Hidrogénio: o transportador de energia limpa do futuro? Understand article

Traduzido por António Daniel Barbosa. O hidrogénio pode ser o combustível do futuro mas como podemos produzi-lo de uma forma sustentável? Karin Willquist explica.

O hidrogénio tem sido apelidado de “transportador de energia do futuro” – porque pode ser oxidado numa célula de combustível produzindo eletricidade, por exemplo para fornecer energia aos automóveis, sem a libertação de dióxido de carbono (CO₂), e pode ser obtido em locais remotos sem uma infraestrutura de eletricidade. Em contraste com os recursos disponíveis como o gás natural e a gasolina, o hidrogénio tem de ser produzido, o que o torna um transportador de energia e não um combustível.

Um sistema energético no qual o hidrogénio é usado para fornecer energia – uma economia do hidrogénio – foi proposto por John Bockris em 1970; em 1977, um acordo internacional de implementação do hidrogénio foi estabelecido no sentido de trabalhar em direção a essa economia^w1.

O hidrogénio é principalmente utilizado atualmente como reagente em vez de transportador de energia, mas não há dúvidas quanto ao seu potencial para transformar os nossos sistemas energéticos e de transporte. No entanto, libertar este potencial não é fácil. Muitos dos combustíveis atualmente usados são líquidos, sólidos ou gases com alta energia por volume (densidade de energia). Porém, o hidrogénio possui uma baixa densidade de energia: a uma dada pressão, queimar um litro de hidrogénio produz um terço da energia correspondente à queima de um litro de metano. Isto coloca problemas de armazenamento, distribuição e utilização que estão a ser estudados pelos cientistas s (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. No entanto, um desafio mais fundamental é a produção de hidrogénio de uma forma sustentável. Este será o aspeto aqui abordado.

Formas de produzir hidrogénio

O hidrogénio é um elemento abundante na superfície terrestre, normalmente ligado ao carbono nos carboidratos (em plantas) ou ao oxigénio na água (H₂O). No entanto, o gás hidrogénio (H₂), existe em pequenas quantidades na Terra. Um dos desafios à produção de hidrogénio de uma forma sustentável consiste na libertação de H₂ das suas ligações com o carbono e o oxigénio.

Atualmente, o H₂ é produzido principalmente a partir de combustíveis fósseis (por exemplo, o gás natural) através de conversão por vapor: aquecendo os combustíveis a altas temperaturas com agua^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

No entanto, este método baseia-se em combustíveis fósseis e liberta CO₂, causando os mesmos problemas de emissão da queima de combustíveis fosseis. A conversão por vapor é apenas sustentável se somente forem utilizados hidrocarbonetos renováveis, como o biogás, porque o CO₂ libertado terá sido anteriormente absorvido na produção destes hidrocarbonetos.

O H₂ também pode ser produzido através de eletrólise^w2, na qual a eletricidade é usada para separar a H₂O em H₂ e oxigénio:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Este método pode ser sustentável se a eletricidade provier de uma fonte renovável como o vento, as ondas ou sol. O H₂ pode então ser usado para armazenar a energia de dias ventosos quando as estações eólicas produzirem mais eletricidade do que a que pode ser consumida.

Curiosamente, a cisão da água ocorre naturalmente nos oceanos, uma vez que algas microscópicas e cianobactérias usam a energia solar para quebrar a água num processo designado por biofotólise (Equação 3). No entanto, a taxa de produção de H₂ é extremamente lenta.

Esforços têm sido feitos no sentido de aumentar a taxa de produção em condições controladas usando microrganismos modificados, mas os processos são ainda muito lentos e dispendiosos para se tornarem uma fonte de H₂ realista num futuro próximo (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Por último, biohidrogenio pode ser produzido a partir de culturas e de resíduos industriais, florestais e agrícolas, usando bactérias. Tal como nós, estas bactérias oxidam materiais vegetais como fonte de energia mas, ao contrário de nós, vivem em ambientes anaeróbicos (sem oxigénio). Na respiração aeróbia, o O₂ é usado para oxidar açúcares, por exemplo

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O                            (4)

Pelo contrário, para oxidar a maior quantidade possível de substrato e, desta forma, otimizar os ganhos energéticos, estas bactérias anaeróbicas reduzem protões, libertados durante a oxidação do substrato, a H₂ (Equacao 6, em baixo).

Bichos escaldantes

Durante o meu doutoramento investiguei as capacidades de produção de hidrogénio de uma destas bactérias, Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Figura 1), que vive em fontes termais: ambientes anaeróbicos a 70°C, com baixos níveis de carboidratos disponíveis. Esta bactéria é de particular interesse por ser duas vezes mais eficiente do que a maioria das bactérias usadas na produção de H₂.

Ao contrário dos humanos, a bactéria C. saccharolyticus obtém energia a partir de uma ampla gama de componentes vegetais: não apenas de glucose, mas também de, por exemplo, xilose (Willquist et al., 2010).

