Hidrogênio, o combustível do futuro? Aprenda mais sobre isso e descubra como produzir Hidrogênio a partir da água.

— Você sai do trabalho, com a cabeça cheia, entra no seu carro e pega a estrada para casa, no meio do caminho eis que o destino lhe apronta uma: o tanque ta ficando vazio e nenhum sinal de posto por perto! Muitas pessoas já passaram por situações parecidas, se ao menos o carro dessas pessoas fossem mais econômicos, ou autossustentáveis nada disso teria acontecido.

Por que buscar fontes alternativas de energia?

Existem várias e várias pesquisas que dizem que os combustíveis fósseis, que compõem grande parte da matriz energética do mundo, são finitos, um dia irão acabar se a extração dos mesmos continuar no ritmo que está, mas não é só isso, existe também o problema de que o uso desses combustíveis libera gases prejudiciais ao ambiente. Adjunto com essas duas complicações vem o problema do preço, apesar de ainda ser uma fonte “barata” de energia no futuro isso poderá mudar, tornando insustentável o nosso atual sistema baseado em combustíveis fósseis.  Agora, imagine você em um cenário onde o seu carro, ainda movido a gasolina, gasta algumas centenas de reais para percorrer alguns quilômetros, talvez essa seja uma previsão um pouco exagerada, ou talvez não...

É um fato que os combustíveis fósseis um dia irão acabar e é mais fato ainda que se queimarmos todo o combustível fóssil das reservas o nosso planeta passará por sérias transformações climáticas que mudará totalmente a vida na terra como a conhecemos, por conta disso um grande número de pesquisadores e grupos estão em uma corrida para encontrar uma alternativa substituta dessas fontes de energia, diversas já surgiram, e muitas outras estão sendo desenvolvidas, são as fontes renováveis, o problemas é que todas apresentam alguma complicação. A energia da biomassa, que tem o etanol e o biodiesel como exemplos, apesar de muito promissora envolve questões ambientais nem um pouco fáceis de sanar, como por exemplo, desenvolver uma maneira de obter mais biomassa sem ter a necessidade de derrubar florestas para transformar em canaviais. Outras alternativas de fontes energéticas renováveis são as fontes eólicas, fotovoltaicas e das marés que além de serem 100% renováveis são muito abundantes e o impacto ambiental é quase inexistente, então qual o problemas delas? Bom... o problema está nas máquinas e dispositivos usados atualmente para captar e converter tais energias, nossa tecnologia quanto a isso é relativamente recente tornando o processo de manufatura (produção das máquinas e dispositivos)  muito caro, tanto economicamente quanto ambientalmente.

Outra fonte de energia alternativa recente é o Hidrogênio, existem inúmeros projetos a cerca desse assunto que pode se revelar uma ótima solução para a crise energética eminente, porém, como todas as anteriores essa fonte também apresenta suas vantagens e desvantagens, veja algumas:

Vantagens:

1.  É o elemento químico mais abundante;

2.  Possui grande densidade energética;

3.  Não é tóxico;

4.  É um subprodutos de reações que são regeneráveis;

5.  A combustão do Hidrogênio não emite gases poluentes e sim água;

6.  Desenvolvimento econômico, crescimento e criação de postos de trabalho;

7.  A própria água é uma ótima fonte de Hidrogênio devido a sua abundância;

Desvantagens:

1. Até o memento não se conseguiu produzir Hidrogênio a um baixo custo;
2. Não se encontra isolado na Natureza;
3. Até o momento inexiste uma boa relação preço-eficiência;
4. Problemas e custos associados ao transporte e distribuição.

Maneiras de obter Hidrogênio

O fato de o Hidrogênio ser o elemento químico mais abundante do universo não facilita a sua obtenção aqui na Terra, a sua quantidade em nosso planeta é imensa, mas está em sua maior parte ligado com outros elementos formando compostos que necessitam passar por algum processo de separação para a obtenção do gás H₂.

Hoje em dia a obtenção do hidrogênio para uso industrial, em sua maior parte, é feita através de reações químicas que usam metano (CH₄) como matéria prima, o problema é que esse metano é oriundo do gás natural que é um combustível fóssil fazendo com que a sustentabilidade desse método não exista. Há pesquisas que visam obter Hidrogênio do metano proveniente de biodigestores.

Outra forma de se obter Hidrogênio envolve reações entre metais e soluções aquosas de ácidos ou báses, um bom exemplo disso é a reação entre o alumínio e uma solução de água com soda caustica que libera uma boa quantidade de gás. Uma outra opção é a reação entre algumas ligas metálicas e água, veja aqui e aqui. O problema envolto nessas opções é o fato de que os reagentes usados são provenientes de processos industriais que consomem muita energia e, além disso, após as reações  alguns resíduos são gerados, tais resíduos podem ser reciclados para retornarem ao status de reagente mas pra isso mais energia será consumida.

