Hidrogénio
- Autor:
- Diogo Ralha - 2021220818
- Raquel Bento - 2021222330
- Data: 2024-02-28
Introdução
A descoberta do hidrogénio remonta ao século XVI, embora só no século XVIII tenha sido identificado como um elemento distinto. Ao longo dos séculos, vários alquimistas e cientistas observaram a formação de um gás inflamável durante reações químicas, mas sem compreenderem a sua verdadeira natureza.
No século XVI, o alquimista e médico suíço Paracelso notou que, ao dissolver metais em ácidos, se libertava um gás. No entanto, sem o conhecimento necessário para interpretar esse fenómeno, não percebeu que se tratava de uma substância única. Mais tarde, no século XVII, o químico britânico Robert Boyle também documentou a libertação de um gás durante reações entre ácidos e metais, mas, tal como Paracelso, não o identificou como um elemento distinto.
Foi apenas em 1766 que o cientista britânico Henry Cavendish realizou experiências sistemáticas que permitiram uma melhor compreensão deste gás. Ao reagir diferentes metais com ácidos, recolheu o gás libertado e verificou que era significativamente mais leve do que o ar. Além disso, ao queimá-lo, observou que produzia água. Com base nestas características, designou-o como "ar inflamável", sendo o primeiro a reconhecer que se tratava de uma substância pura e não de um composto. No entanto, Cavendish não conseguiu determinar completamente a sua composição química.
A identificação definitiva do hidrogénio como elemento foi feita pelo químico francês Antoine Lavoisier, em 1783. Foi ele quem lhe deu o nome "hidrogénio", derivado dos termos gregos "hydro" (água) e "genes" (gerador), uma vez que demonstrou que a combustão do hidrogénio resultava na formação de água. [1]\ [2]\ [3]
A descoberta do hidrogénio representou um marco na química, contribuindo para o avanço da estequiometria, da teoria dos gases e da compreensão das reações químicas. Para além do seu impacto na ciência fundamental, o hidrogénio revelou-se essencial para diversas aplicações industriais e energéticas ao longo dos séculos. [4]
Atualmente, com o aumento da preocupação ambiental e a necessidade de transição energética, o hidrogénio tem ganho destaque como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis. Quando obtido a partir de fontes renováveis, o hidrogénio apresenta um elevado potencial para reduzir as emissões de carbono. A sua viabilidade deve-se, em grande parte, ao seu elevado rendimento energético, fornecendo cerca de 122 kJ/g, o que equivale a aproximadamente 2,75 vezes mais energia do que qualquer combustível fóssil convencional. [5]
Com o avanço das tecnologias de produção, armazenamento e utilização, o hidrogénio poderá desempenhar um papel crucial no futuro energético, promovendo um sistema mais sustentável e eficiente.
Figura 1-Principais aplicações e formas de produção do hidrogénio [6]
O que é o hidrogénio?
O hidrogénio (H), primeiro elemento da tabela periódica, é o mais simples e abundante no universo. Na sua forma mais comum, é composto por apenas um protão e um eletrão. No entanto, não ocorre naturalmente na sua forma molecular (H₂) em grandes quantidades, estando presente em compostos como a água e hidrocarbonetos. [7]\ [8]\ [9]
Entre as suas principais características, destacam-se:
Leveza e baixa densidade: Gás mais leve do que a ar (cerca de 14 vezes), dissipando-se rapidamente na atmosfera.
Estado físico e reatividade: Em condições normais, é um gás incolor, inodoro e insípido, altamente reativo e combustível. A sua molécula (H₂) é constituída por dois átomos de hidrogénio ligados por uma ligação covalente forte, conferindo-lhe uma certa estabilidade.
Elevada energia específica: Possui um dos mais altos valores de energia específica, sendo promissor para a transição energética.
Solubilidade e armazenamento: Baixa solubilidade em água e diferentes métodos de armazenamento, como compressão e liquefação.
Como é possível se visualizar na tabela 1, do ponto de vista termodinâmico, a forma atómica do hidrogénio apresenta entalpia e energia livre de Gibbs muito elevadas, enquanto a forma molecular (H₂) é mais estável e viável para armazenamento energético. Através da tabela 2, verifica-se que as propriedades físicas incluem baixa temperatura de fusão e ebulição, elevada condutividade térmica e viscosidade reduzida, tornando-o adequado para aplicações energéticas.