Tal permite à bactéria produzir H₂ a partir de resíduos provenientes do processamento de batatas, açúcar e cenouras, bem como de resíduos industriais da produção de celulose e papel, ou desperdícios agrícolas como palha.

Este é um início promissor, mas mesmo a bactéria C. saccharolyticus liberta apenas 33% do potencial de H₂ que poderia ser libertado do substrato. A equação 5 apresenta o potencial da completa oxidação da glucose, libertando 12H₂ por molécula de glucose. A equação 6 mostra a fermentação na ausência de luz executada pela bactéria C. saccharolyticus, que liberta apenas 4H₂ (33%) por molécula de glucose. A restante energia é libertada sob a forma de acetato (CH₃COOH).

Conversão total da glucose a H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Fermentação na ausência de luz: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

A libertação do H₂ restante a partir do acetato requer energia externa. Em alternativa, o gás metano (CH₄) – que pode libertar H₂ através de conversão por vapor (Equações 1 e 2) – pode ser produzido a partir do acetato. Felizmente existem três formas promissoras de o fazer (Figura 2).

1. Usando a luz solar para converter acetato a H₂ através de bactérias fotofermentativas (Equação 7)^w3. No entanto, tal como a produção de H₂ por algas, este processo é atualmente demasiado lento e dispendioso para ser viável comercialmente num futuro próximo (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Usando eletricidade para impulsionar a reação do acetato a H₂ numa célula de combustível com uma mistura de espécies bacterianas (Equacao 7)^w4. Este é um conceito elegante mas a sua atual aplicação é limitada pelas baixas taxas de produção (Hallenbeck & Gush, 2009). (Para aprender como construir a sua própria célula de combustível microbiana, ver Madden, 2010.)
    
3. Usando produtores de metano (Archaea) para digerir o acetato, gerando metano (Equação 8). A combinação de fermentação na ausência de luz (Equação 6) e produção de metano é conhecida como o processo hitano (hidrogénio + metano), e pode converter aproximadamente 90% do substrato inicial a H₂ e metano.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   O metano pode então ser convertido por vapor libertando H₂.

Para ter uma ideia do processo de hitano: se quatro pessoas numa casa comerem 10 kg de produtos à base de batata num mês, o resíduo produzido poderia abastecer 0.5% das suas necessidades energéticas domésticas mensais (3500 kWh), desde que o H₂ produzido fosse usado diretamente (para evitar perdas de energia) e que a casa estivesse equipada com células de calor e energia^w5. É claro que mais hidrogénio poderia ser produzido a partir de outros resíduos – 0.5% seria apenas das batatas.

Esta é uma estimativa grosseira do potencial do processo de hitano, baseada em a) 30% de perda de energia na produção de H₂ e CH₄ (hitano) e b) 30% na posterior conversão por vapor do CH₄ a H₂. O passo de conversão por vapor (b) é usado na produção de hidrogénio a partir de gás natural e é uma técnica comercial bem desenvolvida. A produção de hitano (a), no entanto, não é ainda tão eficiente, apesar de estudos estarem a ser realizados no sentido de melhorar a eficiência para alcançar 70% (como no exemplo) e, desta forma, tornar a produção de biohidrogénio competitiva em relação à conversão por vapor de combustíveis fósseis para produzir hidrogénio.

Apesar de terem existido desenvolvimentos recentes^w6 (ver caixa), é muito cedo para fornecer uma estimativa confiável para quando a produção sustentável de H₂ poderá desempenhar um papel significativo no fornecimento da energia que usamos. No entanto, tal como o poeta Mark Strand disse um dia, “O futuro começa sempre agora.”

Pesquisa sobre armazenamento e produção de hidrogénio

Armazenar hidrogénio de uma forma segura e eficiente é um dos principais desafios tecnológicos para adotar o hidrogénio como transportador de energia. O Institut Laue-Langevin (ILL)^w7 estabeleceu-se solidamente na investigação sobre economia do hidrogénio, usando difração de neutrões para monitorizar reações de hidrogenação e desidrogenação em potenciais materiais de armazenamento de hidrogénio. Para descobrir mais, visite a página de internet do ILL^w7.

Os poderosos raios-X do European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w8 examinaram recentemente os complexos mecanismos pelos quais o hidrogénio é produzido por enzimas designadas hidrogenases. A maioria destas enzimas atua em condições anaeróbicas e são, na verdade, inibidas na presença de oxigénio. As hidrogenases que permanecem ativas em condições aeróbias são, desta forma, de grande interesse para tecnologias como células de combustível enzimáticas e produção de hidrogénio por ação da luz. Uma equipa de cientistas alemães apresentou recentemente a estrutura cristalina de uma destas enzimas (Fritsch et al., 2011) – será um passo em frente na economia do hidrogénio?

O ILL e ESRF são membros do EIROforum^w9, o editor da Science in School.

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