Como o hidrogênio é produzido?

À medida que a indústria acrescenta fontes de energia sustentáveis na luta global contra as mudanças climáticas, o hidrogênio emerge como uma alternativa limpa e versátil aos combustíveis fósseis. No entanto, a realização do potencial desse combustível depende do desenvolvimento e da implantação de métodos de produção eficientes, econômicos e ambientalmente responsáveis. 

O preço não competitivo do hidrogênio por unidade de energia gerada em comparação com os combustíveis fósseis convencionais continua sendo uma de suas desvantagens mais significativas, impedindo sua adoção generalizada. Como resultado, créditos fiscais e outros incentivos governamentais são responsáveis, em grande parte, pela evolução da economia do hidrogênio, uma vez que ajudam a compensar os custos associados à produção e à utilização. 

Há uma grande variedade de métodos de produção disponíveis para o hidrogênio, cada um deles diferente em termos de viabilidade técnica, financeira e ambiental. Esta página fornece uma visão geral dos métodos de produção comuns, juntamente com alguns métodos experimentais que ainda estão sendo desenvolvidos. 

O hidrogênio oferece uma ampla variedade de vantagens técnicas como vetor de energia, incluindo:

• Alto conteúdo energético por unidade de massa em comparação com os combustíveis convencionais 
• Potencial para zero emissões de carbono no ponto de uso quando consumido em uma célula de combustível 
• Ausência de degradação da energia quando armazenado a longo prazo, uma vantagem significativa em comparação com as baterias 
• Versatilidade para uma variedade de aplicações, incluindo transporte e armazenamento de energia

No entanto, ainda há desafios para a adoção generalizada na indústria, principalmente relacionados à infraestrutura disponível e ao custo.

Em comparação com a gasolina sem chumbo, o hidrogênio é denso em energia por massa, mas não por volume. Em termos de massa, ele apresenta uma densidade de energia cerca de três vezes maior que a da gasolina, o que o torna atrativo para aplicações em que o peso é importante, como no transporte em longas distâncias.

No entanto, sua baixa densidade volumétrica exige considerações adicionais para o armazenamento, geralmente consistindo em pressurização para hidrogênio gasoso ou liquefação por meio de técnicas criogênicas. Embora esses métodos aumentem a densidade, eles introduzem complexidades operacionais e exigem o consumo de energia para alterar e manter o hidrogênio em seu estado controlado, o que requer uma infraestrutura especializada. Além disso, sua natureza inflamável e propensão a vazamentos, devido ao pequeno tamanho da molécula, exigem protocolos de segurança rigorosos em toda a cadeia de valor. 

O hidrogênio cinza, o tipo mais comum encontrado atualmente na indústria, depende de um desses processos termoquímicos: reforma a vapor de metano (SMR) e reforma autotérmica (ATR).

Tanto a SMR quanto a ATR começam com uma matéria-prima de hidrocarboneto, normalmente o gás natural, que consiste predominantemente em metano (CH₄). Na SMR, esse metano é pré-aquecido e combinado com vapor de alta temperatura (H₂O) na presença de um catalisador em um reformador. A ATR introduz tanto vapor quanto um volume controlado de gás oxigênio (O₂) no reformador, o que causa a combustão. Diferente da SMR, a ATR não precisa de calor externo para o processo de reforma do metano. 

Sob condições extremas de temperatura em qualquer um desses processos, o catalisador facilita a dissociação das moléculas de metano e de água no reformador, quebrando suas ligações químicas. Esse processo de craqueamento térmico resulta em um fluxo de gás que contém o hidrogênio desejado, juntamente com monóxido de carbono e quantidades residuais de dióxido de carbono. Normalmente, os gases de carbono são retidos por leitos adsorventes a jusante do reformador, enquanto o hidrogênio flui pela câmara, onde pode ser armazenado e usado sob demanda posteriormente. 

Em aplicações em que o dióxido de carbono é liberado na atmosfera, o hidrogênio produzido é chamado de “hidrogênio cinza” Se, ao invés disso, o CO₂ for sequestrado, o hidrogênio se torna “azul”

A ATR é mais eficiente em termos de energia do que a SMR porque não requer uma fonte de calor externa. Além disso, a dosagem controlada de oxigênio no reformador reduz substancialmente a geração de monóxido de carbono, produzindo um fluxo de dióxido de carbono mais puro do que a SMR. Isso a torna ideal para a produção de hidrogênio azul. Entretanto, a ATR é mais complexa de monitorar e controlar, especialmente no que diz respeito à combustão, um processo com preocupações significativas de segurança. 

A viabilidade ambiental do hidrogênio azul depende da eficácia e da escalabilidade das tecnologias de CCS, que ainda são áreas de contínua pesquisa e desenvolvimento.

O hidrogênio turquesa é produzido através da pirólise do metano, em que o gás natural é aquecido diretamente a temperaturas extremas — superiores a 900°C (1652°F) — quando então se decompõe em gás hidrogênio e carbono sólido. O subproduto de carbono na forma sólida é capturado mais facilmente do que na fase gasosa.

Quando o calor necessário para a pirólise é gerado a partir de fontes renováveis, como solar ou geotérmica, o hidrogênio turquesa se torna mais limpo. Embora esse método de produção seja promissor, ele ainda está nos estágios iniciais, exigindo demonstrações em maior escala para comprovar sua viabilidade e garantir que o carbono capturado possa ser armazenado permanentemente.