Tabela 1- Propriedades termodinâmicas do hidrogénio [6]
| Estado | ΔH (kJ/mol) |
ΔG (kJ/mol) |
S (J/Kmol) |
Cp (J/Kmol) |
|---|---|---|---|---|
| H gasoso | 218,0 | 203,3 | 114,7 | 20,8 |
| H2 | 0 | 0 | 130,7 | 28,8 |
Tabela 2- Propriedades físicas do hidrogénio [6]
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Massa molar | 2, 016 g/mol |
| Ponto de fusão | 13,8 K |
| Ponto de ebulição | 20,3 K |
| Densidade do líquido a 24,2 K | 0,071 g/cm3 |
| Densidade do sólido a 24,2K | 0,076 g/cm3 |
| Condutividade térmica a 25 ºC | 0,1805 W/mK |
| Capacidade calorifica a 25 ºC | 28,83 J/molK |
| Calor de combustão a 25 ºC e 1 atm | -285,829 kJ/mol |
| Temperatura de autoignição | 858 K |
| Inflamabilidade no ar | 4-74% |
Como é possível observar-se na figura 1, o hidrogénio pode existir em vários estados dependendo da pressão e da temperatura. Pode ser armazenado como gás comprimido, líquido ou em compostos químicos. Os tanques de alta pressão atingem 70 MPa, enquanto os criogénicos operam a temperaturas muito baixas. Como combustível, tem uma relação energia/massa três vezes superior à gasolina, com elevada temperatura de ignição e chama mais quente.
Figura 2-Diagrama de fases do hidrogénio [6]
A sua utilização exige estratégias rigorosas de segurança devido aos amplos limites de inflamabilidade e ao risco de ignição súbita. No entanto, a rápida dispersão no ar reduz a probabilidade de explosões em espaços abertos, tornando-o uma alternativa energética viável para um futuro sustentável.
Os tipos de hidrogénio
O hidrogénio tem vindo a afirmar-se como uma alternativa viável, com capacidade para transformar vários setores industriais. A sua grande vantagem reside na versatilidade e no facto de, quando utilizado como fonte de energia, emitir exclusivamente vapor de água, tornando-se, assim, um elemento essencial na transição para um modelo económico mais sustentável. Contudo, a natureza do hidrogénio pode diferir substancialmente, dependendo da origem da energia empregue na sua produção e do respetivo impacto ambiental.
Atualmente, como é possível visualizar na tabela 3, são identificados dez tipos principais de hidrogénio: verde, azul, castanho, cinzento, rosa, roxo, turquesa, branco, vermelho e amarelo. [10]\ [11]\ [12]\ [13]
Tabela 3-Tipos de hidrogénio e os seus processos de obtenção [6]\ [10]\ [11]\ [12]\ [13]\ [14]
| Tipo de Hidrogénio | Processo de obtenção | Demonstração do processo de obtenção |
|---|---|---|
| Hidrogénio Verde | É amplamente reconhecido como a opção mais ecológica, uma vez que é gerado por eletrólise da água, utilizando energia proveniente de fontes renováveis, como a solar e a eólica. Este processo não gera emissões de carbono e faz uso de um recurso natural abundante. No entanto, enfrenta desafios como o alto custo de produção e a necessidade de infraestrutura específica. |  |
| Hidrogénio Azul | A sua produção assenta na reforma do metano, um composto de origem fóssil, mas diferencia-se pela utilização de tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS), que permitem uma redução significativa das emissões poluentes. Embora não seja tão ecológico como o hidrogénio verde e a captura de carbono ainda não seja totalmente eficiente (podendo ocorrer fugas de CO2), este desempenha um papel importante no processo de descarbonização do setor energético. | |
| Hidrogénio Castanho | Resulta da transformação de combustíveis fósseis (gaseificação), como o carvão, sem qualquer mecanismo de retenção de carbono. O seu nome deriva precisamente da elevada carga poluente (CO2 e gases nocivos) associada ao seu processo de produção. | |
| Hidrogénio Cinzento | É gerado através do método de reforma de metano a vapor (SMR), um dos mais comuns na indústria do hidrogénio e, também, mais económico. Embora a sua pegada ambiental seja inferior à do hidrogénio castanho, continua a gerar emissões significativas de carbono. | |
| Hidrogénio Rosa | Tem origem na eletrólise alimentada por energia nuclear. Além disso, o calor residual das centrais nucleares pode ser aproveitado para otimizar a eficiência do processo. Como não envolve a emissão de gases com efeito de estufa, é considerado uma alternativa sustentável. |  |
| Hidrogénio Roxo | É gerado através de eletrólise quimiotérmica, que combina eletricidade e calor proveniente da energia nuclear. Este processo aumenta a eficiência de eletrólise, reduzindo o consumo elétrico necessário para a separação das moléculas de água. No entanto, a utilização de calor a temperaturas elevadas exige tecnologias avançadas, além de levantar desafios na gestão dos resíduos nucleares. | |
