Economia de hidrogênio

A economia do hidrogênio é um sistema proposto de entrega de energia usando hidrogênio. O termo economia do hidrogênio foi cunhado por John Bockris durante uma palestra que ele deu em 1970 no Centro Técnico da General Motors (GM). O conceito foi proposto anteriormente pelo geneticista JBS Haldane.

Os defensores da economia do hidrogênio defendem o hidrogênio como um combustível potencial para a força motriz (incluindo carros e barcos) e energia auxiliar a bordo, geração de energia estacionária (por exemplo, para as necessidades de energia dos edifícios) e como um meio de armazenamento de energia (por exemplo, para interconversão do excesso de energia elétrica gerada fora do pico). Hidrogênio molecular do tipo que pode ser usado como combustível não ocorre naturalmente em reservatórios convenientes; no entanto, pode ser gerado por reformação a vapor de hidrocarbonetos, eletrólise da água ou por outros métodos.

Um pico na atenção para o conceito durante os anos 2000 tem sido repetidamente descrito como hype por alguns críticos e proponentes de tecnologias alternativas. Um ressurgimento no transportador de energia está agora em andamento, notadamente pela formação do Conselho de Hidrogênio em 2017. Vários fabricantes já lançaram carros movidos a célula de combustível de hidrogênio comercialmente, com fabricantes como a Toyota e grupos industriais na China planejando aumentar o número de carros em as centenas de milhares na próxima década.

Fundamentação
Uma economia de hidrogênio foi proposta pela Universidade de Michigan para resolver alguns dos efeitos negativos do uso de combustíveis de hidrocarbonetos, onde o carbono é liberado para a atmosfera (como dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados, etc.). O interesse moderno na economia do hidrogênio geralmente pode ser atribuído a um relatório técnico de 1970 de Lawrence W. Jones, da Universidade de Michigan.

Na atual economia de hidrocarbonetos, o transporte é abastecido principalmente pelo petróleo. A queima de combustíveis de hidrocarbonetos emite dióxido de carbono e outros poluentes. O suprimento de recursos de hidrocarbonetos economicamente utilizáveis ​​no mundo é limitado, e a demanda por combustíveis de hidrocarbonetos está aumentando, particularmente na China, na Índia e em outros países em desenvolvimento.

Os defensores de uma economia de hidrogênio de escala mundial argumentam que o hidrogênio pode ser uma fonte de energia ambientalmente mais limpa para os usuários finais, particularmente em aplicações de transporte, sem liberação de poluentes (como partículas) ou dióxido de carbono no ponto de uso final. Uma análise de 2004 afirmou que “a maioria das vias da cadeia de fornecimento de hidrogênio liberaria significativamente menos dióxido de carbono na atmosfera do que a gasolina usada em veículos elétricos híbridos” e que reduções significativas nas emissões de dióxido de carbono seriam possíveis se a captura de carbono ou métodos de seqüestro de carbono fossem utilizado no local de produção de energia ou hidrogênio.

O hidrogênio tem alta densidade de energia por peso, mas possui baixa densidade de energia em volume. Mesmo quando altamente compactada ou liquefeita, a densidade de energia em volume é de apenas 1/4 da gasolina, embora a densidade de energia por peso seja aproximadamente três vezes a da gasolina ou gás natural. Um motor de combustão interna do ciclo Otto funcionando com hidrogênio é dito ter uma eficiência máxima de cerca de 38%, 8% maior do que um motor a gasolina de combustão interna.

A combinação da célula de combustível e do motor elétrico é 2-3 vezes mais eficiente que um motor de combustão interna. Os custos de capital das células de combustível reduziram significativamente nos últimos anos, com um custo modelado de US $ 50 / kW, citado pelo Departamento de Energia.

Obstáculos técnicos anteriores incluíram questões de armazenamento de hidrogênio e a exigência de pureza do hidrogênio usado em células de combustível, como acontece com a tecnologia atual, uma célula de combustível operacional requer que a pureza do hidrogênio seja tão alta quanto 99,999%. A tecnologia de conversão de motores a hidrogênio pode ser considerada mais econômica do que as células a combustível.

