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HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL DO FUTURO Maria Fernanda Borges Araújo1 Saulo José Ramos de Oliveira2 Gabriel Silva Meneses Barros3 Arthur Silvestre Rodrigues Marques4 Diego Faro Alves5 Engenharia Mecatônica ciências exatas e tecnológicas ISSN IMPRESSO 19801777 ISSN ELETRÔNICO 23163135 Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr RESUMO Desde a revolução industrial a humanidade encontrase em um cenário de extrema dependência de combustíveis fósseis São usados em fábricas em transporte para os humanos e fabricação de diversos tipos de materiais como por exemplo o plástico Ao utilizar estes tipos de combustíveis para queima o planeta Terra está cada vez mais perto de colapsar devido à alta produção de gases que poluem a atmosfera fazendo com que o Efeito Estufa piore e aumente cada vez mais a temperatura do mundo Neste contexto a humanidade se encontra numa situação na qual é impossí vel fingir que estes problemas não estão acontecendo E é por isso que pesquisadores buscam formas de substituir esses combustíveis fósseis que não são renováveis e po luem o meio ambiente por energia limpa e renovável Uma das opções consideradas como substituto de combustíveis fósseis seria o hidrogênio O presente artigo cien tífico contempla a análise da viabilidade da inserção do hidrogênio como alternativa limpa para substituir os combustíveis poluentes a partir de referenciais bibliográficos que se encontram no âmbito de tecnologia aplicabilidade e demais impactos e con sequências que seriam gerados caso tal substituição ocorra no futuro PALAVRASCHAVE Hidrogênio Combustível Eletrólise Aplicabilidade Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 61 ABSTRACT Since the industrial revolution humanity has been in a scenario of extreme depen dence on fossil fuels They are used in factories in transporting humans and in the manufacture of different types of materials such as plastic When using these types of fuels for burning planet Earth is getting closer and closer to collapsing due to the high production of gases that pollute the atmosphere causing the Gre enhouse Effect to worsen and the temperature of the world to increase more and more In this context humanity finds itself in a situation in which it is impossible to pretend that these problems are not happening And thats why researchers are looking for ways to replace these fossil fuels which are nonrenewable and pollute the environment with clean renewable energy One of the options considered as a substitute for fossil fuels would be hydrogen This scientific article contemplates the analysis of the feasibility of inserting hydrogen as a clean alternative to replace polluting fuels based on bibliographic references that are within the scope of tech nology applicability and other impacts and consequences that would be generated if such replacement occurs in the future KEYWORDS Hydrogen Fuel Electrolysis Applicability 1 INTRODUÇÃO O nosso planeta se encontra em uma situação extremamente delicada O aque cimento global piora a cada dia que passa derretendo geleiras causando mudanças drásticas de clima dentre outros problemas ambientais O maior responsável pela mudança de temperatura no planeta é o combustível fóssil Então é necessário que haja uma alternativa viável para a substituição da gasolina e do petróleo e um desses candidatos seria o gás hidrogênio Altamente reativo e leve o composto gasoso seria perfeito demais para o uso de deslocamento de veículos e para o uso industrial Inclusive o gás hidrogênio já é utilizado em foguetes e tecnologias espaciais e um dos motivos para isso seria por que o hidrogênio tem a mais alta energia por unidade de peso comparativamente com qualquer combustível uma vez que o hidrogênio é o elemento mais leve e não tem pesados átomos do carbono CRIZOL 2020 Entretanto a implementação desse combustível apresenta alguns obstáculos Por exemplo para manter o combustível armazenado adequadamente e realizar ele trólise na água muito capital precisa ser investido o que pode acarretar o encareci mento do produto e dificuldade na comercialização Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 62 Cadernos de Graduação 2 HIDROGÊNIO O hidrogênio é o elemento mais abundante no Universo e o mais leve sendo tam bém o mais simples da tabela periódica de Mendeleiev Localizado na família 1 da tabela periódica na sua forma fundamental possui apenas um elétron que orbita o seu núcleo O hidrogênio normalmente existe combinado com outros elementos como o oxigênio na água e o carbono no metano Como é quimicamente muito ativo rara mente permanece elementarmente puro LEPECKI 2011 A molécula de água é composta por 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigê nio A água apresenta propriedades bem peculiares como por exemplo a tensão super ficial Outra propriedade é que esse líquido é caracterizado como um solvente universal A molécula do hidrogênio apresenta temperaturas de fusão e ebulição muito baixas o que justifica o seu estado gasoso na temperatura ambiente A propriedade mais interessante a ser estudada é o seu poder de combustão Essa substância quí mica é capaz de queimar da mesma forma que se queima Gás Liquefeito de Petróleo GLP e a chama pode atingir a temperatura de 2400C ultrapassando a temperatura do gás natural e da gasolina ao sofrerem combustão A quantidade de energia liberada durante a reação do hidrogênio é cerca de 25 vezes do poder de combustão de um hidrocarboneto gasolina gasóleo metano propano etc SANTOS SANTOS 2005 Apesar de ser o elemento mais abundante no universo o hidrogênio na forma de gás existente