| Hidrogénio Vermelho | É produzido por meio de eletrólise de alta temperatura, utilizando o calor de reatores nucleares de alta temperatura (HTGRs). Este método é considerado o mais eficiente em comparação com o hidrogénio rosa e o hidrogénio roxo, uma vez que reduz significativamente o consumo de eletricidade, tornando o processo mais económico a longo prazo. No entanto, a necessidade de reatores especializados e tecnologia avançada resulta em custos elevados e desafios tecnológicos na sua implementação. | |
| Hidrogénio Turquesa | É produzido por pirólise do gás natural e tem como subproduto o negro de fumo, uma forma sólida do carbono. Deste modo, não há emissão direta de dióxido de carbono na atmosfera. Porém, ainda é uma tecnologia emergente que requer um elevado consumo energético. |  |
| Hidrogénio Branco | É uma forma natural de hidrogénio encontrado de forma espontânea em depósitos subterrâneos, podendo ser explorados através da perfuração de poços. A sua formação resulta de processos naturais, como a desgaseificação da crosta e do manto terrestre, reações químicas entre rochas e a interação com água e minerais, tornando-o numa potencial fonte sustentável de hidrogénio. No entanto, a sua disponibilidade é muito limitada. |  |
| Hidrogénio Amarelo | É obtido através da fotoeletrólise com energia solar. É um processo limpo, pois depende de uma fonte renovável de energia e não ocorrem emissões de CO2. Ainda assim, é um processo cujo preço é bastante elevado. |  |
Processos de obtenção de hidrogénio
Os processos de produção de hidrogénio podem ser divididos entre duas grandes categorias: fontes fósseis (métodos baseados em combustíveis fósseis amplamente utilizados, mas com emissões significativas de dióxidos de carbono) e fontes renováveis (métodos renováveis sustentáveis, mas com desafios técnicos e económicos).
Figura 3- Processos de produção de hidrogénio [6]
No caso das fontes fósseis, existem duas formas de obtenção de hidrogénio: a Reforma de Hidrocarbonetos que consiste na extração de hidrogénio de combustíveis fósseis, como o gás natural e que se divide em Reforma a Vapor de Metano (SMR), Oxidação Parcial (POX), Reforma Autotérmica (ATR); e a Pirólise de Hidrocarbonetos. [6]
Tabela 4-Processos de obtenção de hidrogénio a partir de fontes fósseis [6]\ [15]
| Processo | Descrição do Processo | Diagrama do Processo |
|---|---|---|
| Reforma a Vapor (SMR) | O metano reage com vapor de água a altas temperaturas para produzir gás de síntese (mistura composta por hidrogénio e monóxido de carbono). Reações: Reforma do metano: CH4 + H2O↔︎CO + 3H2 Water-Gas Shift reaction (WGS): CO + H2O↔︎CO2 + H2 É um processo eficiente e amplamente utilizado na indústria. No entanto, gera emissões de dióxido de carbono e requer altas temperaturas. |
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| Oxidação Parcial (POX) | O hidrocarboneto é parcialmente oxidado para produzir gás de síntese. Reações: CH4 + 1/2O2 ↔︎ CO + 2 H2 CH4 + 2O2↔︎ CO2 + 2 H2O Este processo é rápido e adequado para hidrocarbonetos pesados. Ainda assim produz menos hidrogénio que a reforma a vapor e gera dióxido de carbono. |
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| Reforma Autotérmica (ATR) | É a combinação da Reforma a Vapor e Oxidação Parcial, sendo utilizado calor gerado internamente ao processo. Reação: 4CH4 + O2 + 2H2O↔︎ 4CO + 10H2 Apresenta maior eficiência energética do que a reforma a vapor isolada, mas é um processo mais complexo e necessita de controlo preciso das reações envolventes. |
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| Pirólise | Corresponde à decomposição térmica dos hidrocarbonetos em hidrogénio e carbono sólido, sem emissões diretas de dióxido de carbono. Reação: CH4 → C + 2H2 Este processo promove a redução de emissões de gases de efeito de estufa (GEE), mas necessita de tecnologias que se encontram em desenvolvimento e ainda de altas temperaturas de operação. |
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Através de fontes renováveis, é possível optar-se por processos com biomassa (métodos que utilizam matéria orgânica como fonte de hidrogénio) ou pela separação da água (Water Splitting), ou seja, métodos que envolvem a quebra de moléculas de água para extrair hidrogénio.