Mercado atual de hidrogênio
A produção de hidrogênio é uma indústria grande e crescente, a partir de 2004. Globalmente, cerca de 57 milhões de toneladas métricas de hidrogênio, equivalentes a cerca de 170 milhões de toneladas equivalentes de petróleo, foram produzidas em 2004. A taxa de crescimento é de cerca de 10% ao ano. Nos Estados Unidos, a produção de 2004 foi de cerca de 11 milhões de toneladas métricas (Mt), um fluxo médio de energia de 48 gigawatts. (Para efeito de comparação, a produção elétrica média em 2003 foi de cerca de 442 GW.) A partir de 2005, o valor econômico de todo o hidrogênio produzido no mundo é de cerca de US $ 135 bilhões por ano.

Atualmente, existem dois usos principais para o hidrogênio. Cerca de metade é usada no processo Haber para produzir amônia (NH3), que é usada direta ou indiretamente como fertilizante. Porque tanto a população mundial quanto a agricultura intensiva usada para sustentá-la estão crescendo, a demanda de amônia está crescendo. A amônia pode ser usada como um método indireto mais seguro e mais fácil de transportar hidrogênio. A amônia transportada pode ser convertida de volta ao hidrogênio no bowser por uma tecnologia de membrana.

A outra metade da produção atual de hidrogênio é usada para converter fontes pesadas de petróleo em frações mais leves, adequadas para uso como combustíveis. Este último processo é conhecido como hidrocraqueamento. O hidrocraqueamento representa uma área de crescimento ainda maior, uma vez que o aumento dos preços do petróleo encoraja as empresas petrolíferas a extrair material de origem mais pobre, como areias betuminosas e xisto betuminoso. As economias de escala inerentes à refinação de petróleo em larga escala e à fabricação de fertilizantes possibilitam a produção no local e o uso “cativo”. Quantidades menores de hidrogênio “comercial” são fabricadas e entregues aos usuários finais também.

Se a energia para produção de hidrogênio estivesse disponível (de energia nuclear eólica, solar, de fissão ou fusão, etc.), o uso da substância para a produção de hidrocarbonetos sintéticos poderia expandir o uso cativo de hidrogênio por um fator de 5 a 10. o hidrocraqueamento é de aproximadamente 4 Mt por ano. Estima-se que 37,7 Mt / ano de hidrogênio seriam suficientes para converter carvão nacional suficiente em combustíveis líquidos para acabar com a dependência dos EUA da importação de petróleo estrangeiro, e menos da metade desse número para acabar com a dependência do petróleo do Oriente Médio. A liquefação de carvão apresentaria significativamente piores emissões de dióxido de carbono do que o atual sistema de queima de petróleo fóssil, mas eliminaria as vulnerabilidades políticas e econômicas inerentes à importação de petróleo dos EUA antes da comercialização de petróleo escasso na América do Norte.

A partir de 2004 e 2016, 96% da produção mundial de hidrogênio é proveniente de combustíveis fósseis (48% de gás natural, 30% de óleo e 18% de carvão); a eletrólise da água representa apenas 4%. A distribuição da produção reflete os efeitos das restrições termodinâmicas nas escolhas econômicas: dos quatro métodos para obtenção de hidrogênio, a combustão parcial do gás natural em uma usina de energia elétrica NGCC (ciclo combinado a gás natural) oferece o caminho químico mais eficiente e o maior consumo de energia térmica utilizável. (precisa de referência)

O grande mercado e o aumento acentuado dos preços dos combustíveis fósseis também estimularam grande interesse por meios alternativos e baratos de produção de hidrogênio. A partir de 2002, a maior parte do hidrogênio é produzida no local e o custo é de aproximadamente US $ 0,70 / kg e, se não for produzido no local, o custo do hidrogênio líquido é de US $ 2,20 / kg a US $ 3,08 / kg.

Células a combustível como alternativa à combustão interna
Uma das principais ofertas de uma economia de hidrogênio é que o combustível pode substituir o combustível fóssil queimado em motores de combustão interna e turbinas como a principal forma de converter energia química em energia cinética ou elétrica; através da eliminação das emissões de gases com efeito de estufa e da poluição desse motor. Embora o hidrogênio possa ser usado em motores de combustão interna convencionais, as células de combustível, sendo eletroquímicas, têm uma vantagem teórica de eficiência em relação aos motores térmicos. As células de combustível são mais caras de produzir que os motores comuns de combustão interna.

