Hidrogênio, a energia do futuro?

Como afirmou o químico inglês Peter W. Atkins em sua obra A segunda lei, de 1984, existe um paralelismo entre o progresso tecnológico desenvolvido pelas sociedades humanas e o aproveitamento da energia disponível.

A necessidade de cada vez mais energia levou a humanidade a recorrer às fontes energéticas acumuladas num passado remoto. No princípio, o ser humano usava energia solar acumulada em breves períodos como fonte energética. Depois, o homem se valeu do vento — originado pelas mudanças de temperatura provocadas pelo calor do Sol — para acionar moinhos ou impulsionar embarcações à vela. Também aproveitou a vegetação — que se vale da energia solar na fotossíntese para elaborar seu alimento — cuja combustão permite obter calor. Ambas as fontes energéticas permitem liberar energia solar e aproveitá-la em benefício humano. Recursos desse tipo têm sido próprios de sociedades que não necessitam de grandes quantidades de energia, razão pela qual estavam pouco avançadas tecnicamente.

O hidrogênio se formou durante o Big Bang, o instante de criação do universo.

Durante a revolução industrial que teve início no século XVIII, surgiu um invento que transformaria a sociedade: a máquina a vapor. Esse invento transforma calor em trabalho graças ao movimento de êmbolos que se movem devido ao vapor gerado com a queima de um carburante. O calor resultante se aproveita para pôr em marcha fábricas e trens. Desse modo, o calor deixou de ser um fim em si mesmo e converteu-se num meio para gerar trabalho. Em seguida, a industrialização baseou-se no carvão, no petróleo e no gás natural. Todos constituem recursos que foram gerados há milhões de anos a partir de restos de organismos vivos, sobretudo de plâncton. De acordo com Atkins, as novas necessidades energéticas levam a sociedade a buscar recursos cuja origem remonta a milhões de anos.

No século XX, descobriu-se uma fonte energética ainda mais proveitosa do que as já citadas — embora muito discutida e polêmica —, baseada no processo de fissão nuclear de átomos de urânio, usada para pôr em marcha as centrais nucleares. Assim como a maioria dos elementos, o urânio se forma nas estrelas. Os elementos contidos na estrela se dispersam depois que ela explode para dar lugar a planetas e asteroides. Foi desse modo que se formaram o sistema solar e a Terra. O uso do urânio, portanto, exige que se recorra a um tipo de energia acumulada durante a formação da Terra, há mais de quatro bilhões de anos. Utilizar a energia atômica equivale a escavar ainda mais o passado para satisfazer as necessidades energéticas do presente.

Existe um consenso quase unânime segundo o qual o hidrogênio será a fonte de energia do futuro. Se levarmos em conta que esse elemento se formou no instante de criação do universo, momento conhecido como Big Bang, há aproximadamente quatorze bilhões de anos, seu uso significa liberar a energia acumulada durante a formação do universo, o que novamente corresponde ao esquema desenhado por Atkins.

No caminho traçado pela humanidade em busca de fontes energéticas, passou-se da energia acumulada em épocas recentes à energia originada com a formação do universo.

O HIDROGÊNIO COMO ELEMENTO

O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo: 60% da matéria constituem-se de hidrogênio, e os elementos restantes se formaram a partir dele. Os átomos de hidrogênio mais comuns são formados por um elétron — partícula de carga elétrica negativa que gira ao redor do núcleo do átomo — e um próton — partícula de carga elétrica positiva que se encontra no núcleo. Quando há um nêutron a mais no núcleo, o átomo recebe o nome de deutério. E se o núcleo apresentar dois nêutrons, passa a se chamar trítio. O hidrogênio não se encontra em estado livre na Terra, apenas associado, formando moléculas maiores, pois é extremamente reativo.

A água e os hidrocarbonetos são dois exemplos de substâncias que contêm hidrogênio e que, portanto, permitem sua obtenção.

