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Em um mundo de temperaturas cada vez mais quentes, um consenso crescente exige que as fontes de energia tenham zero, ou quase zero, emissões de carbono. Isso significa crescer além do carvão, petróleo e gás natural, obtendo mais energia de fontes renováveis.
Um dos portadores de energia renovável mais promissores é o hidrogênio limpo, que é produzido sem combustíveis fósseis.
É uma ideia promissora porque o elemento mais abundante no universo é o hidrogênio, encontrado em 75% de toda a matéria. Além disso, uma molécula de hidrogênio tem dois átomos emparelhados – gêmeos de Gêmeos que são não tóxicos e altamente combustíveis.
O potencial combustivo do hidrogênio o torna um assunto atraente para pesquisadores de energia em todo o mundo.
No Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), uma equipe está investigando o hidrogênio como um meio para armazenar e liberar energia, principalmente quebrando suas ligações químicas. Muito de seu trabalho está vinculado ao consórcio Hydrogen Materials-Advanced Research (HyMARC) no Departamento de Energia (DOE).
Armazenamento de hidrogênio ainda não otimizado
Um foco de pesquisa do PNNL está relacionado à otimização do armazenamento de hidrogênio, uma questão teimosa. Até o momento, não existe uma maneira completamente segura, econômica e energeticamente eficiente de armazenar hidrogênio em grandes escalas.
Pesquisadores do PNNL foram recentemente coautores de um artigo que investiga uma solução de bicarbonato de sódio como meio de armazenar hidrogênio. O estudo já foi apelidado de “artigo quente” pela própria revista, Química verde, publicado pela Royal Society of Chemistry. Isso significa que teve muitos cliques mostrando interesse.
Os esforços de armazenamento baseados em hidrogênio no PNNL são financiados pelo Escritório de Tecnologias de Células de Combustível e Hidrogênio do DOE no Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE). A pesquisa avança a iniciativa H2@Scale do DOE, bem como o Hydrogen Shot da agência.
Os dois principais autores do novo artigo são o químico e bolsista de laboratório do PNNL Thomas Autrey e seu colega Oliver Gutiérrez, especialista em tornar as reações químicas rápidas e econômicas.
“Você tem que ser um pouco criativo”, disse Autrey, que se diverte com o quão comum, barato e leve o bicarbonato de sódio é uma resposta potencial para um grande problema. “Nem todo produto químico será eficiente em armazenar hidrogênio. Você tem que trabalhar com o que a Mãe Natureza lhe dá.”
Hidrogênio limpo para necessidades energéticas de longo prazo
Autrey, Gutiérrez e outros do PNNL veem o armazenamento de energia de longa duração como a chave para o futuro do hidrogênio como portador de energia renovável.
A tecnologia atual da bateria é projetada para várias horas de armazenamento. Em uma rede de energia renovável, as baterias podem atender a cerca de 80% das necessidades de armazenamento.
Mas “os últimos 20% terão abordagens únicas”, disse Autrey. “Vamos querer armazenar o excesso de energia para estarmos preparados para Dunkelflaute.”
Essa é uma palavra alemã que descreve condições sem potencial suficiente de energia solar e eólica. Durante os períodos escuros e sem vento de Dunkelflauteas redes precisam de uma maneira de armazenar energia por mais do que apenas algumas horas.
Capacidade de armazenamento sazonal como esta é uma das atrações do hidrogênio. Assim como o fato de que o armazenamento de hidrogênio pode acontecer em qualquer lugar que seja “geograficamente agnóstico”, como dizem os especialistas. A energia hidrelétrica, por exemplo, requer diferenças de altitude para armazenar o excesso de água para gerar energia. O armazenamento de hidrogênio não requer condições especiais relacionadas à geografia.
Além disso, disse Autrey, à medida que as escalas aumentam, o hidrogênio se torna mais econômico. É mais barato comprar alguns tanques adicionais de armazenamento de hidrogênio do que muitas baterias.
Encontrando a melhor forma de armazenamento de hidrogênio
O hidrogênio limpo é uma grande promessa como fonte de energia. Um processo chamado eletrólise, por exemplo, pode dividir a água em hidrogênio e oxigênio. No melhor dos mundos, a energia para eletrólise viria de fontes de energia renováveis, incluindo solar, eólica e geotérmica.
No entanto, há um desafio teimoso: produzir hidrogênio de forma mais barata.
Para resolver isso, em 2021, o DOE anunciou sua iniciativa Energy Earthshots, uma série de seis etapas para subscrever avanços em tecnologia de energia limpa. Introduzido primeiro foi o Hydrogen Shot, uma busca para reduzir o custo do hidrogênio de US$ 5 para US$ 1 por quilo em uma década – uma redução de 80 por cento.
Além de reduzir os custos de produção de hidrogênio limpo, “você precisa descobrir como movê-lo e armazená-lo”, disse Autrey, que são medidas que podem fazer os preços voltarem a subir.
Mas encontrar o meio ideal para armazenamento de hidrogênio tem sido difícil.
O hidrogênio pode ser comprimido em um gás, mas isso requer pressões muito altas – até 10.000 libras por polegada quadrada. Um tanque de armazenamento seguro precisaria de paredes de aço muito grosso ou fibra de carbono cara para uso espacial.