em nosso planeta tem a massa equivalente a aproximadamente 088 do peso da terra mas existe a possibilidade de realizar eletrólise na água gerando como produto H2 e O2 O processo de eletrólise consiste na separação de compostos químicos usando a eletricidade Esse processo ocorre de forma não espontânea ou seja não pode ser observado pela natureza 2 H2O eletricidade 2 H2 O2 A forma mais utilizada no mundo para a produção de hidrogênio em escala in dustrial é a reforma do vapor que faz uso da energia térmica para realizar a separação do carbono e do hidrogênio contido no metano ou metanol 21 COMBUSTÃO DO HIDROGÊNIO Outro aspecto que deve ser observado é o produto de combustão do combus tível Hidrogênio A reação de combustão é representada por 2 H2g O2g 2 H2Ol Desta reação o produto obtido é água na forma líquida A partir disso é possível analisar que a queima de gás hidrogênio não libera gases poluentes como por exem Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 63 plo monóxido de carbono CO também o produto gerado dessa reação é justamen te a matéria prima utilizada para a extração do combustível 22 CÉLULAS DE HIDROGÊNIO A célula de combustível é um dispositivo capaz de transformar a energia quí mica produzida pelas reações em energia elétrica desde que haja um combustível hidrogênio e um oxidante oxigênio A célula funciona da seguinte forma Ligados a uma bateria os dois eletrodos anodo e catodo farão a separação dos íons enquanto o eletrólito atua como a uma ponte por onde esses íons atravessam FIGURA 1 Figura 1 Esquematização de uma célula de combustível Fonte Alves 2012 No entanto apenas uma célula de combustível é insuficiente para produzir uma quantidade significativa de energia Por isso uma pilha de combustível é constituída por uma associação em série de células de combustível uma vez que cada célula in dividual produz apenas uma tensão aproximada de 08 V SANTOS SANTOS 2005 e essa funcionalidade faz que haja a capacidade de se criar pilhas para diferentes usos seja para uso de máquinas pequenas até máquinas de grande porte As células podem ser classificadas em dois tipos a que tem alta temperatura de funcionamento e a que tem baixa e média temperatura de funcionamento mas tam bém existem células que não se encaixam nessas classificações pelo motivo de terem características híbridas As células de baixa e média temperatura podem gerar potên cias de 250 kW e chegam a temperaturas de 250C enquanto as pilhas de alta tem peratura podem chegar à potência de 2MW com temperaturas maiores que 600C 3 ARMAZENAMENTO Para que seu uso aconteça com segurança os sistemas de armazenamento precisam ser evoluídos sendo mais práticos para automóveis Mesmo que ele possa ser estocado em forma líquida esse processo requer muita energia cerca de 25 a 30 de sua energia pois o hidrogênio tem que ser resfriado até 253ºC e exige materiais Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 64 Cadernos de Graduação e manipulação especiais Para o resfriamento de 05 kg de hidrogênio é necessário cerca de 5 KWh de energia elétrica por isso o ideal seria estocar o hidrogênio em forma de gás pois utiliza menos energia Para ser armazenado em estado gasoso ele precisa ser pressurizado assim conseguindo pelo menos uma quantidade razoável Um método bem mais eficiente de armazenamento é na forma de hidretos Certas ligas metálicas como as de magnésio níquel magnésio cobre e ferro ti tânio absorvem hidrogênio e quando aquecidos o liberam No entanto os hidretos armazenam pouca energia por unidade de massa 31 PERIGOS DE ARMAZENAMENTO Quando ele entra em contato com o flúor e com o cloro mas em especial com o flúor a reação tornase tão rápida e tão imprevisível e consequentemente incontrolável reagindo violentamente A sua despressurização acontece rapidamente podendo provocar até inflamação visto que a sua expansão ser acima de 40C podendo ocorrer até um aquecimento Todas as suas características o colocam num patamar de utilização como combustível bastante privilegiado mas essas mesmas características trazem alguns perigos ao ser humano devido à extrema sensibilidade para se detonar Para sua utilização em público o hidrogênio teria que ser manuse ado semelhantemente à forma que os combustíveis normais são manuseados sem nenhum risco As propriedades físicas relevantes para a segurança do hidrogênio são comparadas com as da gasolina gás de petróleo liquefeito GPL e o metano 32 DEMAIS USOS O hidrogênio pode ser usado de outras formas e em outros setores além de transportes Este já começou a ser utilizado em grande escala desde o século XIX onde desde essa época já foi visto que ele tinha um grande potencial no entanto no desastre do zeppelin Hindenburg em 1937 novas precauções para larga escala de utilização foram tomadas A agência espacial dos EUA NASA usa o hidrogênio em seus projetos espaciais abastecendo seus foguetes pois estes exigem características não adquiridas com ou tros combustíveis tais como o baixo peso a capacidade de compactação e grande armazenamento de energia Quando utilizado em células a água que resulta do pro cesso é consumida pelos astronautas A maioria do hidrogênio que é produzido no mundo é utilizado como matéria prima na fabricação de produtos como fertilizantes conversão de óleo líquido em margarina fabricação de plásticos e arrefecimento de geradores e motores devido à sua elevada condutibilidade térmica Quantidades elevadas de hidrogênio são utilizadas no processo Harber para a produção de amônia o quinto composto mais produzido no mundo industrial e na produção de ácido clorídrico HCl Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 65 Alguns automóveis do mercado