Imagem de Gerd Altmann por Pixabay
A célula de hidrogênio, conhecida também como célula a combustível, é uma tecnologia que utiliza a combinação química dos gases hidrogênio e oxigênio para gerar energia elétrica e moléculas de água. O primeiro equipamento foi desenvolvido em 1839, por um físico inglês chamado William Grove. A célula de hidrogênio e sua tecnologia desempenham um importante papel, atuando de forma limpa, silenciosa e apresentando baixos níveis de emissão de poluentes na atmosfera.
O hidrogênio é o elemento químico mais abundante do universo, com menor massa atômica (1 u) e menor número atômico (Z=1) entre todos os elementos conhecidos. Apesar de estar posicionado no primeiro período da família IA (metais alcalinos) da Tabela Periódica, o hidrogênio não faz parte dela, pois apresenta características físicas e químicas únicas que o diferenciam destes outros elementos.
A célula de hidrogênio é um dispositivo que converte a energia química armazenada no hidrogênio em energia elétrica. Ela consiste em três componentes principais: um ânodo, um cátodo e um eletrólito.
No ânodo, ocorre a reação de oxidação do hidrogênio molecular (H2). Ele passa por um processo no qual é dividido em prótons (íons H+) e elétrons (e-). Os elétrons são direcionados para fora da célula através de um circuito externo, gerando corrente elétrica. Esse fluxo de elétrons é o que fornece energia para alimentar dispositivos elétricos.
Enquanto isso, os prótons resultantes são conduzidos através de um eletrólito, que é uma membrana especial. O eletrólito permite a passagem seletiva de prótons, bloqueando o fluxo de elétrons.
No cátodo, ocorre a reação de redução. Os prótons provenientes do ânodo combinam-se com oxigênio (geralmente do ar) e elétrons externos que retornam da carga, formando água (H2O) como subproduto. Esse processo de redução completa o ciclo da célula de hidrogênio.
Além disso, é fundamental fornecer hidrogênio puro à célula, que pode ser obtido a partir de fontes como a eletrólise da água ou a reforma do gás natural.
A energia gerada pelas células de hidrogênio tem diferentes aplicações. Essas células podem utilizar diferentes tipos de eletrólitos, cada um com suas características próprias, trazendo vantagens e desvantagens.
Nesse caso, a energia elétrica é gerada pelas diferenças de potencial elétrico entre dois pontos de um condutor. Essa energia é então convertida em energia mecânica, que impulsiona os motores dos veículos e os faz se mover.
As células a combustível utilizadas em veículos automotores são as de membranas poliméricas de troca de prótons (PEMFC). Estas possuem alta potência, não exigindo baterias adicionais no veículo para sua ignição.
Além disso, as células PEMFC funcionam em baixas temperaturas, entre 80ºC e 90ºC, e emitem poucos poluentes em comparação aos outros tipos de células. Entretanto, os custos da membrana são altos, o que dificulta sua utilização em larga escala.
Diferente das células PEMFC, que utilizam hidrogênio como um dos reagentes químicos para funcionar, outros tipos de células a combustível costumam realizar a reforma de combustíveis fósseis, como hidrocarbonetos ou gás natural. Elas são comumente usadas para produzir grandes quantidades de energia em usinas.
A célula de carbonatos fundidos (MCFC) e a célula de óxido sólido (SOFC) são exemplos utilizados na produção de energia elétrica, variando entre 10 quilowatts (kw) a algumas centenas de kw. Elas operam entre 650ºC a 900ºC, o que as tornam altamente eficientes na produção de energia.
Entretanto, a principal desvantagem destes tipos de células é a produção de dióxido de carbono, pois sua principal fonte de energia são os combustíveis fósseis.
As células PEMFC possuem algumas vantagens importantes em relação ao uso de motores movidos a combustíveis fósseis. Elas possuem baixa emissão de poluentes atmosféricos, geram menos ruído e ainda são mais eficientes.
Mas outra característica é ainda mais atrativa: as células de combustível são dispositivos que fazem do hidrogênio um vetor energético. Elas são capazes de armazenar energia química para ser usada quando necessário, além de facilitar o transporte dessa energia até o local onde será utilizada.
O hidrogênio verde é uma fonte de energia limpa que pode ser usada para abastecer as células de combustível. A energia produzida em usinas eólicas, painéis solares ou hidrelétricas é a principal fonte para a eletrólise da água que gera o hidrogênio verde.
Em momentos de pico de produção, pode-se gerar hidrogênio e armazená-lo em células de combustível. Já em situações onde há pouco sol ou vento, por exemplo, e há alto consumo de energia elétrica, a energia química do hidrogênio armazenada nas células de combustível pode suprir essa demanda.
O hidrogênio gera um tipo de energia limpa, podendo ser sustentável quando é produzida por meio de fontes renováveis.
Carros a hidrogênio podem tanto queimar o próprio combustível, o que gera apenas água e o movimento do veículo, ou mesmo utilizar células de hidrogênio como fonte de energia. No segundo caso, a vantagem se dá pela facilidade de manuseio da energia, já que ela pode ser armazenada quando estiver em excesso e utilizada quando estiver em escassez.
A combinação do uso de hidrogênio e células a combustível pode tornar a utilização de energias renováveis mais viável e sustentável.
O hidrogênio vem se tornando cada vez mais relevante na busca por energias limpas, o que resultou, em 2021, na criação do Programa Nacional do Hidrogênio pelo Ministério de Minas e Energia. Nele, é destacado o potencial que o hidrogênio tem de descarbonizar setores de difícil redução de emissões de CO2, como o de transportes.
Dentre as alternativas tecnológicas adotadas em diversos países, as células a combustível podem auxiliar a transição energética para a eletrificação de veículos, devendo o Brasil investir em mais pesquisas para incentivar seu uso.
Um estudo realizado pelo Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE) alegou que as células a combustível seriam essenciais para fornecer energia elétrica a consumidores que precisam de suprimento energético de alta confiabilidade, como hospitais, aeroportos, centros de pesquisa, bancos e empresas de telecomunicações, por exemplo.
As células a combustível podem ser acionadas em momentos de falta ou instabilidade de energia na rede, e ainda fornecer energia renovável e com baixo grau de emissão de poluentes.
O Brasil é referência mundial na produção de energias renováveis, e possui grande potencial em desenvolver um mercado de hidrogênio que, unido à tecnologia de células de hidrogênio, pode levar o país rumo à sustentabilidade ambiental no que diz respeito à produção de energia.
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