Que tal hidrogênio líquido criogênico? Este é um meio de armazenamento comprovado, mas requer obter e manter algo tão frio (-471 F ou -279,4 C) que os custos periféricos de energia são significativos.
O que parece ser mais promissor são moléculas líquidas, otimizadas para armazenar e liberar hidrogênio. Jamie Holladay, especialista em energia sustentável, dirigiu recentemente uma pesquisa liderada pelo PNNL sobre estratégias mais simples e eficientes para liquefazer o hidrogênio.
O uso desses líquidos como meio de armazenamento tem a vantagem de manter a infraestrutura de energia existente, incluindo dutos, caminhões, trens e navios transportadores, disse Gutierrez.
O ciclo bicarbonato-formato
Quer assar biscoitos? Ou armazenar energia de hidrogênio? Bicarbonato de sódio pode ser o bilhete. Este sal de sódio suave e barato de bicarbonato não é tóxico e é abundante na Terra.
Não exatamente bicarbonato de sódio. A equipe do PNNL está investigando as propriedades de armazenamento de energia do hidrogênio do ciclo de bicarbonato-formato há muito estudado. (O formato é uma molécula orgânica líquida suave e segura.)
Veja como funciona: Soluções de íons de formato (hidrogênio e dióxido de carbono) em água carregam hidrogênio com base em formato de metal alcalino não corrosivo. Os íons reagem com a água na presença de um catalisador. Essa reação transforma o hidrogênio e os bicarbonatos no “bicarbonato de sódio” que Autrey admira por sua ausência de impactos ambientais.
Com os ajustes suaves certos na pressão, o ciclo bicarbonato-formato pode ser revertido. Isso fornece um botão liga/desliga para uma solução aquosa que pode armazenar ou liberar hidrogênio alternadamente.
Antes do bicarbonato de sódio, a equipe de armazenamento de hidrogênio do PNNL via o etanol como um transportador de hidrogênio orgânico líquido, o termo geral da indústria para meios de armazenamento e transporte. Em conjunto, eles desenvolveram um catalisador que libera o hidrogênio.
Catalisadores são aditivos de design que aceleram os processos usados para fazer e quebrar ligações químicas de maneira eficiente em termos de energia.
Em maio de 2023, para um projeto relacionado ao esforço PNNL, o EERE concedeu à OCOchem de Richland, Washington, US $ 2,5 milhões em financiamento ao longo de dois anos para desenvolver um processo eletroquímico que produz formato e ácido fórmico a partir do dióxido de carbono. O processo ligaria o dióxido de carbono com o hidrogênio localizado na ligação química icônica da água, H2O.
Em uma parceria que está começando, o PNNL desenvolverá maneiras de liberar o hidrogênio dos produtos OCOchem.
Armazenamento de hidrogênio que ‘parece água’
No mundo da pesquisa de armazenamento de hidrogênio, o ciclo bicarbonato-formato criou um burburinho por algum tempo. Afinal, é baseado em materiais abundantes, não inflamáveis e não tóxicos.
O ciclo é construído em uma solução de armazenamento aquosa tão leve que “parece água”, disse Autrey. “Você pode apagar um incêndio com ele.”
Mas para que os sais de bicarbonato de formato se tornem um meio viável de armazenar energia de hidrogênio, os pesquisadores ainda devem desenvolver cenários economicamente viáveis. Até agora, a tecnologia armazena hidrogênio em apenas 20 quilos por metro cúbico, em comparação com o padrão industrial de hidrogênio líquido de 70.
Mais fundamentalmente, disse Autrey, os pesquisadores precisam de uma compreensão em nível de sistema da eletroquímica e da catálise necessárias. Em termos de engenharia, até o momento, a ideia de um ciclo bicarbonato-formato viável tem um baixo nível de prontidão técnica.
“Se resolvermos os problemas de catálise”, acrescentou, “poderíamos obter algum interesse real.”
‘Uma coisa brilhante incrível’
No lado positivo, as soluções salinas consideradas no PNNL liberam hidrogênio ao reagir com água. Eles também operam em temperaturas moderadas e baixas pressões.
Em teoria, pelo menos, como Autrey e Gutiérrez descrevem em seu artigo de 2023, o ciclo bicarbonato-formato representa “uma alternativa verde viável para armazenar e transportar energia” do hidrogênio.
A ideia do bicarbonato de sódio também está no nexo do que o artigo de 2023 chama de “vários desafios científicos urgentes”.
Entre eles estão como fazer um meio de armazenamento de hidrogênio a partir do excesso de dióxido de carbono capturado. E até mesmo usar o mesmo meio para armazenar elétrons, o que oferece a promessa de células de combustível de formato direto.
Além disso, o trabalho do PNNL pode fornecer insights para a catálise na fase aquosa (água). Por enquanto, a equipe do PNNL está usando o paládio como candidato a catalisador. Seus esforços incluem encontrar maneiras de tornar o metal raro mais estável, reutilizável e de vida mais longa.
Ao todo, a ideia do bicarbonato de sódio “é uma coisa incrível e brilhante” para armazenamento de hidrogênio, disse Autrey. “O que é emocionante são as possibilidades.”
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