A economia mundial atualmente é baseada em um modelo de geração de energia a partir de combustíveis fósseis. Por exemplo, em 2012 o petróleo e seus derivados responderam por 39,2% da oferta interna de energia do Brasil [1], enquanto em 2011 na União Europeia 35,0% do consumo bruto de energia foi relativo ao petróleo [2]. No entanto, o uso do petróleo como matriz energética está atrelado a sérios problemas:
• o petróleo é uma fonte de energia não-renovável [3];
• a combustão do petróleo é altamente poluente, uma vez que gera subprodutos como CO, CO2 (responsável pelo aumento do efeito estufa) [4], NOx
(precursor da chuva ácida [5] e fonte de ozônio na troposfera) [6], SOx (precursor
da chuva ácida) [5] e hidrocarbonetos não metânicos (fonte de ozônio na troposfera) [6];
• vazamentos de petróleo poluem as águas marítimas [7-12].
Além do petróleo, existem várias outras fontes de energia que se baseiam na queima de material orgânico, como carvão, carvão vegetal, gás natural, lenha e biodiesel. Embora elas não sejam responsáveis pela poluição do mar e algumas delas (como carvão vegetal e biodiesel) sejam renováveis, sua combustão também emite CO2. As fontes de energia que geram o gás carbônico como
subproduto fornecem a maioria absoluta da energia usada no mundo, tendo correspondido a pelo menos 80,6% da oferta interna de energia no Brasil [1] e a 75,0% do consumo bruto de energia na União Europeia [2], de acordo com as
estatísticas mais recentes. Cabe ressaltar que as porcentagens podem ser ainda maiores, pois nas estatísticas há fontes renováveis de energia não especificadas.
O conhecimento de quais fontes de energia emissoras de gás carbônico são utilizadas atualmente e da aplicação que lhes é dada é fundamental para que sejam adotadas políticas mundiais para conter o aquecimento global. Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA), a maior parte (41%) da emissão mundial de CO2 em 2010 deveu-se à geração de energia elétrica, predominantemente a
partir da queima de carvão [13]. A emissão de CO2 por esse setor pode ser
drasticamente diminuída com a construção de usinas hidrelétricas, as quais já são amplamente utilizadas em muitos países, como o Brasil (em 2012, 76,9% da energia elétrica no Brasil foi gerada a partir de hidrelétricas [1]), e com a adoção em massa de fontes de energia alternativas, como as energias solar, eólica e geotérmica.
Além disso, o segundo setor que mais contribuiu para a emissão de CO2
em 2010 segundo a IEA foi o setor de transportes, com 22% das emissões totais [13]. Considerando-se a previsão de que tal setor deverá crescer 45% até 2030 [14], o controle de suas emissões de dióxido de carbono é fundamental para minimizar a poluição e o aquecimento global. Em curto prazo, podem ser desenvolvidas políticas públicas para incentivar o uso dos transportes públicos em detrimento de carros e a substituição dos combustíveis fósseis por biocombustíveis, os quais emitem menos CO2 para a atmosfera [13]. A longo
prazo, a solução para esse sério problema ambiental encontra-se na substituição dos combustíveis atuais por materiais que não contenham carbono. De todas as alternativas existentes, um dos candidatos mais promissores é o hidrogênio.
O hidrogênio é um gás incolor, inodoro e não tóxico que ao sofrer combustão produz apenas vapor d'água. Além de não emitir gases tóxicos e não contribuir para o efeito estufa, a queima do hidrogênio também é vantajosa do ponto de vista energético: 1 kg de hidrogênio produz a mesma energia que aproximadamente 3 kg de gasolina ou diesel, ou então 5,3 kg de etanol [ 15-17].
Na Tabela 1.1, a eficiência energética do gás hidrogênio é comparada com a de outros combustíveis convencionais.
Tabela 1.1. Eficiência energética de alguns combustíveis frequentemente utilizados [17-19].
Combustível Densidade energética volumétrica / MJ L-1 Densidade energética gravimétrica / MJ kg-1 Diesel 38,2 45,6 Etanol 21,2 26,8 Gás Natural (gás, 1 bar) 3,9 x 10-2 50,8 Gás Natural (líquido) 25,3 50,8 Gasolina 34,8 46,9 Gasool E85 25,2 33,2 GLP 26,6 49,8 Hidrogênio (gás, 1 bar) 1,2 x 10-2 141,9 Hidrogênio (gás, 700 bar) 5,6 141,9 Hidrogênio (líquido) 10,3 141,9 Metanol 17,9 19,9 Óleo combustível 41,5 43,3 Querosene 37,1 46,0
Para facilitar a visualização, os mesmos dados estão dispostos graficamente na Figura 1.1.
Figura 1.1. Comparação entre as densidades energéticas volumétrica (em MJ L-1)
e gravimétrica (em MJ kg-1). Adaptado da referência 20.