A eletrólise da água é um outro processo usado para se produzir gás Hidrogênio, essa reação ocorre quando passamos uma corrente elétrica contínua pela água, que por ser uma péssima condutora faz-se necessário acrescentar um eletrólito, um soluto iônico que pode ser um sal, uma base ou um ácido, tornando o meio aquoso um condutor. O processo de eletrólise decompõe a molécula de água quebrando as ligações existentes entre seus átomos gerando dois gases, Oxigênio (O₂) e hidrogênio (H₂). Se você fizer uma breve pesquisa na internet sobre o uso do Hidrogênio como combustível irá ver que muitas pessoas são adeptas à ideia de que um equipamento de eletrolise instalado em um automóvel para quebrar a molécula de água e injetar o Hidrogênio junto com a mistura de admissão para serem queimados no motor proporciona uma significativa economia no combustível, até já existem equipamentos que fazem isso sendo vendidos prometendo melhor desempenho do motor e uma ótima economia no combustível, os preços variam de algumas centenas até alguns milhares de reais. “Carro movido á água! Nossa preciso comprar esse equipamento”... cuidado ou você poderá ser vítima de charlatanismo, isso não existe, não da maneira como estão falando. Mais pra frente ensinaremos a montar um equipamento de eletrolise para produzir Hidrogênio e falaremos mais sobre esse assunto.

Formas de utilizar o Hidrogênio como combustível

Atualmente, apesar de comprovada a sua eficiência, o Hidrogênio ainda não é utilizado como fonte de energia fora das pesquisas, pois os processos disponíveis para se obter tal gás consomem mais energia do que se consegue gerar utilizando-o.

Dificuldades a parte, como será que o hidrogênio pode ser utilizado como fonte de energia? Bom, basicamente são três os processos mais usuais para se “extrair” a energia contida nas moléculas de Hidrogênio.

O primeiro método acontece utilizando-se motores de combustão interna (iguais aos usados para gasolina), onde o gás Hidrogênio é misturado com Oxigênio para efetuar a combustão convertendo a energia química dos reagentes em energia mecânica que pode ser usada, por exemplo, para mover um automóvel, porém, por ser uma máquina térmica sempre haverá perdas energéticas nesse processo, impedindo que o aproveitamento energético chegue a 100%.

A segunda maneira de utilizar o Hidrogênio como fonte de energia é através das pilhas (ou células) a combustível, essa tecnologia se baseia nos transdutores eletroquímicos, de operação contínua, que converte energia química em energia elétrica ao combinar um átomo de oxigênio com dois átomos de hidrogênio produzindo energia elétrica e energia térmica presente no vapor de água produto da reação. Ela opera com elevada eficiência energética, pois converte diretamente energia química em energia elétrica sem as perdas da conversão da energia química em energia térmica para posterior conversão em energia elétrica, como acontece nos sistemas que utilizam motores a combustão interna. Uma outra vantagem da utilização dessa tecnologia é a flexibilidade na construção de baterias (compostas pela união de várias células) de maneira a atender um ponto de consumo, reduzindo, dessa forma, as perdas de energia que se tem nas longas redes de distribuição dos sistemas convencionais.

Um exemplo de célula a combustível.

A terceira forma que iremos apresentar para utilizar o Hidrogênio como fonte de energia apresenta uma vantagem ambiental que as demais não têm, nessa terceira opção o Hidrogênio reage com dióxido de carbono formando metano e água, essa reação recebe o nome de hidrogenação catalítica ou reação de Sabatier, ou seja, o que será usado como combustível será um gás composto de Hidrogênio e Carbono. Veja mais sobre a reação de Sabatier.

Construindo um eletrolisador para produzir Hidrogênio

Como já foi dito anteriormente, a eletrolise da água é um processo que quebra a molécula de H₂O gerando gás Hidrogênio e Oxigênio separados, cada qual em um eletrodo, para que essa separação ocorra é necessário que se passe uma corrente elétrica na água, o esquema de funcionamento de um eletrolisador simples é apresentado a seguir:

Quando o circuito é fechado permitindo que a corrente elétrica circule pela água pode-se observar a formação de gás nos dois eletrodos, mais em um do que em outro, isso se deve pelo fato de que a molécula de água é composta por duas partes de Hidrogênio e uma de Oxigênio, sedo que o primeiro se forma no eletrodo negativo e o segundo no positivo. O modelo que construímos se baseia justamente na imagem apresentada acima, ele é composto por um recipiente que armazena a solução eletrolítica e dois tubos que captam os gases produzidos de maneira separada, veja a explicação no vídeo abaixo:

Os materiais usados para a confecção do nosso equipamento são de baixo custo e muito fáceis de encontrar, veja:

