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Porque é que o hidrogénio é revolucionário como meio de armazenamento de energia
Com 33,3 kWh/kg, o hidrogénio tem a maior densidade energética específica de massa de todos os combustíveis. Esta propriedade extraordinária torna-o o candidato ideal para a mobilidade sustentável e o armazenamento de energia na transição energética. No entanto, a sua aplicação prática exige soluções de armazenamento inovadoras que sejam simultaneamente seguras e eficientes.
Armazenamento convencional de hidrogénio e seus limites
O armazenamento convencional de hidrogénio baseia-se em dois processos estabelecidos, ambos os quais colocam desafios técnicos e económicos consideráveis.
Armazenamento criogénico (hidrogénio líquido):
- Temperatura: -253°C (20 K)
- Densidade: 71 kg/m³
- Perda de energia por liquefação: 30% da energia armazenada
- Necessidade de arrefecimento contínuo
- São necessários sistemas de isolamento altamente especializados
- Custos de funcionamento elevados devido ao consumo constante de energia
Armazenamento de gás pressurizado:
- Pressão do acumulador: até 700 bar
- Perda de energia devido à compressão: cerca de 12%.
- Necessita de recipientes pesados e resistentes à pressão
- Densidade energética prática reduzida devido ao peso do depósito
- Elevados custos de investimento para sistemas de compressão
Problemas de segurança comuns a ambos os processos:
Devido ao seu pequeno tamanho molecular, o hidrogénio tem uma taxa de difusão excecionalmente elevada e pode penetrar em quase todos os materiais. Como o hidrogénio não está ligado quimicamente, surgem os seguintes riscos:
- Perdas contínuas de gás devido à difusão do material
- Possibilidade de libertação descontrolada de gás
- Perigo de explosão a uma concentração de 4-75% de hidrogénio no ar
- Fugas difíceis de detetar (incolores e inodoras)
- A elevada velocidade de combustão torna as medidas de segurança mais difíceis
Armazenamento baseado na sorção com MOFs e hidretos metálicos
As estruturas metal-orgânicas (MOF), os hidretos metálicos e as estruturas zeolíticas oferecem uma abordagem alternativa à ligação mecânica do hidrogénio através da sorção. Estes materiais reduzem significativamente o risco de difusão e aumentam a segurança. No entanto, a maioria dos hidretos metálicos tem relações metal-hidrogénio desfavoráveis e taxas de absorção e libertação lentas. Uma exceção notável é o sistema de hidreto metálico de níquel, que já ganhou grande aceitação para o armazenamento de hidrogénio devido à sua aplicação bem sucedida na tecnologia de baterias.
Tecnologia LOHC: O avanço no armazenamento de líquidos
Os transportadores líquidos de hidrogénio orgânico (LOHC), como o dibenziltolueno (DBT), estão a revolucionar o armazenamento de hidrogénio. Este líquido não tóxico e retardador de chama pode absorver hidrogénio com um catalisador de ródio em condições moderadas de 200°C e 5 bar. O peróxido-DBT resultante armazena 600 litros de hidrogénio gasoso por litro de líquido, o que corresponde a uma impressionante capacidade de armazenamento de 2 kWh/kg. A libertação tem lugar a 300°C e a uma pressão reduzida. Os sistemas LOHC atingem taxas de absorção e libertação significativamente mais elevadas do que o armazenamento sólido, mantendo as vantagens das baixas taxas de difusão.
Armazenamento químico de hidrogénio através de ligações moleculares
A ligação química do hidrogénio a outras moléculas constitui outra abordagem promissora de armazenamento. O exemplo mais conhecido é a síntese de Haber-Bosch, que produz mais de 200 mil milhões de toneladas de amoníaco por ano. Esta reação ocorre a 450°C e 200 bar, utilizando catalisadores de ferro, e atinge um conteúdo energético de 5,2 kWh/kg, o que corresponde a uma eficiência de 63%. Embora o amoníaco seja mais fácil de manusear do que o hidrogénio gasoso, tem as desvantagens da toxicidade e da corrosividade. Em alternativa, outros gases, como o metano, podem ser sintetizados através da gaseificação do carvão, em que a biomassa ou o carvão vegetal são tratados com vapor a altas temperaturas.
Métodos analíticos para a caraterização dos materiais de armazenagem
A análise térmica é a ferramenta mais importante para a análise de materiais de armazenamento de hidrogénio. Os analisadores de sorção gravimétricos e volumétricos, as termobalanças de alta pressão (TGA) e a calorimetria diferencial de varrimento (DSC) podem ser utilizados para caraterizar com precisão os processos de sorção e dessorção. Estes sistemas permitem a determinação do calor de sorção e dessorção em condições controladas de fluxo de gás, pressão e vácuo. Particularmente na gaseificação do carvão, os sistemas TG-DSC de alta pressão permitem a medição simultânea da eficiência da gaseificação, do teor de carbono e do calor de reação num único teste.
Perspectivas futuras para a tecnologia de armazenamento de hidrogénio
O desenvolvimento de tecnologias eficientes de armazenamento de hidrogénio continua a ser um desafio fundamental para uma transição energética bem sucedida. Os sistemas LOHC apresentam propriedades particularmente promissoras para aplicações móveis, enquanto os materiais de sorção melhorados estão a ser optimizados para o armazenamento estacionário. O desenvolvimento contínuo destas tecnologias será decisivo para estabelecer o hidrogénio como um vetor energético limpo e praticável do futuro, dando assim um contributo importante para um abastecimento energético sustentável.
