Hidrogênio acaba de se tornar mais atraente como fonte de energia graças a avanço no armazenamento

Hidrogênio, o elemento mais leve do universo, é representado pelo símbolo H. Possui número atômico 1 e é o elemento mais encontrado. É o elemento químico mais simples, com apenas um próton e um elétron, e é incolor, insípido e inodoro. 

Curiosamente, o hidrogênio contribui com cerca de 75% da massa do universo. No entanto, representa apenas cerca de 0,14% da crosta terrestre em peso. Ele ocorre naturalmente em forma de composto com outros elementos em sólidos, líquidos e gases. E quando combinado com oxigênio, essa substância inflamável forma água (H₂O), e em combinação com carbono, forma hidrocarbonetos, que são encontrados no petróleo e no carvão. Portanto, o hidrogênio pode ser produzido a partir de diversos recursos, incluindo energia renovável como solar e eólica, energia nuclear e gás natural. 

Notavelmente, várias descobertas foram feitas de bolsões naturais de gás hidrogênio em países como Austrália, Nova Zelândia, Canadá, França, Alemanha, Japão e Rússia. Atualmente, cientistas estão explorando a extensão dessas reservas nesses países, bem como suas origens e os potenciais efeitos nos ambientes circundantes se forem extraídas.

Hidrogênio como Fonte de Energia

Os métodos mais comuns para produzir combustível de hidrogênio incluem processos térmicos, eletrólise, eletrólise acionada por energia fotovoltaica, processos impulsionados por energia solar e processos biológicos. 

Térmico

No processo térmico, o vapor reage com um combustível hidrocarboneto como diesel, gás natural, carvão gasificado ou biomassa gasificada para produzir H. Notavelmente, a maioria (cerca de 95%) de todo o hidrogênio é produzida a partir da reforma a vapor do gás natural. 

Eletrólise

A eletrólise, por sua vez, inclui a separação da água em oxigênio e hidrogênio. Esse processo ocorre em um eletrólito e cria hidrogênio a partir das moléculas de água.

Biológico

Processos biológicos utilizam micróbios que não podem ser vistos a olho nu, como bactérias, para produzir hidrogênio. 

Solar

O processo impulsionado por energia solar, como o nome sugere, usa luz para a produção de H por meio de várias formas, como fotoeletroquímica (utiliza semicondutores especializados para separar água em H e O), fotobiológica (usa a atividade fotossintética natural de bactérias e algas verdes) e termquímica solar (usa energia solar concentrada para conduzir reações de divisão da água).

Além de todas as suas qualidades, o hidrogênio também é um combustível limpo, o que significa que ele produz apenas água, calor e eletricidade quando consumido em uma célula de combustível. Isso o torna uma opção atraente para geração de eletricidade e transporte, incluindo carros e foguetes. A substância densa em energia e armazenável que não produz gases de efeito estufa foi, na verdade, usada para alimentar motores de combustão interna há mais de dois séculos. 

Isso demonstra que o hidrogênio é uma das principais opções para armazenar energia renovável e também está sendo usado em muitas indústrias. No entanto, seu verdadeiro potencial ainda não foi realizado. Para isso, o hidrogênio precisa ser produzido em escala econômica. Além disso, a infraestrutura atual precisa se adaptar ao hidrogênio, embora ele possa ser transportado por gasodutos.

Embora ainda não tenhamos explorado plenamente as maravilhas de usar hidrogênio como combustível, os gastos globais em pesquisa e desenvolvimento para explorar todo o potencial do hidrogênio como fonte de energia têm aumentado ao longo dos anos. Um estudo recente, de fato, fez um grande avanço nesse sentido, permitindo o armazenamento de alta densidade de hidrogênio para futuros sistemas energéticos.

Estrutura para Armazenar Hidrogênio Densamente Compactado

Publicado na revista Nature Chemistry no mês passado, o estudo “Estruturas hidrodélicas de pequenos poros armazenam hidrogênio densamente compactado,” foi financiado em parte pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) e pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG).

Embora materiais nanoporous tenham gerado muita atenção para o armazenamento de gases, o estudo observou que alcançar alta capacidade de armazenamento volumétrico continua sendo um desafio. Assim, vários pesquisadores de diferentes universidades se reuniram para enfrentar essa questão.

Michael Hirscher, do Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) da Universidade de Tohoku, no Japão, e do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, na Alemanha, concebeu as ideias originais e supervisionou o projeto. Enquanto isso, Hyunchul Oh, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), na Coreia, liderou este projeto.

Curiosamente, em 2022, uma equipe de cientistas do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do Departamento de Energia (DOE), da Technische Universität Dresden e da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg mostrou que o hidrogênio se condensa em uma superfície a uma temperatura muito baixa próxima ao ponto de ebulição do H₂. Esse processo forma uma monocamada superdensa, superando a densidade do hidrogênio líquido em 3 vezes, reduzindo o volume para apenas 5 litros por quilograma de H₂.