Materiais:

20 cm de cano de PVC 100 mm;

40 cm de cano de PVC 40 mm;

2 tampões para cano de 100;

2 tampões para cano de 40;

duas chapinhas de alumínio;

40 cm de arame de aço inox;

4 parafusos finos com porca;

2 arruelas finas de borracha;

4 arruelas de metal;

dois pedaços de tubo de plástico duro e fino;

cola durepox;

Primeiramente dividimos o cano de 40 em dois pedaços com 20 cm cada, esses pedaços serão responsáveis por acomodar os eletrodos (um em cada) e também por acumular o gás liberado, depois faz-se dois buracos nos tampões de cano 100 de modo que os canos de 40 entrem um pouco apertado, devemos encaixar em uma das extremidades dos canos mais finos os tampões adequados a eles. veja as imagens a seguir:

Os tampões menores deverão ser totalmente encaixados. Após a montagem o resultado deverá ser algo desse tipo:

ao terminar a etapa anterior podemos então seguir em frente, agora, vamos fixar os eletrodos e as saídas de gás, na montagem desse eletrolisador foi utilizado a parte de plástico de duas pontas de prova de um aparelho de teste, elas dão uma boa saída de gás por terem um anel que em nosso caso servirá pra impedir que a saída se descole ao enfiar a mangueira. Para fixar esse componente teremos que fazer dois buracos (um em cada tampão menor), os buracos deverão ser feitos de modo que os tubos entrem apertados, após, pela parte de dentro, devemos colocar a massa de durepox de maneira a fixar o tubo de saída e tapar os espaços por onde o gás possa vazar. A parte do eletrodo é simples, as chapinhas de alumínio devem ser entortadas em um formato de "L" e deverão ter, próximo a cada uma das extremidades, um pequeno furo pra passar os parafusos, esse furo também deverá ser feito nos tampões de 40. Veja a figura e as imagens a seguir para entender como os eletrodos são fixados juntos com as saídas de gás:

observem os detalhes dos anéis nos tubos.

Esse esquema mostra como as partes se encaixam, é importante que os parafusos fiquem bem apertados.

Aqui pode-se ver os eletrodos fixados nas chapinhas de alumínio.

Observe o detalhe na ponta dos eletrodos, isso aumenta a superfície onde ocorre as reações de eletrolise aumentando a eficiências do equipamento. nesse caso os eletrodos são de cobre mas recomenda-se que sejam de aço inox para não sofrerem oxidação.

Após fixar todos os componentes no tampão menor podemos agora encaixar as partes:

Para o nosso equipamento funcionar, como já foi dito é preciso adicionar a solução eletrolítica, que em nosso caso foi feita com água de torneira e sal de cozinha, mas, recomenda-se que use bicarbonato ou hidróxido de sódio com água destilada, uma colher cheia da substância usada para um litro de água já é o suficiente. Além da solução eletrolítica devemos ter em mãos uma fonte de tensão em torno de 12 volts que forneça corrente de 10 amperes ou mais, uma bateria automotiva é uma excelente opção (essa corrente é para se ter um bom rendimento do equipamento mas ele funciona com correntes inferiores). A produção de Hidrogênio apresentada anteriormente no vídeo foi baixa devido a baixa corrente da fonte usada.

Resolvendo o problema da energia

De fato, com a tecnologia que temos hoje, gasta-se mais energia para produzir gás hidrogênio do que se obtém ao utilizar o gás produzido, então como sanar esse problema? Uma possível solução seria a integração residencial de eletrolisadores (não como o apresentado aqui) de alta eficiência que seriam ligados a painéis solares, por exemplo, e produziriam o gás ao longo do dia armazenando-o para quando for necessário, isso eliminaria a necessidade de baterias pesadas e caras já que a energia do gás pressurizado e armazenado em um cilindro de poucos litros é superior à qualquer bateria hoje.

Agora (em minha opinião), por que não é possível economizar combustível com um sistema de eletrolisador igual aos vendidos na internet? é uma questão simples de conservação de energia, o gerador do seu carro precisa de mais torque ao ser ligado em um sistema desses (que puxa muita corrente), essa necessidade de torque é transmitida ao motor que por sua vez tem que trabalhar mais, sugando mais combustível, mas aí o hidrogênio produzido é injetado na admissão suprindo essa necessidade de mais combustível, no final parece que houve uma economia mas se for feita uma analise o resultado mostrará que não houve, pelo contrário, a tendencia é ter perdas energéticas no processo.

Veja mais em: http://www.if.ufrgs.br/cref/?area=questions&id=1070

Informação adicional: Uma explicação para a suposta economia de combustível ao integrar um sistema de eletrolise no carro seria o fato de se estar aproveitando a energia sinética que o carro adquire ao descer uma ladeira.