Na atualidade, a indústria química consome grande quantidade de hidrogênio: utiliza-o, por exemplo, para obter fertilizantes ou refrigerar ambientes. O hidrogênio era o componente que possibilitava o voo dos dirigíveis, visto que pesa muito pouco, embora também seja extremamente inflamável (a explosão do zepelim Hindenburg em 1937 resultou na proibição desse tipo de veículo). Nos nossos dias, existem numerosos projetos de pesquisa que pretendem aproveitar a energia do hidrogênio.

Além disso, muitos especialistas afirmam que a economia deve se sustentar em tecnologias baseadas nesse elemento.

Existe uma grande preocupação no mundo econômico, político e empresarial, visto que a principal fonte energética da atualidade, o petróleo, está com os dias contados.

Sem essa matéria-prima não será possível produzir eletricidade, gerar combustível para os meios de automação, confeccionar roupas, dentre outras atividades. O petróleo e os combustíveis fósseis liberam monóxido e dióxido de carbono, agentes nocivos para a atmosfera, pois provocam efeito estufa, e sua combustão produz substâncias altamente tóxicas. O hidrogênio, portanto, aparece como a tábua de salvação tanto do clima como da economia. Não é para menos que seja o substituto energético em que os especialistas depositam mais esperanças.

Álcool no Brasil

O álcool foi uma solução brasileira como alternativa ao petróleo. O Proálcool (Programa Nacional do Álcool) foi um projeto criado em 1975 pela ditadura militar. O Proálcool, que era uma espécie de incentivo à produção deste combustível, gerou incentivos fiscais que reduziram impostos para a compra de veículos movidos a álcool.

Seu slogan ficou famoso: "Carro a álcool: um dia você ainda vai ter um", porém, depois que o mercado do petróleo saiu da grande crise do final da década de 70 (início dos anos 80) e os carros a álcool começaram a apresentar alguns problemas o programa perdeu sua força. Porém, com o surgimento dos carros com motor flex que admite álcool e/ou gasolina, o álcool voltou a ganhar importância e o consumidor brasileiro passou a contar com um importante poder de arbitragem já que pode escolher entre o álcool ou a gasolina.

Entre as vantagens do álcool está o fato do mesmo ser um combustível ecologicamente correto, que não afeta a camada de ozônio e é obtido de fonte renovável. A obtenção do álcool a partir da cana-de-açúcar, também ajuda na redução do gás carbônico da atmosfera, através da fotossíntese nos canaviais, e produz um aumento da umidade do ar e a retenção das águas da chuva.

Atualmente, alguns países como os EUA querem adquirir a tecnologia brasileira de carros movidos a álcool e gasolina, pois ela está se tornando uma saída para a questão do preço do combustível e para as questões ambientais geradas pelo consumo de petróleo.

Hidrogênio economicamente viável Para que a economia se sustente com o hidrogênio, é preciso desenvolver tecnologias capazes de funcionar com essa substância. Nesse sentido, as células de combustível são, há décadas, o mecanismo que permite o desenvolvimento de novos usos do hidrogênio. A aplicação mais notável do hidrogênio se encontra nos protótipos de automóveis que marcas europeias, japonesas e norte-americanas têm apresentado ao público. A generalização desse tipo de veículo tornará imprescindível a criação de uma rede de distribuição de hidrogênio por meio de postos de abastecimento semelhantes aos atuais, de gasolina, diesel e álcool. No entanto, a construção desse tipo de infraestrutura esbarra em sérias dificuldades, visto que o hidrogênio e sua capacidade inflamável pode transformar qualquer depósito numa bomba de grande potência.

Em segundo lugar, é necessário encontrar fontes de hidrogênio, pois trata-se de um gás que não se encontra de forma livre na Terra. Apesar de ser a substância mais comum do universo, os lugares mais próximos da Terra com grandes quantidades de hidrogênio em estado puro são Júpiter e o Sol. Ambos se encontram distantes demais para serem considerados alternativas viáveis para a extração de hidrogênio.