Agora, o estudo mais recente investigou uma estrutura de boro-hidreto de magnésio utilizando difração de pó por nêutrons, espalhamento inelástico de nêutrons, adsorção volumétrica de gás e cálculos de primeiros princípios. A estrutura possui pequenos poros e um interior parcialmente carregado negativamente e não plano para captação de hidrogênio (H) e nitrogênio (N). 

Tanto o nitrogênio quanto o hidrogênio ocupam sítios de adsorção notavelmente diferentes nos poros. Eles também apresentam capacidades limitantes muito distintas: 0,66 N₂ e 2,33 H₂ por Mg(BH₄)₂. O Mg(BH₄)₂, descoberto pela primeira vez em 1950, é conhecido como um material de armazenamento de hidrogênio de alta capacidade que existe tanto como polimorfos cristalinos com estruturas tipo MOF nanoporous quanto como polimorfos muito densos com densidade volumétrica extrema de hidrogênio e alta capacidade gravimétrica.

Portanto, quando se trata de hidrogênio molecular, ele está empacotado extremamente densamente, com densidade cerca de duas vezes maior que a do hidrogênio líquido. 

A equipe então utilizou difração de pó por nêutrons (NPD) para determinar a posição dos átomos de hidrogênio na estrutura juntamente com os sítios de adsorção das moléculas. 

O estudo observou que um cluster pentadi-hidrogênio (dihidrogênio consiste em dois hidrogênios ligados por uma única ligação) foi encontrado onde as moléculas H₂ em uma posição têm liberdade rotacional. Em contraste, as moléculas H₂ em outra posição têm orientação bem definida e interação direcional com a estrutura. Isso revela que o hidrogênio densamente compactado pode realmente ser estabilizado em materiais de pequenos poros sob pressões atmosféricas normais.

Com essa revelação, a equipe conseguiu abordar o desafio da capacidade limitada de armazenamento de hidrogênio usando tecnologia avançada de adsorção de alta densidade. 

Esse desenvolvimento inovador foi relatado pelo Professor Oh no Departamento de Química da UNIST. A pesquisa inovadora marca um avanço significativo nos futuros sistemas energéticos. 

Capacitando o Armazenamento de Hidrogênio em Grande Escala

Quando se trata de usar hidrogênio em transporte, energia estacionária e energia portátil, o armazenamento desempenha um papel fundamental. Embora o elemento tenha a maior energia por massa, sua baixa densidade à temperatura ambiente resulta em menor energia por unidade de volume. Portanto, métodos avançados de armazenamento são necessários para alcançar maior densidade energética.

Atualmente, a tecnologia de armazenamento foca principalmente no armazenamento de hidrogênio molecular em forma líquida ou gasosa. Mas, claro, há limites para essa tecnologia atual em termos de densidade de armazenamento volumétrica e gravimétrica (quanto de energia por grama ou quilograma pode ser armazenado).

Armazenar hidrogênio como gás requer tanques de alta pressão, enquanto como líquido são necessárias temperaturas criogênicas. Também pode ser armazenado na superfície ou dentro de um sólido via absorção.

Como molécula, o hidrogênio pode ser adsorvido fisicamente em um material contendo poros (vazios) por interações fracas de van der Waals (relativamente fracas e não iônicas) através de fisisorção. Refere‑se a um processo onde moléculas de gás se ligam a uma superfície sólida. No entanto, embora materiais altamente porosos ofereçam alta captação gravimétrica de hidrogênio, são necessárias melhorias na capacidade de armazenamento volumétrica.

É aqui que o boro-hidreto de magnésio cúbico nanoporous, γ‑Mg(BH₄)₂, oferece excelentes resultados. Possui densidade de ρ = 0,550 g cm⁻³ e 33% de volume de poros livre. Um diâmetro de poro de ~9 Å permite que este composto adsorva pequenas moléculas como hidrogênio ou nitrogênio. É através da superfície interna parcialmente carregada negativamente desse hidreto poroso que os átomos hidridicos ficam expostos aos poros.

Possibilitado pelo Programa de Pesquisa de Carreira Intermediária da NFR e pelo Ministério da Ciência e ICT (MSIT), o estudo sintetizou esse hidreto complexo nanoporous composto por cátion de magnésio (Mg⁺) e hidreto de magnésio, e hidreto de boro sólido (BH₄)₂.

O material resultante permite o armazenamento de cinco moléculas de hidrogênio em uma disposição 3D, alcançando um notável armazenamento de hidrogênio de alta densidade. Ele ainda demonstra uma capacidade de armazenamento de 144 g/L por volume de poros, superando amplamente os métodos tradicionais. Impressionantemente, a densidade das moléculas de hidrogênio dentro do material supera até mesmo a do estado sólido.