já foram desenvolvidos para utilizar o hidrogê nio sua queima é 50 de eficiência a mais que a gasolina e ainda que a queima gere alguns óxidos de nitrogênio NOx gera menos poluentes que a queima dos combus tíveis fósseis petróleo carvão Pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas na geração de energia elétrica térmica e de água pura por meio das células a combustível Futuramente o hidrogê nio pode fornecer eletricidade e combustível para os setores residencial comercial industrial e de transporte criando uma economia energética 4 IMPACTOS GERAIS 41 IMPACTOS AMBIENTAIS DA CÉLULA DE HIDROGÊNIO Uma célula de combustível é semelhante a uma bateria em alguns aspectos No entanto quando a bateria armazena energia a célula a combustível gera sua própria energia Ele usa uma fonte de combustível neste caso hidrogênio para reagir quimicamente com o oxigênio do ar para gerar uma carga elétrica Essa eletricidade pode então ser usada para alimentar máquinas ou no caso de veículos de consumo para alimentar diretamente o trem de força ou para complementar baterias recar regáveis e em seguida alimentálas Ao contrário das alternativas de combustão o desperdício desse processo é apenas uma pequena quantidade de calor e água H2O Portanto é uma tecnologia de emissão zero 411 Benefício da Célula de Hidrogênio Além de emissões zero o hidrogênio é um combustível sustentável em compa ração com as alternativas aos combustíveis fósseis Muitas usinas de hidrogênio fun cionam com energia solar ou eólica e usam eletrólise para extrair hidrogênio da água até mesmo da água do mar A pegada de carbono desse método é muito baixa e o único gás liberado no ar durante o processo de fabricação é o oxigênio O hidrogênio puro produzido desta forma é muito adequado para uso em baixas temperaturas como em células a combustível automotivas Outra vantagem da tecnologia de células de combustível sobre outros concor rentes de baixa emissão ou emissão zero é que as baterias podem gerar muita ener gia para dispositivos relativamente pequenos Isso significa que os carros que usam hidrogênio como fonte de combustível devem ser capazes de viajar distâncias mais longas do que os carros totalmente elétricos 412 Dificuldades da Célula de Hidrogênio No entanto embora haja vitórias óbvias no uso do hidrogênio como tipo de combustível para carros há uma barreira particular que está impedindo os fabrican Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 66 Cadernos de Graduação tes de produzir veículos movidos a hidrogênio no mercado de massa no momento acessibilidade Infelizmente a infraestrutura não está pronta para dar suporte a carros de consumo em grande escala Há uma nítida falta de pontos de reabastecimento Outra barreira possível é a segurança O hidrogênio é um gás altamente infla mável seu transporte e a instalação de soluções de armazenamento seguros são empreendimento caros pelo menos inicialmente Há vantagens no fato de que não é tóxico ao contrário da gasolina e do diesel e se dissipa rapidamente mas precisa ser manuseado com cuidado o que requer equipamentos especializados que a gran de maioria dos postos de combustível convencionais não suportam atualmente 413 O Programa Brasileiro de Célula a Combustível e Hidrogênio O Programa Brasileiro de Hidrogênio e Sistemas Células a Combustível inicial mente denominado PROCAC foi elaborado em 2002 pelo Ministério da Ciência e da Tecnologia MCT com a participação de universidades centros de pesquisa e empresas brasileiras com o objetivo de promover ações integradas e cooperadas que viabilizem o desenvolvimento nacional da tecnologia de hidrogênio e de sistemas célula a combustível habilitando o país a se tornar um produtor internacionalmente competitivo nesta área Com ele pretendese ainda apoiar o estabelecimento de in dústria nacional para produção e fornecimento de sistemas energéticos com células a combustível LINARD 2008 Entre os vários desafios identificados além do desenvolvimento da tecnologia das células estão a produção o armazenamento e a distribuição do hidrogênio a capacitação de recursos humanos regulação quanto à segurança e padronização e necessidade de parcerias entre instituições do governo setor industrial setor de ser viços ONG etc Em 2005 o PROCAC passou a ter nova denominação passando a se chamar Programa de Ciência Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio com a sigla PROH2 LINARD 2008 O programa é estruturado por meio da formação de redes de pesquisa e desenvol vimento abrangendo todo o território nacional Nesse sentido o programa garante o uso mais racional dos recursos investidos e antecipa o alcance dos objetivos LINARD 2008 Devido a vários fatores como o desenvolvimento de novos materiais e a cres cente demanda por energia limpa e eficiente a tecnologia de células de combustível se desenvolveu nos últimos 40 anos Como tecnologia madura e comercializável podese citar o Phosphoric Acid Battery System PAFC da Tempo Universal Coorde nado UTC No entanto somente quando outros concorrentes oferecem sistemas semelhantes no mercado podemos falar sobre o verdadeiro sucesso econômico A perspectiva de baterias de alta temperatura operacional é certamente promissora mas ainda não há oferta em larga escala desse tipo de sistema no mercado A tec nologia de bateria PEMFC não é apenas adequada para aplicações em veículos mas também para dispositivos fixos de pequeno e médio porte residências hospitais etc e aplicativos portáteis laptops e telefones celulares Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 67 O Brasil está formulando um roteiro de economia do hidrogênio e estabele ceu um plano nacional de pesquisa e