Como a amônia pode mudar o jogo da energia

O mundo está enfrentando um desafio de necessidades energéticas — equilibrar oferta e demanda, custos e impacto ambiental — e uma possível solução para esse problema é o hidrogênio. 

O hidrogênio é promissor como fonte de combustível para motores de combustão, células de combustível e como alternativa ao aquecimento a gás natural. O único remanescente de sua combustão é a água e existem várias maneiras de produzir o gás sem a ameaça de emissões de carbono.

No entanto, o gás hidrogênio puro é caro para produzir de forma sustentável e ainda mais caro para armazenar e transportar em comparação com os combustíveis fósseis tradicionais. Pesquisadores de energia têm procurado encontrar as melhores formas de obtenção de hidrogênio, bem como os métodos mais práticos para seu transporte, para que seja um verdadeiro concorrente do gás natural ou petroquímico. Existem algumas maneiras de abordar esse problema, descubra mais abaixo.

Limites de Hidrogênio 

Para todos os seus usos, o hidrogênio diatômico puro tem limitações que o impedem de ser prático em escalas maiores. A produção de combustível de hidrogênio não é estritamente isenta de gases de efeito estufa, e existem alternativas sustentáveis ​​e insustentáveis. métodos de produção que precisam ser levados em consideração. A mais promissora atualmente é a separação eletrolítica da água (usando energia renovável), que produz como resultado os gases hidrogênio e oxigênio.

Com o problema da produção resolvido, a questão da eficiência se materializa – à pressão e temperatura ambientes, simplesmente não há energia suficiente por unidade de volume de gás hidrogênio para fornecer uma medida comparável aos combustíveis fósseis. A densidade de energia do gás hidrogênio por quilograma é quase três vezes maior do que os combustíveis tradicionais, no entanto, a capacidade energética realista por litro é ordens de grandeza menor. 

Embora o gás hidrogênio possa ser comprimido sob alta pressão, isso requer equipamento especializado, bem como ainda mais energia para fazê-lo, e ainda pode atingir apenas cerca de 5% de hidrogênio por unidade de peso (onde os 95% restantes são o peso do vaso pressurizado ). O mesmo pode ser dito para o hidrogênio liquefeito, que requer uma temperatura de -253°C ou mais fria, necessitando de equipamento de resfriamento e energia adicional. 

Soluções Potenciais 

A melhor solução para o uso eficiente e transporte de hidrogênio que os cientistas encontraram não é realmente o hidrogênio puro. Existem alternativas que têm muito potencial, ou seja, armazenamento químico e armazenamento físico.

O armazenamento químico é onde os átomos de hidrogênio são armazenados dentro das moléculas por meio de ligações químicas, apenas para serem liberados após a ocorrência de uma reação química. Existem muitas opções potenciais para transportadores químicos de hidrogênio, como hidretos metálicos ou moléculas orgânicas (por exemplo, álcoois, carboidratos).

Para ser mais eficaz, um material deve ter uma capacidade de hidrogênio de pelo menos 7% em peso e ter uma temperatura de trabalho entre 0 e 100°C. Muitos hidretos metálicos requerem uma temperatura de pelo menos 200°C para liberar o hidrogênio. Os hidrocarbonetos orgânicos estão em uma posição semelhante, com a desvantagem adicional de emitir CO₂ como produto de reação.

As opções de armazenamento físico permitem que o hidrogênio seja adsorvido na superfície de um material em quantidades muito maiores do que deixar o gás contido sozinho. Os mais comuns são materiais esponjosos altamente porosos, como carvão ativado ou estruturas metal-orgânicas (MOFs). Um MOF relatado em 2020 atingiu uma excelente capacidade de hidrogênio de 14% em peso. A limitação de muitos MOFs, no entanto, é que eles executam melhor a adsorção em temperaturas muito baixas (muitos em torno de -200°C) e perdem eficácia à medida que a temperatura aumenta.

O Papel da Amônia 

A amônia já se tornou conhecida como um componente vital de fertilizantes, com uma produção anual global superior a 200 milhões de toneladas em 2021. Ela também gerou inspiração como método de armazenamento químico de hidrogênio.

O método atual de produção de amônia não é verde - o processo Haber envolve a reação de gás nitrogênio e gás hidrogênio em altas temperaturas e pressões, onde o hidrogênio em questão é mais frequentemente obtido de combustíveis fósseis. No entanto, os cientistas de energia estão avançando com métodos alternativos de produção, como células de combustível e reatores de membrana, que podem dar à amônia uma pegada mais ecológica para combustíveis, fertilizantes e muito mais.

A amônia é uma molécula inorgânica, formada por um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio. Essa densidade de hidrogênio o torna um transportador químico atraente de hidrogênio para fins energéticos, como uma alternativa ao transporte de hidrogênio líquido puro. Em vez de exigir temperaturas abaixo de -253°C, a amônia é um líquido a apenas -77°C à pressão atmosférica, ou tão alta quanto -10°C sob pressões ligeiramente mais altas. Além disso, a amônia não contém carbono, portanto, tem grande potencial como fonte de combustível neutra em carbono. Ele pode ser dividido em gases hidrogênio e nitrogênio em uma célula de combustível reversa, onde o nitrogênio diatômico pode simplesmente se juntar à atmosfera sem prejudicar o meio ambiente.

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Fontes:

• https://www.science.org/content/article/ammonia-renewable-fuel-made-sun-air-and-water-could-power-globe-without-carbon
• https://cen.acs.org/business/petrochemicals/ammonia-fuel-future/99/i8 
• https://www.statista.com/statistics/1065865/ammonia-production-capacity-globally/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage
• https://www.chemwatch.net/blog/hydrogen-a-spectrum-of-opportunities/ 
• https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz8881
• https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/er.1284