Alguns tipos de células de combustível funcionam com combustíveis de hidrocarbonetos, enquanto todos podem ser operados com hidrogênio puro. No caso de as células de combustível se tornarem competitivas em termos de preço com os motores de combustão interna e as turbinas, as grandes usinas a gás poderiam adotar essa tecnologia.

O gás hidrogênio deve ser distinguido como “técnico-grau” (cinco noves puro, 99,999%), que é adequado para aplicações como células de combustível, e “grau comercial”, que contém impurezas contendo carbono e enxofre, mas que pode ser produzido pelo processo muito mais barato de reforma de vapor. Células a combustível requerem hidrogênio de alta pureza porque as impurezas degradariam rapidamente a vida útil da pilha de combustível.

Grande parte do interesse no conceito de economia de hidrogênio está focado no uso de células de combustível para alimentar carros elétricos. As células de combustível de hidrogênio atuais sofrem de uma baixa relação potência-peso. As células de combustível são muito mais eficientes que os motores de combustão interna e não produzem emissões prejudiciais. Se um método prático de armazenamento de hidrogênio for introduzido, e as células de combustível se tornarem mais baratas, elas podem ser economicamente viáveis ​​para alimentar veículos híbridos de célula de combustível / bateria, ou puramente aqueles movidos a célula de combustível. A viabilidade econômica dos veículos movidos a célula de combustível melhorará à medida que os combustíveis de hidrocarbono usados ​​nos motores de combustão interna se tornarem mais caros, devido ao esgotamento de reservas de fácil acesso ou à contabilização econômica do impacto ambiental através de medidas como impostos sobre carbono.

Outras tecnologias de células de combustível baseadas na troca de íons metálicos (por exemplo, células a combustível de zinco) são tipicamente mais eficientes na conversão de energia do que as células de combustível de hidrogênio, mas o uso generalizado de energia elétrica → energia química → sistemas de energia elétrica exigiria a produção de eletricidade.

Desde o discurso do Estado da União de 2003, quando a noção de economia do hidrogênio ganhou proeminência nacional nos Estados Unidos, houve um coro firme de pessimistas. Mais recentemente, em 2013, a Lux Research, Inc. divulgou um relatório que afirmava: “O sonho de uma economia do hidrogênio … não está mais próximo”. Concluiu que “o custo de capital, não o suprimento de hidrogênio, limitará a adoção a apenas 5,9 GW” até 2030, fornecendo “uma barreira quase intransponível para a adoção, exceto em aplicações de nicho”. A análise de Lux especula que até 2030, o mercado estacionário da PEM chegará a US $ 1 bilhão, enquanto o mercado de veículos, incluindo as empilhadeiras, atingirá um total de US $ 2 bilhões.

Use como combustível automotivo e eficiência do sistema
Uma contabilidade da energia utilizada durante um processo termodinâmico, conhecido como balanço de energia, pode ser aplicada a combustíveis automotivos. Com a tecnologia de hoje, a fabricação de hidrogênio via reforma a vapor pode ser realizada com uma eficiência térmica de 75 a 80 por cento. Energia adicional será necessária para liquefazer ou comprimir o hidrogênio, e transportá-lo para a estação de abastecimento via caminhão ou oleoduto. A energia que deve ser utilizada por quilo para produzir, transportar e fornecer hidrogênio (ou seja, seu uso de energia bem no tanque) é de aproximadamente 50 MJ usando a tecnologia disponível em 2004. Subtraindo essa energia da entalpia de um quilograma de hidrogênio, que é 141 MJ, e dividindo pela entalpia, produz uma eficiência de energia térmica de aproximadamente 60%. A gasolina, por comparação, requer menos entrada de energia, por galão, na refinaria, e comparativamente pouca energia é necessária para transportá-la e armazená-la devido à sua alta densidade de energia por galão à temperatura ambiente. Bem para o tanque, a cadeia de fornecimento de gasolina é aproximadamente 80% eficiente (Wang, 2002). Outro método baseado na rede de fornecimento de hidrogênio seria o uso de eletricidade para executar eletrolisadores. Aproximadamente 6% da eletricidade é perdida durante a transmissão ao longo das linhas de energia, e o processo de converter o combustível fóssil em eletricidade em primeiro lugar é aproximadamente 33% eficiente. Assim, se a eficiência é o fator determinante, seria improvável que os veículos movidos a hidrogênio fossem alimentados por esse método e, de fato, vistos dessa maneira, os veículos elétricos pareceriam uma escolha melhor. No entanto, como referido acima, o hidrogénio pode ser produzido a partir de um certo número de matérias-primas, de uma forma centralizada ou distribuída, e estas proporcionam vias mais eficientes para produzir e distribuir o combustível.