desenvolvimento para células a combustível e tecnologia de hidrogênio Atualmente várias instituições brasileiras atuam na área de pesquisa e desenvolvimento e diversos projetos estão em andamento A nova empre sa lançou produtos adequados para esta nova tecnologia Electrocell Unitech Novo cell etc O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN tem desempenhado um papel importante no cenário nacional de desenvolvimento desta tecnologia A cidade de São Paulo não precisa esperar muito para ver ônibus movidos a baterias de energia circularem por suas ruas As Nações Unidas e o governo brasileiro assinaram um ambicioso projeto ambiental por meio do Ministério de Minas e Ener gia O projeto visa a utilização de vários ônibus movidos a hidrogênio na cidade de São Paulo e a utilização de tração elétrica PEMFC no transporte público 42 IMPACTOS SOCIOECONÔMICOS O hidrogênio está prestes a mudar a nossa realidade Desde o abastecimento de automóveis até ao aquecimento de casas estamos a caminhar para uma sociedade baseada no hidrogénio Ao contrário de outras fontes de energia esta produz apenas água e é fácil de armazenar e transportar em grandes quantidades São necessários sistemas sustentáveis para substituir os combustíveis fósseis que estão a ter um efeito negativo no nosso ambiente O hidrogênio promete ter o maior impacto na descar bonização sendo uma alternativa segura que nos aproxima de uma sociedade mais limpa A Sociedade do Hidrogênio sd O hidrogênio oferece grande potencial para ajudar a tornar o setor de energia mais verde e diversificar a economia mundial No entanto o desenvolvimento da tecnologia precisa de ser apoiado por políticas específicas e uma maior cooperação entre os governos e a indústria para garantir que todos possam se beneficiar dela De acordo com a Organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento In dustrial UNIDO o hidrogênio é a substância química mais abundante no universo e o seu potencial reside no facto de poder ser armazenado Segundo o representante este tipo de inovação pode melhorar vidas fortalecer negócios e ajudar a enfrentar grandes desafios globais como a mudança climática ONU 2019 Os avanços atuais na produção de hidrogênio por meio de eletrólise e tecno logias relacionadas oferecem soluções holísticas para reduzir as emissões globais de dióxido de carbono A Unido considera que a transição para sociedades de hi drogênio representa uma verdadeira mudança de paradigma na área de armazena mento de energia mais eficiente especialmente para energia renovável em escala industrial ONU 2019 A agência destaca ainda que à medida que a tecnologia avança nessa área o en quadramento político e regulatório não tem acompanhado esta evolução Por isso con sidera que é necessária uma parceria contínua entre o governo a indústria e a academia Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 68 Cadernos de Graduação 5 CONCLUSÃO Em suma como conclusão do raciocínio que foi apresentado neste artigo a inserção do hidrogênio como combustível comum seria viável e a maior dificulda de está presente em problemas logísticos no quesito de transporte e segurança do produto As células de energia apresentam diversos benefícios e com certeza afetará positivamente a atmosfera do nosso planeta O que seria necessário no momento para que tal substituição comece a ocorrer seria um investimento significativo na área de pesquisa para que seja possível encon trar formas de baratear o custo desse combustível sem contar que carros movidos a hidrogênio ainda estão em fase inicial de desenvolvimento mas em um futuro pró ximo tal tecnologia possa ser acessível para pessoas comuns no entanto até essa tecnologia chegar a um custo razoável a humanidade precisa continuar com formas alternativas de se evitar a produção de gases poluentes REFERÊNCIAS A SOCIEDADE do Hidrogênio Disponível em httpswwwtoyotaptveiculosa hidrogeniosociedadedohidrogeniojson Acesso em 1 jul 2021 CRIZOL André A Z Gerador de Hidrogênio construção vantagens e aplicações no motor à combustão 2020 Trabalho de Conclusão Graduação Curso de Engenharia Mecânica Centro Universitário do Sul de Minas Varginha 2020 Disponível em httprepositoriounisedubrbitstreamprefix14961TCC André Adrid Zanatelle Crizol Revisão Final 1pdf Acesso em 28 maio 2021 JANAÍNA Alves O que é célula a combustível São Paulo 28 out 2012 Disponível em httpwwwuspbrportalbiossistemasp4316 Acesso em 20 mar 2021 LEPECKI W A energia nuclear e a economia do hidrogênio Parte I INEE jan 2011 Disponível em httpwwwineeorgbrdownloadseficienciaEconomia HidrogenioLepeckipdf Acesso em 28 mar 2021 LINARD Marcelo Hidrogênio e células a combustível Mar 2008 Disponível em httpsecencomeee66eee66phidrogenioecelulasacombustivelhtm Acesso em 6 jun 2021 ONU News ONU defende utilização do hidrogénio para reduzir energias poluentes 23 abr 2019 Disponível em httpsnewsunorgptstory2019041669171 Acesso em 5 jun 2021 Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 69 SANTOS Fernando M SANTOS Fernando A Combustível hidrogénio Revista Millenium n 31 maio 2005 Disponível em httpsrepositorioipvpt handle1040019435 Acesso em 28 mar 2021 1 Acadêmica do curso de Engenharia Mecatrônica Email mariafborgessouunitcombr 2 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica Email saulojramossouunitcombr 3 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica Email gabrielmenesessouunitcombr 4 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica Email arthursilvestresouunitcombr 5 Mestre Professor Email diegofarosouunitcombr Data do recebimento 21 de maio de 2021 Data da avaliação 9 de julho de 2021 Data de aceite 9 de julho de 2021