Descrevendo o material como uma “mudança de paradigma” no mundo do armazenamento de hidrogênio, o Professor Oh afirmou que ele oferece “uma alternativa atraente aos métodos tradicionais.” 

Esse desenvolvimento melhora significativamente a produtividade e a eficiência econômica da utilização do hidrogênio como fonte de energia. Também aborda os desafios de armazenar hidrogênio em grande escala para uso generalizado em aplicações de transporte público e pessoal.

Empresas que se Beneficiarão com Este Desenvolvimento 

Se falarmos sobre as indústrias que podem se beneficiar dessa pesquisa, que está transformando o armazenamento de hidrogênio, uma ampla gama de setores vem à mente, incluindo químico, energia, automotivo, engenharia e construção. Então, vamos observar algumas das empresas que podem ganhar com isso: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

A empresa automobilística baseada no Japão prometeu reduzir suas emissões de CO₂ e afirma ser uma das primeiras a focar no potencial da energia de hidrogênio. 

Para alcançar esses objetivos, a Honda Motor (HMC ) Company tem pesquisado tecnologias de célula de combustível desde a década de 1980 para diversas aplicações. 

No início deste ano, a empresa anunciou que iniciou a produção de soluções de energia de célula de combustível de hidrogênio em colaboração com a General Motors (GM ) (GM) para várias aplicações de produtos e o que eles chamam de “o início da era do hidrogênio”.

Com uma capitalização de mercado de US$ 64,85 bilhões, as ações da empresa estão sendo negociadas a US$ 36,93, alta de 19,22% no ano (YTD). A Honda Motor registrou receita (TTM) de US$ 128,49 bilhões e tem um EPS (TTM) de 7,73 e P/E (TTM) de 4,77. A empresa também paga um dividend yield de 2,77%.

#2. Dow Chemical Company

A Dow Chemical Company está envolvida em vários setores, incluindo Hidrocarbonetos & Energia. Recentemente, ela se associou à Linde (NYSE: LIN) para fornecer hidrogênio limpo e nitrogênio para seu site integrado de craqueamento de etileno e derivados com emissões líquidas zero no Canadá. O acordo foi finalizado no final do ano passado para o projeto de US$ 6,5 bilhões. Como parte do acordo, será implantada a tecnologia de separação de ar e reformador auto‑térmico da Linde para converter o gás de saída do craqueador do site em hidrogênio.

Com uma capitalização de mercado superior a US$ 39,9 bilhões, as ações da Dow Chemical estão sendo negociadas a US$ 56,76, alta de 3,5% YTD. A Dow Chemical registrou receita (TTM) de US$ 44,62 bilhões, um EPS (TTM) de 0,81 e um P/E (TTM) de 69,67. A empresa também paga um dividend yield de 4,93%.

#3. McPhy Energy SA

A empresa com sede na França desenvolve soluções de produção e armazenamento de hidrogênio. No ano passado, a McPhy ampliou seu acordo comercial com a Chart Industries, Inc. (NYSE: GTLS), sob o qual esta última fornecerá processos e equipamentos relacionados ao hidrogênio para compressão e liquefação de hidrogênio. 

Mais recentemente, a empresa líder em tecnologia e fabricação de eletrólitos ganhou um contrato da AAK AB da Suécia para fornecer seu eletrólito 800‑30 com capacidade de 4 MW e peças de reposição relacionadas, permitindo que a empresa sueca use hidrogênio de baixo carbono como gás de processo.

Com uma capitalização de mercado de 47,18 bilhões, as ações da empresa (MCPHY-FR: Euronext Paris) estão sendo negociadas a EUR 1,69, queda de 49,97% YTD. Ela tem um EPS (TTM) de -0,69 e um P/E (TTM) de -1. No mês passado, a McPhy divulgou o resultado do exercício financeiro de 2023, no qual registrou crescimento de receita anual de +17% para €18,8 milhões e crescimento ainda maior de +25% para seu negócio de eletrólitos. Também reportou uma posição de caixa de cerca de €62 milhões no final de dezembro.

Conclusão 

O mercado de armazenamento de energia de hidrogênio está pronto para um rápido crescimento, projetado para ultrapassar a avaliação de US$ 17,6 bilhões nos próximos oito anos, à medida que os governos investem fortemente em infraestrutura baseada em hidrogênio, segundo a Global Market Insights. Notavelmente, o segmento de transporte deve impulsionar um crescimento significativo, com um CAGR projetado de 10%, alimentado pelo papel do hidrogênio na redução substancial das emissões de carbono na indústria. 

Dado o potencial do hidrogênio como fonte de energia mais limpa e eficiente, ele continuará a ser adotado não apenas no transporte, mas também em outras indústrias. Com pesquisas contínuas e novas descobertas, finalmente poderemos ver uma adoção muito mais ampla, ajudando-nos a alcançar emissões líquidas zero de carbono.

Clique aqui para a lista das cinco principais ações de amônia verde (o outro hidrogênio).