Um estudo sobre a eficiência dos veículos a hidrogênio em comparação com outros veículos no sistema norueguês de energia indica que os veículos com célula de combustível a hidrogênio (FCV) tendem a ser cerca de um terço tão eficientes quanto os VEs quando a eletrólise é usada, com hidrogênio Motores de Combustão (ICE) sendo apenas um sexto como eficiente. Mesmo no caso em que as células de combustível hidrogênio obtêm seu hidrogênio da reforma do gás natural em vez da eletrólise, e os EVs obtêm sua energia de uma usina de gás natural, os EVs ainda avançam 35% a 25% (e apenas 13% para um H2 GELO). Isso se compara a 14% para um ICE a gasolina, 27% para um ICE híbrido a gasolina e 17% para um ICE a diesel, também com base em rodas.

O hidrogênio tem sido chamado de um dos substitutos menos eficientes e mais caros possíveis para a gasolina (gasolina) em termos de redução de gases de efeito estufa; outras tecnologias podem ser menos dispendiosas e implementadas mais rapidamente. Um estudo abrangente do hidrogênio em aplicações de transporte descobriu que “há grandes obstáculos no caminho para alcançar a visão da economia do hidrogênio; o caminho não será simples ou direto”. Embora a Ford Motor Company e a francesa Renault-Nissan tenham cancelado seus esforços de P & D em 2008 e 2009, respectivamente, assinaram uma carta de intenções de 2009 com os outros fabricantes e a Now GMBH em setembro de 2009 apoiando a introdução comercial de FCVs até 2015. A The Carbon Trust, do Departamento de Energia e Mudança Climática do Reino Unido, sugere que as tecnologias de hidrogênio têm o potencial de entregar o transporte do Reino Unido com emissões quase nulas, reduzindo a dependência do petróleo importado e reduzindo a geração renovável. No entanto, as tecnologias enfrentam desafios muito difíceis, em termos de custo, desempenho e política.

Preocupações ambientais
Existem muitas preocupações em relação aos efeitos ambientais da fabricação de hidrogênio. O hidrogênio é produzido pela eletrólise da água ou pela reforma do combustível fóssil. Reformar um combustível fóssil leva a uma maior emissão de dióxido de carbono em comparação com o uso direto do combustível fóssil em um motor de combustão interna. Da mesma forma, se o hidrogênio é produzido por eletrólise a partir de geradores movidos a combustíveis fósseis, o aumento do dióxido de carbono é emitido em comparação com o uso direto do combustível fóssil.

A utilização de fontes de energia renováveis ​​para gerar hidrogênio por eletrólise exigiria maior consumo de energia do que o uso direto da energia renovável para operar veículos elétricos, devido aos estágios de conversão extra e às perdas na distribuição. O hidrogênio como combustível de transporte, no entanto, é usado principalmente para células de combustível que não produzem emissão de gases de efeito estufa, mas água.

Houve também algumas preocupações sobre possíveis problemas relacionados ao vazamento de gás hidrogênio. O hidrogênio molecular vaza lentamente da maioria dos vasos de contenção. Foi hipotetizado que se quantidades significativas de gás hidrogênio (H2) escaparem, o gás hidrogênio pode, por causa da radiação ultravioleta, formar radicais livres (H) na estratosfera. Estes radicais livres seriam então capazes de agir como catalisadores da destruição do ozono. Um aumento suficientemente grande no hidrogênio estratosférico de H2 vazado poderia exacerbar o processo de depleção. No entanto, o efeito desses problemas de vazamento pode não ser significativo. A quantidade de hidrogênio que hoje vaza é muito menor (por um fator de 10 a 100) do que a estimativa de 10 a 20% conjecturada por alguns pesquisadores; por exemplo, na Alemanha, a taxa de vazamento é de apenas 0,1% (menos que a taxa de vazamento de gás natural de 0,7%). No máximo, esse vazamento provavelmente não passaria de 1 a 2%, mesmo com o uso generalizado de hidrogênio, usando a tecnologia atual.