Uma análise da Tabela 1.1 e da Figura 1.1 mostra que a eficiência energética gravimétrica do hidrogênio é maior do que a de todos os combustíveis mais comumente utilizados em aplicações cotidianas. Em outras palavras, o hidrogênio é o combustível que requer a menor massa para liberar uma determinada quantidade de energia. Por outro lado, a eficiência volumétrica do hidrogênio é bem mais baixa que a dos combustíveis automotivos mais comuns, o que indica que é importante armazená-lo de maneira a minimizar o volume ocupado.
Apesar das grandes vantagens associadas ao uso do hidrogênio como combustível para veículos, a produção e o armazenamento do gás ainda são dois importantes empecilhos para a sua adoção em larga escala.
A reforma do gás natural, procedimento que gera também gás carbônico como subproduto, é o método predominantemente usado para sintetizar hidrogênio [15,16,21]. No entanto, para que o uso do hidrogênio como carregador de energia seja ambientalmente correto, é necessário extinguir as emissões de CO2 durante a sua produção.
sem a formação de subprodutos indesejados, sendo que a maioria delas necessita do uso de água como reagente (olhar, por exemplo, as referências 22-25 e artigos lá citados). A maior parte desses métodos é muito cara atualmente por necessitar de energia elétrica (o que por si só pode ser também um problema ambiental, se for emitido CO2 na sua produção) ou por utilizar alguma tecnologia
nova que ainda não esteja suficientemente desenvolvida; entretanto, a tendência é de que os preços de tais métodos diminuam ao longo do tempo. Enquanto isso não ocorre, existem propostas para se converter o metano ou até mesmo hidrocarbonetos extraídos do petróleo em hidrogênio, com posteriores coleta e armazenamento do CO2 produzido [3,26] como forma de transição entre a
economia baseada em combustíveis fosseis e a economia do hidrogênio.
O problema do armazenamento do hidrogênio é mais complicado de ser resolvido. Para que automóveis movidos a hidrogênio sejam produzidos industrialmente e adotados em larga escala pela população, eles precisam ser tão seguros, baratos e eficientes quanto os carros atuais. Tais requisitos só serão atendidos com o desenvolvimento de tanques que permitam armazenar uma quantidade grande de hidrogênio em um pequeno espaço e que consigam liberar o combustível sem serem aquecidos a temperaturas muito elevadas.
O Departamento de Energia Americano estabeleceu para 2017 diversas metas a serem cumpridas por sistemas de armazenamento de hidrogênio para que o seu uso como combustível de automóveis seja economicamente viável [27]. A mais importante delas refere-se à quantidade de hidrogênio a ser transportado: espera-se obter uma densidade energética gravimétrica mínima de 1,8 kWh kg-1,
ou seja, cada kg do sistema de armazenamento como um todo (tanque mais combustível) deve ser capaz de fornecer pelo menos 1,8 kWh de energia para o veículo [27]. Outra maneira de expressar essa quantidade é através da fração em massa (wt%) de hidrogênio no tanque, definida como [27]:
wt%= mH2
mH2+M , (1.1)
em que mH2 corresponde à massa de hidrogênio e M é a massa total do tanque de
combustível.
Em 2017, o Departamento de Energia Americano espera que seja possível armazenar uma fração em massa de hidrogênio de 5,5 wt%, o que corresponde a uma autonomia de 295 km para um veículo popular [27]. A longo prazo, tem-se como meta atingir uma fração em massa de 7,5 wt% [27].
Além disso, a estrutura armazenadora de combustível não pode ocupar um volume muito grande no veículo. A meta estipulada para esse quesito é de uma densidade energética volumétrica de no mínimo 1,3 kWh L-1 para tanques
conformáveis (ou seja, que podem assumir formas irregulares) [27].
Há também alguns critérios práticos importantes para que os carros atuais sejam substituídos por modelos movidos a hidrogênio. Segundo a expectativa dos consumidores, o veículo deve funcionar perfeitamente bem em diversas condições climáticas, o que se traduz quantitativamente em uma faixa de temperaturas do ambiente entre -40 e +60 °C [27]. Outro aspecto crucial para a aceitação da tecnologia pelo público refere-se ao processo de abastecimento de hidrogênio. Espera-se que um tanque pequeno, com capacidade para até 5 kg de hidrogênio, possa ser abastecido em no máximo 3,3 minutos e suporte 1500 ciclos de abastecimento [27].
Atualmente, pode-se armazenar o hidrogênio no estado gasoso em altas pressões, no estado líquido, por quimissorção no estado sólido e por fisissorção em sólidos porosos [28]. Tais métodos, bem como as vantagens e desvantagens inerentes a cada um deles, serão explicados em mais detalhes a seguir.