Os Processos com Biomassa podem dividir-se em métodos biológicos, isto é, processos naturais com baixo impacto ambiental, mas apresentam uma baixa eficiência e tecnologias em desenvolvimento, e em métodos termoquímicos, ou seja, processos que promovem a redução de resíduos orgânicos e as baixas ou neutras emissões de carbono. No entanto, a sua eficiência é variável consoante o processo e requer grandes quantidades de biomassa.
Os Processos de Separação de Água podem dividir-se entre a eletrólise, a termólise e a fotólise.
Tabela 5-Processos de obtenção de hidrogénio a partir de fontes renováveis [6]\ [15]
| Processos com Biomassa | Processos por separação de água (Water Splitting) | |
|---|---|---|
| Métodos Biológicos | Métodos Termoquímicos | |
Biofotólise: Certas algas e bactérias utilizam a luz para quebrar moléculas de água e formar a molécula de hidrogénio. Dark-Fermentation: Os microrganismos fermentam substratos orgânicos e produzem hidrogénio. Foto-Fermentação: As bactérias fotossintéticas convertem biomassa em hidrogénio. |
Pirólise: Consiste na decomposição térmica da biomassa para gerar hidrogénio. Gaseificação: Conversão da biomassa em gás de síntese a altas temperaturas. Combustão: A biomassa é queimada para gerar energia com formação de gases. Liquefação: Ocorre a transformação da biomassa em óleo líquido, que pode ser processado para obtenção de hidrogénio. |
Eletrólise: Utiliza a eletricidade para decompor moléculas de água em hidrogénio e oxigénio. É um processo com zero/baixas emissões de dióxido de carbono, dependendo do tipo de energia utilizada. No entanto é de alto consumo energético e custo elevado. Termólise: Ocorre a decomposição térmica as moléculas de água em hidrogénio e oxigénio a temperaturas superiores a 2500ºC. É um processo direto sem necessidade de reagentes, mas requer temperaturas extremamente elevadas e materiais resistentes ao calor. Fotólise: Utiliza a energia solar para decompor as moléculas de água hidrogénio e oxigénio. Deste modo, é considerado um processo sustentável e limpo. Contudo as tecnologias ainda se encontram em estágio inicial e eficiência baixa. |
Aplicações do Hidrogénio
O hidrogénio é um elemento versátil com diversas aplicações na indústria, energia e transporte. Com o crescente interesse na descarbonização, o hidrogénio tem sido explorado como uma alternativa sustentável para reduzir emissões de dióxido de carbono e melhorar a eficiência energética em vários setores.
O armazenamento do hidrogénio é um desafio fundamental para a sua aplicação em diversos setores. Cada tipo de aplicação de hidrogénio requer um método de armazenamento diferente, tendo como base certos fatores como a segurança, a viabilidade económica e facilidade de transporte.