Custos
Em 2004, a produção de unidade de hidrogênio combustível por reforma a vapor ou eletrólise foi aproximadamente 3 a 6 vezes mais cara que a produção de uma unidade equivalente de combustível a partir do gás natural. Ao avaliar os custos, os combustíveis fósseis são geralmente usados ​​como referência. O conteúdo energético desses combustíveis não é um produto do esforço humano e, portanto, não tem custo atribuído a ele. Somente os custos de extração, refino, transporte e produção são considerados. Por outro lado, o conteúdo de energia de uma unidade de combustível de hidrogênio deve ser fabricado e, portanto, tem um custo significativo, além de todos os custos de refino, transporte e distribuição. Sistemas que usam eletricidade renovável de forma mais direta, por exemplo, em trólebus, ou em veículos elétricos a bateria, podem ter uma vantagem econômica significativa, pois há menos processos de conversão necessários entre a fonte de energia primária e o ponto de uso.

A barreira para reduzir o preço do hidrogênio de alta pureza é um custo de mais de 35 kWh de eletricidade usada para gerar cada quilograma de gás hidrogênio. O hidrogênio produzido pela reforma a vapor custa aproximadamente três vezes o custo do gás natural por unidade de energia produzida. Isso significa que, se o gás natural custar $ 6 / milhão de BTU, o hidrogênio será de $ 18 / milhão de BTU. Além disso, a produção de hidrogênio a partir de eletrólise com eletricidade a 5 centavos de dólar / kWh custará US $ 28 milhões / BTU – cerca de 1,5 vezes o custo do hidrogênio a partir do gás natural. Observe que o custo da produção de hidrogênio a partir da eletricidade é uma função linear dos custos de eletricidade, de modo que a eletricidade a 10 cents / kWh significa que o hidrogênio custará US $ 56 milhões / BTU.

Os avanços demonstrados na tecnologia de eletrolisador e célula de combustível pela ITM Power são responsáveis ​​por ter feito significativas estradas para lidar com o custo de eletrólise da água para produzir hidrogênio. A redução de custos tornaria o hidrogênio a partir de fontes renováveis ​​fora da rede econômico para veículos de reabastecimento.

Os dutos de hidrogênio são mais caros do que as linhas elétricas de longa distância. O hidrogênio é cerca de três vezes mais volumoso em volume do que o gás natural para a mesma entalpia. O hidrogênio acelera o craqueamento do aço (fragilização por hidrogênio), o que aumenta os custos de manutenção, as taxas de vazamento e os custos de material. É provável que a diferença de custo se expanda com a tecnologia mais nova: fios suspensos no ar podem usar tensão mais alta com custos de material apenas marginalmente aumentados, mas tubos de alta pressão exigem proporcionalmente mais material.

A criação de uma economia de hidrogênio exigiria enormes investimentos na infraestrutura para armazenar e distribuir hidrogênio para os veículos. Em contrapartida, os veículos elétricos a bateria, que já estão disponíveis ao público, não necessitariam de expansão imediata da infraestrutura existente para transmissão e distribuição de eletricidade. A capacidade da usina que agora não é usada à noite poderia ser usada para recarregar veículos elétricos. Um estudo conduzido pelo Laboratório Nacional Pacific Northwest para o Departamento de Energia dos EUA em dezembro de 2006 descobriu que a capacidade ociosa de rede fora dos picos nos EUA seria suficiente para abastecer 84% de todos os veículos nos EUA se todos fossem imediatamente substituídos por Veículos elétricos.

Diferentes métodos de produção têm diferentes investimentos associados e custos marginais. A energia e a matéria-prima podem ter origem em uma infinidade de fontes, ou seja, gás natural, energia nuclear, solar, eólica, biomassa, carvão, outros combustíveis fósseis e geotérmica.

Gás Natural em Pequena Escala
Usa reforma de vapor. Requer 15,9 milhões de pés cúbicos (450.000 m3) de gás, o que, se produzido por pequenos reformadores de 500 kg / dia no ponto de distribuição (isto é, a estação de enchimento), equivale a 777.000 reformadores custando US $ 1 trilhão e produzindo 150 milhões de toneladas gás de hidrogênio anualmente. Evita a necessidade de infraestrutura de distribuição dedicada ao hidrogênio. US $ 3,00 por GGE (galões de gasolina equivalente)

Nuclear
Fornece energia para eletrólise da água. Exigiriam 240.000 toneladas de urânio não enriquecido – são 2.000 usinas de energia de 600 megawatts, que custariam US $ 840 bilhões, ou cerca de US $ 2,50 por GGE.