A única solução consiste em obter hidrogênio a partir dos combustíveis fósseis e da água, o que exige a utilização de determinadas fontes energéticas. Não deixa de ser paradoxal que, para substituir o petróleo pelo hidrogênio como fonte energética, seja necessário utilizar, para sua extração, mais energia do que o hidrogênio poderia produzir. De qualquer forma, numerosos projetos que visam a converter o hidrogênio numa fonte de energia viável, por meio da fusão nuclear, estão em andamento.

O HIDROGÊNIO E A FUSÃO NUCLEAR

Um dos projetos de geração de energia em que se depositam mais esperanças, embora não haja garantias de que tenha êxito, é o da fusão do hidrogênio. As bombas de hidrogênio, que foram lançadas de forma experimental pela primeira vez em 1952, já utilizavam a descomunal energia que proporciona a fusão com fins destrutivos e de forma descontrolada. As experiências para obter a fusão dos átomos de hidrogênio de forma controlada e livre de riscos como fonte energética não têm dado resultados, apesar dos elevados investimentos e da dedicação de vários cientistas. No século XX, tanto os Estados Unidos como o Reino Unido desenvolveram programas de pesquisa que produziram energia mediante fusão nuclear, mas por apenas um segundo e com um saldo energético negativo. Ou seja, a energia necessária para provocar a fusão supera em quantidade a energia obtida no processo.

Apesar desses fracassos, um número significativo de países iniciou, na década de 1990, um novo plano para desenvolver a energia de fusão. Esse plano apresenta diferentes etapas, dentre as quais figura o projeto International Tokamak Experimental Reator (ITER), que consiste na construção de um reator capaz de produzir energia por fusão.

A informação obtida durante esse experimento permitirá a construção de um reator de demonstração de fusão (conhecido como DEMO) para meados do século XXI. Essa será uma das últimas fases para o desenvolvimento de um reator com possibilidades de comercialização. Infelizmente, os graves contratempos que a construção do ITER tem sofrido até o momento, impediram que fosse colocado em funcionamento. Seu maior problema e a estocagem de energia.

Para o cientista Sébastien Balibar, professor de física nuclear na Escola Normal Superior de Paris, “o anúncio oficial descreve o processo de funcionamento do ITER como colocar a energia das estrelas em uma caixa. O problema é que não sabemos como construir essa caixa”. Balibar e seus colegas Yves Pomeau e Jacques Treioner disseram em um estudo publicado em 2004 no que um reator termonuclear implica três problemas técnicos: produção dos elementos que serão levados à fusão (deutério e Trítio), a resistência a essa fusão e o controle da reação.

A fusão é o processo em que dois núcleos atômicos leves se unem para produzir um núcleo mais pesado. A fusão do hidrogênio é o processo em que dois núcleos atômicos de hidrogênio, dotados apenas de um próton cada um, se unem. Por meio dessa união se forma um átomo de dois prótons que é próprio dos átomos de hélio. O átomo de hélio pesa menos do que a soma dos dois átomos de hidrogênio em separado, no entanto, a massa restante não desaparece, mas se converte em energia. O Sol transforma 675 milhões de toneladas de hidrogênio em 653 milhões de toneladas de hélio a cada segundo. A famosa equação de Albert Einstein (1879-1955) segundo a qual a energia é igual à massa multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz (e = mc²), permite deduzir que uma ínfima quantidade de matéria pode transformar-se numa quantidade assombrosa de energia porque a velocidade da luz ao quadrado é uma constante enorme.

A obtenção de hidrogênio como fonte de energia é um projeto de resultado incerto. De acordo com as previsões mais otimistas, será preciso esperar muito tempo para que se possa conseguir um efeito positivo.

EM BUSCA DO HIDROGÊNIO

Embora todo mundo esteja de acordo que o hidrogênio será a fonte energética do futuro, também se reconhece que “não existem minas de hidrogênio”. Só é possível obter hidrogênio a partir de duas fontes: a água e os hidrocarbonetos, e ambos os processos exigem um investimento de energia. Além disso, a extração de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos não representa uma alternativa razoável para o petróleo na medida em que esses combustíveis estão se esgotando e produzem dióxido de carbono.