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HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL DO FUTURO Maria Fernanda Borges Araújo1 Saulo José Ramos de Oliveira2 Gabriel Silva Meneses Barros3 Arthur Silvestre Rodrigues Marques4 Diego Faro Alves5 Engenharia Mecatônica ciências exatas e tecnológicas ISSN IMPRESSO 19801777 ISSN ELETRÔNICO 23163135 Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr RESUMO Desde a revolução industrial a humanidade encontrase em um cenário de extrema dependência de combustíveis fósseis São usados em fábricas em transporte para os humanos e fabricação de diversos tipos de materiais como por exemplo o plástico Ao utilizar estes tipos de combustíveis para queima o planeta Terra está cada vez mais perto de colapsar devido à alta produção de gases que poluem a atmosfera fazendo com que o Efeito Estufa piore e aumente cada vez mais a temperatura do mundo Neste contexto a humanidade se encontra numa situação na qual é impossí vel fingir que estes problemas não estão acontecendo E é por isso que pesquisadores buscam formas de substituir esses combustíveis fósseis que não são renováveis e po luem o meio ambiente por energia limpa e renovável Uma das opções consideradas como substituto de combustíveis fósseis seria o hidrogênio O presente artigo cien tífico contempla a análise da viabilidade da inserção do hidrogênio como alternativa limpa para substituir os combustíveis poluentes a partir de referenciais bibliográficos que se encontram no âmbito de tecnologia aplicabilidade e demais impactos e con sequências que seriam gerados caso tal substituição ocorra no futuro PALAVRASCHAVE Hidrogênio Combustível Eletrólise Aplicabilidade Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 61 ABSTRACT Since the industrial revolution humanity has been in a scenario of extreme depen dence on fossil fuels They are used in factories in transporting humans and in the manufacture of different types of materials such as plastic When using these types of fuels for burning planet Earth is getting closer and closer to collapsing due to the high production of gases that pollute the atmosphere causing the Gre enhouse Effect to worsen and the temperature of the world to increase more and more In this context humanity finds itself in a situation in which it is impossible to pretend that these problems are not happening And thats why researchers are looking for ways to replace these fossil fuels which are nonrenewable and pollute the environment with clean renewable energy One of the options considered as a substitute for fossil fuels would be hydrogen This scientific article contemplates the analysis of the feasibility of inserting hydrogen as a clean alternative to replace polluting fuels based on bibliographic references that are within the scope of tech nology applicability and other impacts and consequences that would be generated if such replacement occurs in the future KEYWORDS Hydrogen Fuel Electrolysis Applicability 1 INTRODUÇÃO O nosso planeta se encontra em uma situação extremamente delicada O aque cimento global piora a cada dia que passa derretendo geleiras causando mudanças drásticas de clima dentre outros problemas ambientais O maior responsável pela mudança de temperatura no planeta é o combustível fóssil Então é necessário que haja uma alternativa viável para a substituição da gasolina e do petróleo e um desses candidatos seria o gás hidrogênio Altamente reativo e leve o composto gasoso seria perfeito demais para o uso de deslocamento de veículos e para o uso industrial Inclusive o gás hidrogênio já é utilizado em foguetes e tecnologias espaciais e um dos motivos para isso seria por que o hidrogênio tem a mais alta energia por unidade de peso comparativamente com qualquer combustível uma vez que o hidrogênio é o elemento mais leve e não tem pesados átomos do carbono CRIZOL 2020 Entretanto a implementação desse combustível apresenta alguns obstáculos Por exemplo para manter o combustível armazenado adequadamente e realizar ele trólise na água muito capital precisa ser investido o que pode acarretar o encareci mento do produto e dificuldade na comercialização Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 62 Cadernos de Graduação 2 HIDROGÊNIO O hidrogênio é o elemento mais abundante no Universo e o mais leve sendo tam bém o mais simples da tabela periódica de Mendeleiev Localizado na família 1 da tabela periódica na sua forma fundamental possui apenas um elétron que orbita o seu núcleo O hidrogênio normalmente existe combinado com outros elementos como o oxigênio na água e o carbono no metano Como é quimicamente muito ativo rara mente permanece elementarmente puro LEPECKI 2011 A molécula de água é composta por 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de oxigê nio A água apresenta propriedades bem peculiares como por exemplo a tensão super ficial Outra propriedade é que esse líquido é caracterizado como um solvente universal A molécula do hidrogênio apresenta temperaturas de fusão e ebulição muito baixas o que justifica o seu estado gasoso na temperatura ambiente A propriedade mais interessante a ser estudada é o seu poder de combustão Essa substância quí mica é capaz de queimar da mesma forma que se queima Gás Liquefeito de Petróleo GLP e a chama pode atingir a temperatura de 2400C ultrapassando a temperatura do gás natural e da gasolina ao sofrerem combustão A quantidade de energia liberada durante a reação do hidrogênio é cerca de 25 vezes do poder de combustão de um hidrocarboneto gasolina gasóleo metano propano etc SANTOS SANTOS 2005 Apesar de ser o elemento mais abundante no universo o hidrogênio na forma de gás existente em nosso planeta tem