Solar
Fornece energia para eletrólise da água. Seria necessário 2.500 kWh de sol por metro quadrado, 113 milhões de sistemas de 40 quilowatts, que custariam US $ 22 trilhões, ou cerca de US $ 9,50 por GGE.

Vento
Fornece energia para eletrólise da água. A uma velocidade média do vento de 7 metros por segundo, seriam necessárias 1 milhão de turbinas eólicas de 2 MW, que custariam US $ 3 trilhões, ou cerca de US $ 3,00 por GGE.

Biomassa
As usinas de gaseificação produziriam gás com reforma de vapor. 1,5 bilhão de toneladas de biomassa seca, 3.300 plantas que exigiriam 113,4 milhões de acres (460.000 km²) de fazenda para produzir a biomassa. US $ 565 bilhões em custo, ou cerca de US $ 1,90 por GGE

Carvão
As usinas da FutureGen usam a gaseificação do carvão e depois a reforma a vapor. Requer 1 bilhão de toneladas de carvão ou cerca de 1.000 plantas de 275 megawatts com um custo de cerca de US $ 500 bilhões, ou cerca de US $ 1 por GGE.
Metas de custo do DOE

Exemplos e programas pilotos
Vários fabricantes nacionais de automóveis dos EUA se comprometeram a desenvolver veículos usando hidrogênio. A distribuição de hidrogénio para fins de transporte está atualmente a ser testada em todo o mundo, particularmente em Portugal, Islândia, Noruega, Dinamarca, Alemanha, Califórnia, Japão e Canadá, mas o custo é muito elevado.

Alguns hospitais instalaram unidades combinadas de célula de combustível de armazenamento de eletrolisador para energia local de emergência. Estas são vantajosas para o uso de emergência devido à sua baixa necessidade de manutenção e facilidade de localização em comparação com os geradores acionados por combustão interna.

A Islândia comprometeu-se a se tornar a primeira economia de hidrogênio do mundo até o ano de 2050. A Islândia está em uma posição única. Atualmente, importa todos os produtos petrolíferos necessários para abastecer seus automóveis e sua frota de pesca. A Islândia tem grandes recursos geotérmicos, tanto que o preço local da eletricidade é realmente menor do que o preço dos hidrocarbonetos que poderiam ser usados ​​para produzir essa eletricidade.

A Islândia já converte seu excedente de eletricidade em bens exportáveis ​​e substitutos de hidrocarbonetos. Em 2002, produziu 2.000 toneladas de gás hidrogênio por eletrólise, principalmente para a produção de amônia (NH3) para fertilizantes. A amônia é produzida, transportada e usada em todo o mundo, e 90% do custo da amônia é o custo da energia para produzi-la. A Islândia também está desenvolvendo uma indústria de fundição de alumínio. Os custos de alumínio são impulsionados principalmente pelo custo da eletricidade para operar as fundições. Qualquer uma dessas indústrias poderia efetivamente exportar toda a eletricidade geotérmica potencial da Islândia.

Nenhuma das indústrias substitui diretamente os hidrocarbonetos. Reykjavík, na Islândia, tinha uma pequena frota piloto de ônibus urbanos movidos a hidrogênio comprimido, e pesquisas para alimentar a frota pesqueira do país com hidrogênio estão em andamento. Para fins mais práticos, a Islândia pode processar o petróleo importado com hidrogênio para ampliá-lo, em vez de substituí-lo completamente.

Os ônibus de Reykjavík fazem parte de um programa maior, o HyFLEET: CUTE, que opera ônibus movidos a hidrogênio em oito cidades européias. HyFLEET: Os ônibus CUTE também foram operados em Pequim, China e Perth, na Austrália (veja abaixo). Um projeto piloto demonstrando uma economia de hidrogênio está operacional na ilha norueguesa de Utsira. A instalação combina energia eólica e energia de hidrogênio. Nos períodos em que há excesso de energia eólica, o excesso de energia é usado para gerar hidrogênio por eletrólise. O hidrogênio é armazenado e está disponível para geração de energia em períodos em que há pouco vento.

