que um veículo é capaz de percorrer com uma quantidade definida de energia. Além disso, as células de combustível de hidrogênio ocupam mais espaço do que os motores de combustão, aumentam o peso e introduzem outra fonte potencial de vazamento.

Automóveis e caminhões movidos a hidrogênio estão disponíveis, mas o número de postos de abastecimento de hidrogênio em todo o mundo é limitado. Isso os torna pouco práticos para a maioria das pessoas, especialmente para os consumidores comuns. À medida que a infraestrutura de hidrogênio continua a se desenvolver, no entanto, essa realidade pode mudar no futuro.

Apesar dessas desvantagens, os carros e caminhões de longa distância movidos a hidrogênio têm vantagens significativas em comparação com os veículos elétricos. Eles podem ser reabastecidos em minutos, em vez de horas, e a energia armazenada não se degrada com o tempo. A densidade de armazenamento de energia é muito maior do que a das baterias, por um fator de mais de 100, tornando os combustíveis muito mais leves e compactos do que as baterias. Por fim, os materiais necessários para produzir baterias modernas, especialmente o lítio, são escassos, enquanto os materiais necessários para produzir células de combustível de hidrogênio são abundantes.

Conforme o hidrogênio gasoso é produzido, ele pode ser consumido localmente, comprimido e canalizado para tanques de armazenamento próximos, comprimido e envasado em cilindros para transporte ou liquefeito para melhorar a densidade de armazenamento ou transporte de longa distância. O transporte de hidrogênio normalmente ocorre por meio de dutos, caminhões, trens ou navios. Os dutos são usados com mais frequência entre instalações de produção próximas e consumidores, e em regiões geográficas mais amplas onde se prevê uma demanda estável de longo prazo.

Em curtas distâncias, o transporte por caminhões é mais comum, seja em cilindros alongados de alta pressão empilhados em um reboque tubular ou em caminhões-tanque de hidrogênio líquido em temperaturas criogênicas. Os vagões ferroviários são usados para transportar hidrogênio líquido em distâncias médias, enquanto os navios levam cargas pesadas para o transporte de longa distância.

A pesquisa continua na busca pelo desenvolvimento de sistemas compactos e viáveis de armazenamento de hidrogênio que sejam seguros para uso tanto em veículos quanto em instalações fixas. Em conjunto com a produção viável de hidrogênio, desenvolvimentos em transporte e armazenamento ajudarão a impulsionar a economia do hidrogênio.

À medida que as indústrias se esforçam para reduzir as emissões de carbono implementando hidrogênio e outros combustíveis alternativos em sua infraestrutura, o treinamento adequado é de suma importância para garantir a engenharia, instalação, operação e manutenção seguras desses sistemas.