a massa equivalente a aproximadamente 088 do peso da terra mas existe a possibilidade de realizar eletrólise na água gerando como produto H2 e O2 O processo de eletrólise consiste na separação de compostos químicos usando a eletricidade Esse processo ocorre de forma não espontânea ou seja não pode ser observado pela natureza 2 H2O eletricidade 2 H2 O2 A forma mais utilizada no mundo para a produção de hidrogênio em escala in dustrial é a reforma do vapor que faz uso da energia térmica para realizar a separação do carbono e do hidrogênio contido no metano ou metanol 21 COMBUSTÃO DO HIDROGÊNIO Outro aspecto que deve ser observado é o produto de combustão do combus tível Hidrogênio A reação de combustão é representada por 2 H2g O2g 2 H2Ol Desta reação o produto obtido é água na forma líquida A partir disso é possível analisar que a queima de gás hidrogênio não libera gases poluentes como por exem Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 63 plo monóxido de carbono CO também o produto gerado dessa reação é justamen te a matéria prima utilizada para a extração do combustível 22 CÉLULAS DE HIDROGÊNIO A célula de combustível é um dispositivo capaz de transformar a energia quí mica produzida pelas reações em energia elétrica desde que haja um combustível hidrogênio e um oxidante oxigênio A célula funciona da seguinte forma Ligados a uma bateria os dois eletrodos anodo e catodo farão a separação dos íons enquanto o eletrólito atua como a uma ponte por onde esses íons atravessam FIGURA 1 Figura 1 Esquematização de uma célula de combustível Fonte Alves 2012 No entanto apenas uma célula de combustível é insuficiente para produzir uma quantidade significativa de energia Por isso uma pilha de combustível é constituída por uma associação em série de células de combustível uma vez que cada célula in dividual produz apenas uma tensão aproximada de 08 V SANTOS SANTOS 2005 e essa funcionalidade faz que haja a capacidade de se criar pilhas para diferentes usos seja para uso de máquinas pequenas até máquinas de grande porte As células podem ser classificadas em dois tipos a que tem alta temperatura de funcionamento e a que tem baixa e média temperatura de funcionamento mas tam bém existem células que não se encaixam nessas classificações pelo motivo de terem características híbridas As células de baixa e média temperatura podem gerar potên cias de 250 kW e chegam a temperaturas de 250C enquanto as pilhas de alta tem peratura podem chegar à potência de 2MW com temperaturas maiores que 600C 3 ARMAZENAMENTO Para que seu uso aconteça com segurança os sistemas de armazenamento precisam ser evoluídos sendo mais práticos para automóveis Mesmo que ele possa ser estocado em forma líquida esse processo requer muita energia cerca de 25 a 30 de sua energia pois o hidrogênio tem que ser resfriado até 253ºC e exige materiais Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 64 Cadernos de Graduação e manipulação especiais Para o resfriamento de 05 kg de hidrogênio é necessário cerca de 5 KWh de energia elétrica por isso o ideal seria estocar o hidrogênio em forma de gás pois utiliza menos energia Para ser armazenado em estado gasoso ele precisa ser pressurizado assim conseguindo pelo menos uma quantidade razoável Um método bem mais eficiente de armazenamento é na forma de hidretos Certas ligas metálicas como as de magnésio níquel magnésio cobre e ferro ti tânio absorvem hidrogênio e quando aquecidos o liberam No entanto os hidretos armazenam pouca energia por unidade de massa 31 PERIGOS DE ARMAZENAMENTO Quando ele entra em contato com o flúor e com o cloro mas em especial com o flúor a reação tornase tão rápida e tão imprevisível e consequentemente incontrolável reagindo violentamente A sua despressurização acontece rapidamente podendo provocar até inflamação visto que a sua expansão ser acima de 40C podendo ocorrer até um aquecimento Todas as suas características o colocam num patamar de utilização como combustível bastante privilegiado mas essas mesmas características trazem alguns perigos ao ser humano devido à extrema sensibilidade para se detonar Para sua utilização em público o hidrogênio teria que ser manuse ado semelhantemente à forma que os combustíveis normais são manuseados sem nenhum risco As propriedades físicas relevantes para a segurança do hidrogênio são comparadas com as da gasolina gás de petróleo liquefeito GPL e o metano 32 DEMAIS USOS O hidrogênio pode ser usado de outras formas e em outros setores além de transportes Este já começou a ser utilizado em grande escala desde o século XIX onde desde essa época já foi visto que ele tinha um grande potencial no entanto no desastre do zeppelin Hindenburg em 1937 novas precauções para larga escala de utilização foram tomadas A agência espacial dos EUA NASA usa o hidrogênio em seus projetos espaciais abastecendo seus foguetes pois estes exigem características não adquiridas com ou tros combustíveis tais como o baixo peso a capacidade de compactação e grande armazenamento de energia Quando utilizado em células a água que resulta do pro cesso é consumida pelos astronautas A maioria do hidrogênio que é produzido no mundo é utilizado como matéria prima na fabricação de produtos como fertilizantes conversão de óleo líquido em margarina fabricação de plásticos e arrefecimento de geradores e motores devido à sua elevada condutibilidade térmica Quantidades elevadas de hidrogênio são utilizadas no processo Harber para a produção de amônia o quinto composto mais produzido no mundo industrial e na produção de ácido clorídrico HCl Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 65 Alguns automóveis do mercado já foram desenvolvidos