Os Estados Unidos têm uma política de hidrogênio com vários exemplos. Uma joint venture entre a NREL e a Xcel Energy está combinando energia eólica e hidrogênio da mesma forma no Colorado. A Hydro em Newfoundland e Labrador está convertendo o atual sistema de energia eólica-diesel na remota ilha de Ramea em uma instalação de sistemas híbridos de energia eólica a hidrogênio. Um projeto piloto semelhante na Ilha Stuart usa energia solar, em vez de energia eólica, para gerar eletricidade. Quando o excesso de eletricidade está disponível depois que as baterias estão cheias, o hidrogênio é gerado por eletrólise e armazenado para posterior produção de eletricidade por célula de combustível.

O Reino Unido iniciou um programa piloto de célula de combustível em janeiro de 2004, o programa executou dois ônibus da célula combustível na rota 25 em Londres até dezembro de 2005, e mudou para a RV1 até janeiro de 2007. A Expedição a Hidrogênio está atualmente trabalhando para criar uma célula de combustível a hidrogênio. Navio motorizado e usá-lo para circunavegar o globo, como uma maneira de demonstrar a capacidade das células a combustível de hidrogênio.

O Departamento de Planejamento e Infraestrutura da Austrália Ocidental operou três ônibus da célula de combustível Daimler Chrysler Citaro como parte de sua Energia de Transporte Sustentável para o Perth Fuel Cells Bus Trial em Perth. Os ônibus foram operados pela Path Transit em rotas regulares de ônibus públicos da Transperth. O teste começou em setembro de 2004 e foi concluído em setembro de 2007. As células de combustível dos ônibus usavam um sistema de membrana de troca de prótons e eram abastecidas com hidrogênio bruto de uma refinaria da BP em Kwinana, sul de Perth. O hidrogênio foi um subproduto do processo industrial da refinaria. Os ônibus foram reabastecidos em uma estação no subúrbio de Málaga, no norte de Perth.

A Organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento Industrial (UNIDO) e o Ministério de Energia e Recursos Naturais da Turquia assinaram em 2003 um contrato de US $ 40 milhões para a criação do Centro Internacional de Tecnologias de Energia de Hidrogênio (UNIDO-ICHET) em Istambul. em 2004. Uma empilhadeira a hidrogênio, uma carreta de hidrogênio e uma casa móvel movida a energia renovável estão sendo demonstradas nas instalações da UNIDO-ICHET. Um sistema de fornecimento ininterrupto de energia está em funcionamento desde abril de 2009 na sede da empresa Sea Buses de Istambul.

Alternativas de uso de hidrogênio para uma economia de hidrogênio totalmente distributiva
O hidrogênio é simplesmente um método para armazenar e transmitir energia. Vários cenários de transmissão e armazenamento de energia alternativa que começam com a produção de hidrogênio, mas não o utilizam para todas as partes da infraestrutura de armazenamento e transmissão, podem ser mais econômicos, tanto a curto quanto a longo prazo. Esses incluem:

Economia de amônia
Uma alternativa ao hidrogênio gasoso como transportador de energia é ligá-lo ao nitrogênio do ar para produzir amônia, que pode ser facilmente liquefeita, transportada e usada (direta ou indiretamente) como um combustível limpo e renovável. Por exemplo, pesquisadores da CSIRO na Austrália em 2018 alimentaram um Toyota Mirai e Hyundai Nexo com hidrogênio separado da amônia usando uma tecnologia de membrana.

Produção de hidrogênio de álcool neutro em estufa
A economia do metanol é um plano de energia de produção de combustível que pode começar com a produção de hidrogênio. O hidrogênio em uma “economia de hidrogênio” completa foi inicialmente sugerido como uma maneira de tornar a energia renovável, de forma não poluente, disponível para os automóveis. No entanto, uma alternativa teórica para resolver o mesmo problema é produzir hidrogênio centralmente e usá-lo imediatamente para produzir combustíveis líquidos a partir de uma fonte de CO2. Isso eliminaria a necessidade de transportar e armazenar o hidrogênio. A fonte pode ser o CO2 produzido por usinas de energia que queimam combustível. Para ser neutra em casa de vegetação, a fonte de CO2 em tal plano precisaria ser de ar, biomassa, ou outra fonte de CO2 que já esteja em, ou seja, liberada no ar. Células a combustível de metanol direto estão em uso comercial, embora a partir de agosto de 2011 elas não sejam eficientes.