O hidrogênio verde é considerado a referência máxima do hidrogênio sustentável, produzido a partir de energia renovável, como solar, eólica ou hídrica, por meio da eletrólise da água.

A eletrólise é um processo que divide as moléculas de água (H₂O) em hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂) usando energia elétrica. Um eletrolisador consiste em dois eletrodos (um ânodo e um cátodo) e um eletrólito, que é uma solução condutora que facilita o fluxo de íons entre os eletrodos. 

Quando a eletricidade de corrente contínua flui pelo sistema, ocorre a redução no cátodo, que absorve elétrons. Isso atrai ânions carregados negativamente do eletrólito para preencher o espaço deixado pelos elétrons atraídos pelo cátodo. A oxidação ocorre no ânodo, liberando elétrons e fazendo com que os cátions carregados positivamente do eletrólito migrem em direção a ele. 

No cátodo, os átomos de hidrogênio carregados positivamente (H+) ganham elétrons e formam gás hidrogênio, enquanto no ânodo as moléculas de água perdem elétrons, liberando gás oxigênio e reabastecendo os íons de hidrogênio que se movem em direção ao cátodo. 

O resultado final é a separação da água em moléculas de gás hidrogênio e oxigênio. Esse hidrogênio verde é armazenado, enquanto o oxigênio pode ser liberado na atmosfera sem nenhum malefício. 

Quando há excesso de energia renovável disponível, o hidrogênio verde oferece uma maneira sustentável de coletá-la para abastecer a rede novamente quando necessário. Diferentemente da energia armazenada em baterias, a energia armazenada em hidrogênio não se degrada com o tempo, o que a torna útil especialmente para o armazenamento de energia sazonal ou de longo prazo.

No entanto, as leis da termodinâmica determinam que a energia necessária para alimentar a eletrólise para a produção de hidrogênio é maior do que a energia disponível do produto. As estimativas atuais do NREL (Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA) indicam que a eletrólise é aproximadamente 70-80% eficiente, o que significa que apenas parte da energia renovável utilizada para executar o processo fica disponível como energia potencial no hidrogênio resultante.

Além disso, a infraestrutura dos eletrolisadores ainda é muito recente, exigindo mais desenvolvimento e aprimoramentos de eficiência antes que seu uso possa se tornar generalizado. 

Existem alguns meios menos comuns de produção de hidrogênio, incluindo a divisão fotocatalítica da água assistida por energia nuclear e métodos biológicos e bioquímicos.

Produção de hidrogênio assistida por energia nuclear
A eletrólise movida a energia nuclear é um caminho em potencial para a produção de hidrogênio em larga escala e sem carbono, conhecida como “hidrogênio rosa”, embora esse método ainda esteja em desenvolvimento. Como as usinas nucleares operam continuamente, elas fornecem uma fonte de energia estável para a produção de hidrogênio, abordando os desafios de intermitência associados à energia renovável. No entanto, as preocupações do público com a segurança nuclear, o descarte de resíduos e o potencial de proliferação são barreiras à adoção.

Divisão fotocatalítica da água
Aproveitando diretamente a energia solar, a divisão fotocatalítica da água utiliza materiais semicondutores que absorvem a luz solar para dividir as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio sem eletricidade. Quando os fótons atingem um semicondutor fotocatalisador, ele excita os elétrons, que fornecem a energia para conduzir uma reação química, imitando a fotossíntese nas plantas.

Esse método está longe de estar pronto para ser implementado em massa, e são necessárias mais pesquisas para desenvolver materiais fotocatalíticos de melhor custo-benefício. No entanto, os primeiros testes indicam que sua eficiência é muito maior do que a eletrólise movida a eletricidade. 

Produção biológica e bioquímica de hidrogênio

Outra possibilidade de produção de nicho para o futuro do hidrogênio utilizável é a biofotólise, que aproveita os recursos fotossintéticos de algas e cianobactérias na natureza para produzir hidrogênio a partir de corpos d'água. Além disso, as reações enzimáticas podem ser capazes de catalisar a produção de hidrogênio a partir da biomassa ou da água. 

Atualmente, esses métodos são totalmente experimentais, mas explorar os limites e as possibilidades da produção de hidrogênio é importante para o crescimento da economia do hidrogênio como um alicerce eficiente e viável da redução dos gases de efeito estufa gerados pela indústria. 

Para produzir e usar o hidrogênio de forma eficaz, é necessário ponderar fatores financeiros, técnicos e ambientais para orientar a tomada de decisões. O refinamento e o crescimento de diversos métodos de produção de hidrogênio irão melhorar a viabilidade do hidrogênio em muitas aplicações diferentes. 

Embora a produção de hidrogênio cinza usando a SMR ou ATR seja a mais predominante atualmente, os incentivos fiscais governamentais estão aumentando a produção de hidrogênio azul, que emprega tecnologias de captura de carbono para mitigar os impactos ambientais. O hidrogênio verde, produzido através da eletrólise usando energia renovável, apresenta uma solução mais sustentável, mas sua escalabilidade e custo-benefício exigem mais avanços tecnológicos. 

Métodos emergentes, como a pirólise do metano e a separação fotocatalítica da água, oferecem alternativas promissoras, mas ainda estão em seus estágios iniciais, exigindo mais pesquisa e desenvolvimento. Uma abordagem multifacetada que englobe um portfólio diversificado de métodos de produção, juntamente com políticas de apoio e inovação contínua, é essencial para elevar o hidrogênio ao seu potencial como alicerce da energia sustentável.