para utilizar o hidrogê nio sua queima é 50 de eficiência a mais que a gasolina e ainda que a queima gere alguns óxidos de nitrogênio NOx gera menos poluentes que a queima dos combus tíveis fósseis petróleo carvão Pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas na geração de energia elétrica térmica e de água pura por meio das células a combustível Futuramente o hidrogê nio pode fornecer eletricidade e combustível para os setores residencial comercial industrial e de transporte criando uma economia energética 4 IMPACTOS GERAIS 41 IMPACTOS AMBIENTAIS DA CÉLULA DE HIDROGÊNIO Uma célula de combustível é semelhante a uma bateria em alguns aspectos No entanto quando a bateria armazena energia a célula a combustível gera sua própria energia Ele usa uma fonte de combustível neste caso hidrogênio para reagir quimicamente com o oxigênio do ar para gerar uma carga elétrica Essa eletricidade pode então ser usada para alimentar máquinas ou no caso de veículos de consumo para alimentar diretamente o trem de força ou para complementar baterias recar regáveis e em seguida alimentálas Ao contrário das alternativas de combustão o desperdício desse processo é apenas uma pequena quantidade de calor e água H2O Portanto é uma tecnologia de emissão zero 411 Benefício da Célula de Hidrogênio Além de emissões zero o hidrogênio é um combustível sustentável em compa ração com as alternativas aos combustíveis fósseis Muitas usinas de hidrogênio fun cionam com energia solar ou eólica e usam eletrólise para extrair hidrogênio da água até mesmo da água do mar A pegada de carbono desse método é muito baixa e o único gás liberado no ar durante o processo de fabricação é o oxigênio O hidrogênio puro produzido desta forma é muito adequado para uso em baixas temperaturas como em células a combustível automotivas Outra vantagem da tecnologia de células de combustível sobre outros concor rentes de baixa emissão ou emissão zero é que as baterias podem gerar muita ener gia para dispositivos relativamente pequenos Isso significa que os carros que usam hidrogênio como fonte de combustível devem ser capazes de viajar distâncias mais longas do que os carros totalmente elétricos 412 Dificuldades da Célula de Hidrogênio No entanto embora haja vitórias óbvias no uso do hidrogênio como tipo de combustível para carros há uma barreira particular que está impedindo os fabrican Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 66 Cadernos de Graduação tes de produzir veículos movidos a hidrogênio no mercado de massa no momento acessibilidade Infelizmente a infraestrutura não está pronta para dar suporte a carros de consumo em grande escala Há uma nítida falta de pontos de reabastecimento Outra barreira possível é a segurança O hidrogênio é um gás altamente infla mável seu transporte e a instalação de soluções de armazenamento seguros são empreendimento caros pelo menos inicialmente Há vantagens no fato de que não é tóxico ao contrário da gasolina e do diesel e se dissipa rapidamente mas precisa ser manuseado com cuidado o que requer equipamentos especializados que a gran de maioria dos postos de combustível convencionais não suportam atualmente 413 O Programa Brasileiro de Célula a Combustível e Hidrogênio O Programa Brasileiro de Hidrogênio e Sistemas Células a Combustível inicial mente denominado PROCAC foi elaborado em 2002 pelo Ministério da Ciência e da Tecnologia MCT com a participação de universidades centros de pesquisa e empresas brasileiras com o objetivo de promover ações integradas e cooperadas que viabilizem o desenvolvimento nacional da tecnologia de hidrogênio e de sistemas célula a combustível habilitando o país a se tornar um produtor internacionalmente competitivo nesta área Com ele pretendese ainda apoiar o estabelecimento de in dústria nacional para produção e fornecimento de sistemas energéticos com células a combustível LINARD 2008 Entre os vários desafios identificados além do desenvolvimento da tecnologia das células estão a produção o armazenamento e a distribuição do hidrogênio a capacitação de recursos humanos regulação quanto à segurança e padronização e necessidade de parcerias entre instituições do governo setor industrial setor de ser viços ONG etc Em 2005 o PROCAC passou a ter nova denominação passando a se chamar Programa de Ciência Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio com a sigla PROH2 LINARD 2008 O programa é estruturado por meio da formação de redes de pesquisa e desenvol vimento abrangendo todo o território nacional Nesse sentido o programa garante o uso mais racional dos recursos investidos e antecipa o alcance dos objetivos LINARD 2008 Devido a vários fatores como o desenvolvimento de novos materiais e a cres cente demanda por energia limpa e eficiente a tecnologia de células de combustível se desenvolveu nos últimos 40 anos Como tecnologia madura e comercializável podese citar o Phosphoric Acid Battery System PAFC da Tempo Universal Coorde nado UTC No entanto somente quando outros concorrentes oferecem sistemas semelhantes no mercado podemos falar sobre o verdadeiro sucesso econômico A perspectiva de baterias de alta temperatura operacional é certamente promissora mas ainda não há oferta em larga escala desse tipo de sistema no mercado A tec nologia de bateria PEMFC não é apenas adequada para aplicações em veículos mas também para dispositivos fixos de pequeno e médio porte residências hospitais etc e aplicativos portáteis laptops e telefones celulares Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 67 O Brasil está formulando um roteiro de economia do hidrogênio e estabele ceu um plano nacional de pesquisa e desenvolvimento para células a