O sistema mais utilizado para obter hidrogênio no princípio do século XXI é a técnica do (proveniente do inglês, quebrar) ou craqueamento, em português. Trata-se de um processo em que as cadeias moleculares dos componentes do petróleo se cindem por meio de calor e pressão, para que se possa obter produtos mais leves.

Obtém-se o hidrogênio principalmente a partir de gás natural, mas com o inconveniente de que dentre os resíduos decorrentes dessa técnica se encontram o monóxido e o dióxido de carbono. Além disso, as reservas de gás natural se esgotarão poucos anos depois que as do petróleo, razão pela qual não representa uma alternativa razoável. A eletrólise é um dos métodos mais simples de produção de hidrogênio. Esse processo, que qualquer pessoa pode reproduzir em casa, consiste em utilizar a corrente elétrica para romper a molécula de água e, desse modo, obter hidrogênio e oxigênio.

No final de 2004 anunciou-se que cientistas americanos haviam melhorado a eficiência desse método, usando água a elevadas temperaturas. Tal método pode funcionar em combinação com reatores nucleares, nos quais se usa uma grande quantidade de água para refrigeração. Pesquisadores estão estudando o uso de fontes energéticas alternativas, como a solar e a eólica, para a produção da energia necessária para a eletrólise. No momento, as técnicas empregadas são muito caras, mas acredita-se que, quando o uso se generalizar, o custo das células fotovoltaicas e dos aerogeradores irá diminuir. A economia proporcionada pelo hidrogênio só poderá existir se forem encontradas formas simples e baratas de produção de hidrogênio.

HIDROGÊNIO E TECNOLOGIA

A humanidade só ficará livre da dependência dos combustíveis fósseis quando surgirem máquinas que funcionem com outras substâncias. Nesse sentido, vale destacar a iniciativa de empresas automobilísticas como a Toyota, a General Motors e a BMW, entre outras, que, no início do século XXI, apresentaram ao público carros movidos a hidrogênio. Os dispositivos tecnológicos utilizados nesses veículos funcionam como pilhas, que nesse caso recebem o nome de células de combustível e funcionam à base de hidrogênio. Tais dispositivos foram usados pela primeira vez no projeto Apolo que levou o homem à Lua e, posteriormente, no projeto espacial Gemini.

O princípio em que se baseiam todas as pilhas consiste em aproveitar a corrente elétrica produzida a partir de duas substâncias, uma das quais tende a repelir os elétrons que possui, enquanto a outra tende a atrair aqueles de que precisa. Por meio de um condutor que une as duas substâncias, obtém-se uma corrente de elétrons e, por conseguinte, eletricidade. É como criar uma queda d’água com uma corrente de elétrons que se movem em direção ao abismo.

Nas células de combustível, a eletricidade é gerada diretamente pela combinação química e, entre os produtos da reação, obtém-se água por combinação de hidrogênio e oxigênio.

Aplica-se o hidrogênio sobre o eletrodo negativo, ao passo que o oxigênio contido no ar é aspirado do exterior através de um tubo e depois aplicado sobre o positivo. Um eletrólito permite apenas a passagem de íons positivos de hidrogênio (ou seja, do núcleo atômico sem os elétrons). Os elétrons, quando impedidos de atravessar o eletrólito, dirigem-se a um cátodo (eletrodo de carga negativa) através de um circuito externo. Por meio desse processo se produz a energia elétrica que permitirá impulsionar o carro dotado de circuito elétrico. Paralelamente, reduz-se o oxigênio no eletrodo positivo, o que leva à produção de água.

Os motores de combustão interna queimam o combustível, e a energia calorífica que foi gerada move os êmbolos responsáveis por colocar o automóvel em marcha. Dessa forma, a maior parte da energia se dissipa em forma de calor e não é aproveitada para gerar trabalho. Em compensação, as células de combustível transformam diretamente a energia química em eletricidade, motivo pelo qual o rendimento do motor é muito maior. O hidrogênio emite vapor d’água, uma substância não poluente, ao contrário dos mecanismos acionados por combustíveis fósseis. (planetasaber)