Tabela 6-Métodos de Armazenamento de hidrogénio [6]\ [15]
| Estado Gasoso | Armazenamento em Alta Pressão (Compressed Hydrogen Storage): O hidrogénio é comprimido a pressões elevadas (350-700 bar) e armazenado em cilindros metálicos ou tanques de compósitos. |
Motivo: Uso em transporte e abastecimento rápido (usado em veículos - FCEVs). |
|---|---|---|
Armazenamento em Cavidades Geológicas: O hidrogénio é armazenado em reservatórios subterrâneos (por exemplo, formações geológicas). |
Motivo: Armazenamento em larga escala, ideal para gestão de energia renovável (reservatórios estratégicos para redes elétricas baseadas em hidrogénio). | |
| Estado Líquido | Cryogenic Hydrogen Storage: O hidrogénio arrefecido a -253ºC e mantido em tanques criogénicos. |
Motivo: Essencial para aplicações espaciais e transportes de longo alcance (indústria aeroespacial - combustível para foguetões). |
| Armazenamento em Materiais Sólidos | Hidretos Metálicos (Metal Hydrites): O hidrogénio reage com metais (por exemplo, magnésio) e forma hidretos reversíveis. |
Motivo: Aplicações em sistemas estacionários e militares, devido à sua segurança. |
Materiais Adsorventes (MOFs e Carvão ativado): O hidrogénio é armazenado em materiais porosos, o que promove o aumento da massa volumétrica. |
Motivo: Potencial para armazenamento eficiente a baixas pressões para a pesquisa e desenvolvimento de baterias de hidrogénio. | |
Liquid Organic Hydrogen Carries – LOHC: O hidrogénio é armazenado em moléculas líquidas orgânicas (por exemplo, tolueno e dibenziltolueno - DBT) que podem ser hidrogenadas e desidrogenadas reversivelmente. |
Motivo: Promove a segurança e facilidade de transporte de hidrogénio. |
Referências
[1]-https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Chemistry_of_the_Main_Group_Elements_(Barron)/02%3A_Hydrogen/2.01%3A_Discovery_of_Hydrogen (acedido em fevereiro de 2025)
[2]- https://www.metallurgyfordummies.com/history-of-hydrogen.html (acedido em fevereiro de 2025)
[3]- https://www.mwcog.org/file.aspx?&A=zkpv0NhzZDWLPqP7LLLYTPZMIgxuq1QGhT8%2BMkINPbo%3D (acedido em fevereiro de 2025)
[4]- Tian Q., Yao S., Shao M., Zhang W., Wang H., Origin, discovery, exploration and development status and prospect of global natural hydrogen under the background of “carbon neutrality”, China Geology, 2022 (acedido em fevereiro de 2025)
[5]- Balat, M. (2008). Potential importance of hydrogen as a future solution. International Journal of Hydrogen Energy, 4013-4029 (acedido em fevereiro de 2025)
[6]- Merouani - Hydrogen Production, Storage and Utilization, de Gruyter, 2025 (acedido em fevereiro de 2025)
[7]-.https://energyeducation.ca/encyclopedia/Molecular_hydrogen (acedido em fevereiro de 2025)
[8]-https://periodic-table.rsc.org/element/1/hydrogen (acedido em fevereiro de 2025)
[9]-https://www.britannica.com/science/hydrogen (acedido em fevereiro de 2025)
[10]-https://energyeducation.ca/encyclopedia/Types_of_hydrogen_fuel (acedido em fevereiro de 2025)
[11]-https://stargatehydrogen.com/blog/types-of-hydrogen/ (acedido em fevereiro de 2025)
[12]-https://www.brunel.net/en/blog/renewable-energy/3-main-types-of-hydrogen (acedido em fevereiro de 2025)
[13]-https://hydrogeneurope.eu/in-a-nutshell/ (acedido em fevereiro de 2025)
[14]-https://www.upscprep.com/types-of-hydrogen-green-purple-pink-yellow-bluw-turquoise-grey-brown-black-upsc-current-affairs/ (acedido em fevereiro de 2025)
[15]- Farinha J. Reformação de metano com vapor de água em reformador de escala laboratorial, Instituto Superior Técnico, 2008 https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395137864141/Mestrado_Jos%E9_Farinha.pdf (acedido em fevereiro de 2025)