combustível e tecnologia de hidrogênio Atualmente várias instituições brasileiras atuam na área de pesquisa e desenvolvimento e diversos projetos estão em andamento A nova empre sa lançou produtos adequados para esta nova tecnologia Electrocell Unitech Novo cell etc O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN tem desempenhado um papel importante no cenário nacional de desenvolvimento desta tecnologia A cidade de São Paulo não precisa esperar muito para ver ônibus movidos a baterias de energia circularem por suas ruas As Nações Unidas e o governo brasileiro assinaram um ambicioso projeto ambiental por meio do Ministério de Minas e Ener gia O projeto visa a utilização de vários ônibus movidos a hidrogênio na cidade de São Paulo e a utilização de tração elétrica PEMFC no transporte público 42 IMPACTOS SOCIOECONÔMICOS O hidrogênio está prestes a mudar a nossa realidade Desde o abastecimento de automóveis até ao aquecimento de casas estamos a caminhar para uma sociedade baseada no hidrogénio Ao contrário de outras fontes de energia esta produz apenas água e é fácil de armazenar e transportar em grandes quantidades São necessários sistemas sustentáveis para substituir os combustíveis fósseis que estão a ter um efeito negativo no nosso ambiente O hidrogênio promete ter o maior impacto na descar bonização sendo uma alternativa segura que nos aproxima de uma sociedade mais limpa A Sociedade do Hidrogênio sd O hidrogênio oferece grande potencial para ajudar a tornar o setor de energia mais verde e diversificar a economia mundial No entanto o desenvolvimento da tecnologia precisa de ser apoiado por políticas específicas e uma maior cooperação entre os governos e a indústria para garantir que todos possam se beneficiar dela De acordo com a Organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento In dustrial UNIDO o hidrogênio é a substância química mais abundante no universo e o seu potencial reside no facto de poder ser armazenado Segundo o representante este tipo de inovação pode melhorar vidas fortalecer negócios e ajudar a enfrentar grandes desafios globais como a mudança climática ONU 2019 Os avanços atuais na produção de hidrogênio por meio de eletrólise e tecno logias relacionadas oferecem soluções holísticas para reduzir as emissões globais de dióxido de carbono A Unido considera que a transição para sociedades de hi drogênio representa uma verdadeira mudança de paradigma na área de armazena mento de energia mais eficiente especialmente para energia renovável em escala industrial ONU 2019 A agência destaca ainda que à medida que a tecnologia avança nessa área o en quadramento político e regulatório não tem acompanhado esta evolução Por isso con sidera que é necessária uma parceria contínua entre o governo a indústria e a academia Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr 68 Cadernos de Graduação 5 CONCLUSÃO Em suma como conclusão do raciocínio que foi apresentado neste artigo a inserção do hidrogênio como combustível comum seria viável e a maior dificulda de está presente em problemas logísticos no quesito de transporte e segurança do produto As células de energia apresentam diversos benefícios e com certeza afetará positivamente a atmosfera do nosso planeta O que seria necessário no momento para que tal substituição comece a ocorrer seria um investimento significativo na área de pesquisa para que seja possível encon trar formas de baratear o custo desse combustível sem contar que carros movidos a hidrogênio ainda estão em fase inicial de desenvolvimento mas em um futuro pró ximo tal tecnologia possa ser acessível para pessoas comuns no entanto até essa tecnologia chegar a um custo razoável a humanidade precisa continuar com formas alternativas de se evitar a produção de gases poluentes REFERÊNCIAS A SOCIEDADE do Hidrogênio Disponível em httpswwwtoyotaptveiculosa hidrogeniosociedadedohidrogeniojson Acesso em 1 jul 2021 CRIZOL André A Z Gerador de Hidrogênio construção vantagens e aplicações no motor à combustão 2020 Trabalho de Conclusão Graduação Curso de Engenharia Mecânica Centro Universitário do Sul de Minas Varginha 2020 Disponível em httprepositoriounisedubrbitstreamprefix14961TCC André Adrid Zanatelle Crizol Revisão Final 1pdf Acesso em 28 maio 2021 JANAÍNA Alves O que é célula a combustível São Paulo 28 out 2012 Disponível em httpwwwuspbrportalbiossistemasp4316 Acesso em 20 mar 2021 LEPECKI W A energia nuclear e a economia do hidrogênio Parte I INEE jan 2011 Disponível em httpwwwineeorgbrdownloadseficienciaEconomia HidrogenioLepeckipdf Acesso em 28 mar 2021 LINARD Marcelo Hidrogênio e células a combustível Mar 2008 Disponível em httpsecencomeee66eee66phidrogenioecelulasacombustivelhtm Acesso em 6 jun 2021 ONU News ONU defende utilização do hidrogénio para reduzir energias poluentes 23 abr 2019 Disponível em httpsnewsunorgptstory2019041669171 Acesso em 5 jun 2021 Ciências exatas e tecnológicas Aracaju v 7 n1 p 6069 Outubro 2021 periodicossetedubr Cadernos de Graduação 69 SANTOS Fernando M SANTOS Fernando A Combustível hidrogénio Revista Millenium n 31 maio 2005 Disponível em httpsrepositorioipvpt handle1040019435 Acesso em 28 mar 2021 1 Acadêmica do curso de Engenharia Mecatrônica Email mariafborgessouunitcombr 2 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica Email saulojramossouunitcombr 3 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica Email gabrielmenesessouunitcombr 4 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica Email arthursilvestresouunitcombr 5 Mestre Professor Email diegofarosouunitcombr Data do recebimento 21 de maio de 2021 Data da avaliação 9 de julho de 2021 Data de aceite 9 de julho de 2021