A rede elétrica mais células de combustível de metanol sintético
Muitas das estratégias híbridas descritas acima, usando hidrogênio cativo para gerar outros combustíveis mais facilmente utilizáveis, podem ser mais eficazes do que a produção de hidrogênio sozinha. O armazenamento de energia a curto prazo (o que significa que a energia é usada não muito tempo depois de ter sido capturada) pode ser melhor realizado com bateria ou mesmo com armazenamento ultracapacitador. O armazenamento de energia a longo prazo (ou seja, a energia é usada semanas ou meses após a captura) pode ser melhor feito com metano ou álcoois sintéticos, que podem ser armazenados indefinidamente a um custo relativamente baixo e até usados ​​diretamente em algum tipo de célula a combustível para veículos elétricos. . Essas estratégias combinam-se bem com o recente interesse em Veículos Elétricos Híbridos Plug-in, ou PHEVs, que usam uma estratégia híbrida de armazenamento elétrico e de combustível para suas necessidades de energia. O armazenamento de hidrogênio foi proposto por alguns como sendo ideal em uma faixa estreita de tempo de armazenamento de energia, provavelmente em algum lugar entre alguns dias e algumas semanas. Esta faixa está sujeita a mais estreitamento com melhorias na tecnologia da bateria. É sempre possível que algum tipo de avanço no armazenamento ou geração de hidrogênio possa ocorrer, mas isso é improvável, uma vez que as limitações físicas e químicas das escolhas técnicas são razoavelmente bem compreendidas.

Produção de metano sintético em hidrogênio em cativeiro (gás natural sintético SNG)
De forma semelhante à produção de álcool sintético, o hidrogênio pode ser usado no local para produzir diretamente (não biologicamente) combustíveis gasosos com efeito estufa neutro. Assim, a produção mediada por hidrogênio em cativeiro de metano com efeito de estufa neutro foi proposta (note que este é o contrário do método atual de aquisição de hidrogênio a partir de metano natural, mas que não requer queima e liberação de carbono de combustível fóssil). O hidrogênio cativo (e dióxido de carbono, por exemplo, CCS (Carbon Capture & Storage)) pode ser usado no local para sintetizar o metano, usando a reação de Sabatier. Isso é cerca de 60% eficiente, e com a redução de ida e volta para 20 a 36%, dependendo do método de utilização de combustível. Isso é ainda menor do que o hidrogênio, mas os custos de armazenamento caem pelo menos em um fator de 3, devido ao ponto de ebulição mais alto do metano e maior densidade de energia. O metano líquido tem 3,2 vezes a densidade de energia do hidrogênio líquido e é mais fácil de armazenar de forma compacta. Além disso, a infraestrutura de tubulação (gasodutos de gás natural) já está em vigor. Os veículos movidos a gás natural já existem e são conhecidos por serem mais fáceis de adaptar a partir da tecnologia de motores internos existentes do que os autos de combustão interna que funcionam diretamente com hidrogênio. A experiência com veículos movidos a gás natural mostra que o armazenamento de metano é barato, uma vez que se aceitou o custo de conversão para armazenar o combustível. No entanto, o custo do armazenamento de álcool é ainda menor, portanto, essa tecnologia precisaria produzir metano com economias consideráveis ​​em relação à produção de álcool. Os preços maduros finais dos combustíveis nas tecnologias concorrentes não são conhecidos atualmente, mas espera-se que ambos ofereçam economias substanciais de infra-estrutura sobre as tentativas de transportar e usar o hidrogênio diretamente.

Foi proposto em um hipotético sistema de energia dominado por energia renovável para usar o excesso de eletricidade gerada por energia eólica, solar fotovoltaica, hidroelétrica, correntes marinhas e outros para produzir hidrogênio por eletrólise de água e depois combiná-lo com CO2. O hidrogênio seria primeiramente usado no local em células de combustível (CHP) ou para transporte devido a sua maior eficiência de produção e então metano criado que poderia então ser injetado na rede de gás existente para gerar eletricidade e calor sob demanda para superar os pontos baixos de energia renovável. Produção. O processo descrito seria a criação de hidrogênio (que poderia ser parcialmente usado diretamente em células a combustível) e a adição de dióxido de carbono CO2 de BECCS (Bio-Energy com Carbon Capture & Storage) via reação de Sabatier para criar metano da seguinte forma : CO2 + 4H2 – CH4 + 2H2O